Как работи SSD устройството вътре и защо ускорява компютъра ви толкова много

Информатек Дигитал » Ресурси » Как работи SSD устройството вътре и защо ускорява компютъра ви толкова много

Ако имате компютър, който започва да се чувства малко бавен, едно от най-значимите подобрения, които можете да направите, е да замените твърдия си диск с SSD . Увеличението на скоростта е толкова драматично, че много хора казват, че компютърът се е „преродил“. Но за да извлечете максимума от него, е важно да разберете как всъщност работи SSD вътрешно и как се различава от традиционния твърд диск.

Освен данните за скоростта, предоставени от производителите, има много интересна техническа информация: видове флаш памет, как се записват и изтриват данните, техните ограничения за живот и защо, със същия капацитет, SSD все още е по-скъп от HDD . Ще разгледаме всичко това спокойно, на разбираем език, но без да жертваме техническата прецизност.

Архитектура на паметта в компютър

Преди да се задълбочим в SSD дисковете, е полезно да прегледаме как е организирана паметта на типичния компютър: кеш памет на процесора, RAM памет и масова памет . Всяко ниво е по-голямо, по-бавно и по-евтино от предишното.

Кеш паметта на процесора е малка, но невероятно бърза. Тя е интегрирана в самия процесор, а електрическите ѝ пътища са много къси, така че може да осъществява достъп до данни за наносекунди. Тази брутална скорост идва за сметка на размера: кешът е толкова малък, че постоянно се презаписва с най-често използваните данни.

Веднага след това идва RAM паметта, паметта с произволен достъп, където системата съхранява кода и данните на работещите програми. Тя е много по-голяма от кеша, но е малко по-бавна. Въпреки това, тя все още е много бърза памет и губи съдържанието си, когато изключите компютъра, защото е енергонезависима.

В долната част на списъка е устройството за масово съхранение: твърд диск или SSD. Това е мястото, където се съхранява всичко, което искате да съхранявате: операционна система, програми, игри, документи, снимки, видеоклипове и т.н. То е много по-голямо от RAM паметта, но също така е с няколко порядъка по-бавно.

Разликата в скоростта е толкова значителна, че паметта се превръща в най-голямото пречка в компютъра. Дори с много RAM памет и мощен процесор, системата може да зарежда или запазва данни само със скоростта, която позволява твърдият диск. Именно тук влизат в действие SSD дисковете и способността им драстично да намаляват времето за зареждане.

Какво е SSD и как се различава от твърд диск?

SSD (Solid State Drive) има същата цел като традиционния твърд диск: да съхранява данни дългосрочно . Разликата е в начина, по който го прави. Докато HDD използва въртящи се магнитни плочи и механични глави за четене/запис, SSD разчита на флаш памет без движещи се части.

Ако разглобите твърд диск, ще видите купчина метални дискове (плочи), въртящи се с висока скорост, и рамо с глави за четене/запис, движещи се по тях. За да чете или записва данни, рамото трябва да се премести на правилната писта , а плочата трябва да се завърти, докато съответният сектор се позиционира под главата. Всичко това отнема време: говорим за милисекунди.

При SSD концепцията се променя напълно. Вместо плочи и глави, ще намерите NAND флаш памет, организирана в клетки, страници и блокове. Няма движещи се части: данните се съхраняват и четат с помощта на електрически заряди в полупроводници . Тъй като не се разчита на механично движение, времето за достъп спада до микросекунди или по-малко.

Флаш паметта, използвана в съвременните SSD дискове, е енергонезависима, което означава, че запазва информация дори когато захранването е прекъснато . По концепция е подобна на RAM паметта (адреси, клетки, шини за данни), но е проектирана да предотвратява загуба на данни, когато компютърът е изключен или дори по време на внезапно прекъсване на захранването.

Как е организиран SSD дискът вътрешно?

Вътрешно, SSD е организиран на няколко нива на гранулираност. Данните се съхраняват в отделни клетки, които са групирани в страници, а те от своя страна в блокове. Тази структура е ключова за разбирането защо записът и изтриването работят толкова уникално във флаш паметта.

• CeldaКлетката е най-малката единица за съхранение. В клетката един или повече битове са представени от различни нива на електрически заряд.
• СтраницаЕдиницата е набор от много клетки. Обикновено е с размер 4 KB, 8 KB или подобен и е най-малката единица, която SSD може да чете или записва.
• блокБлокът е колекция от много страници. Изтриването винаги се извършва на ниво блок, а не страница по страница.

Когато запазвате нови данни, SSD контролерът записва в празни страници в рамките на наличните блокове. Важната подробност е, че флаш паметта не може директно да презапише страница, на която вече е записана ; първо трябва да изтрие целия блок, към който тя принадлежи.

Това означава, че ако искате да промените няколко килобайта във вече използвана страница, устройството не може просто да промени тази част. То трябва да копира всички валидни страници в друг блок, да изтрие целия блок и след това да запише актуализираните данни в нов блок . Този механизъм е в основата на няколко вътрешни процеса, като например събиране на боклука и изравняване на износването.

Основни части на SSD и ролята на контролера

В допълнение към NAND чиповете памет, съвременният SSD интегрира няколко ключови компонента, които работят заедно, за да позволят на системата да вижда устройството като „нормален“ диск:

• контрольорТова е като „мозъка“ на устройството. Управлява преобразуването на логически адреси във физически адреси, координира четенето и записа, следи износването и обработва събирането на боклук и командата TRIM.
• Кеш памет (DRAM или псевдокеш)Много SSD дискове включват малък DRAM чип, който временно съхранява таблици за картографиране и скорошни данни. Някои по-евтини дискове използват част от самата NAND памет като кеш памет (напр. симулиран SLC кеш).
• интерфейсТова се отнася до конектора и протокола, чрез които SSD устройството комуникира с останалата част от системата. Примерите включват SATA, PCIe, NVMe и др.
• Преосигуряване: област от физическата памет, която потребителят не вижда. Тя служи като резерв за заместват увредените клетки и да може да се преместват данни вътрешно, без те да се запълват до 100%.

Контролерът върши огромна работа: той решава къде да разположи всяка част от данните, разпределя записите между различните чипове, за да подобри производителността, следи кои блокове се износват и разчита на сложни алгоритми за изравняване на износването и коригиране на грешки, за да удължи живота на устройството.

Скорост на четене на SSD спрямо HDD

Когато операционната система поиска да прочете файл, пътят, който следват данните, е много различен в механичен диск и в SSD, въпреки че отвън всичко може да изглежда еднакво.

В твърд диск (HDD), заявката за четене достига до I/O контролера, който казва на главата за четене/запис до коя писта и сектор да осъществи достъп. Рамото се движи, плочата се завърта и когато секторът премине под главата, тя отчита вариациите на магнитното поле и ги преобразува в битове. Времето, загубено при движение на рамото и чакане плочата да се завърти, се нарича латентност на търсенето и въртенето.

SSD устройството няма рамо или плоча. Когато системата иска да чете, контролерът на устройството се консултира с вътрешната си таблица за картографиране (която преобразува логическите адреси във физически местоположения на страници и блокове) и инструктира NAND чиповете да прочетат съответните клетки . Всичко това се случва изцяло електронно, без никакво механично чакане.

Ако въпросният блок памет е вътрешно маркиран като неактивен или с много невалидни страници, SSD може да задейства вътрешни процеси за събиране на боклука: той копира полезни страници в друг блок и освобождава стария блок за бъдещи записи, като същевременно се опитва да сведе до минимум въздействието върху производителността.

Процес на запис и изтриване на SSD

Записването на твърд диск (HDD) е сравнително лесно: главата за четене/запис се премества в свободен сектор и променя магнитната полярност на битовете според съдържанието, което ще се записва. Един и същ сектор може да се използва хиляда пъти, при условие че магнитната повърхност остане в добро състояние.

На SSD обаче записът включва справяне с ограничението, че не можете да презапишете отделна страница, без първо да изтриете целия блок . Ето защо, когато промените файл, SSD обикновено:

1. Копирайте валидните данни от засегнатия блок в нов наличен блок.
2. Интегрирайте промените, които искате да запазите, в този блок.
3. Маркирайте стария блок като невалиден, за да го изтриете по-късно.

За да извърши тези операции, устройството резервира допълнително физическо пространство, което не виждате. Това скрито пространство му позволява временно да премества и дублира данни, докато извършва вътрешна поддръжка, без да забележите значителен спад в производителността с всяко малко записване.

Както споменахме, изтриването винаги се извършва на блокове. Контролерът групира блокове с много страници, маркирани като невалидни, и когато е ефикасно, ги изтрива, за да ги пусне обратно в обращение като свободни блокове. Всичко това е тясно свързано с командата TRIM, която ще обсъдим след малко.

TRIM, събиране на боклук и изравняване на износването

За да се предотврати загубата на производителност на SSD след няколко месеца употреба, операционната система и контролерът трябва да работят заедно, използвайки няколко техники.

Командата TRIM позволява на операционната система да информира SSD диска кои блокове вече не съдържат валидни данни (например след изтриване на файл). Това позволява на устройството да маркира тези страници като свободни вътрешно и когато е време за събиране на боклука, то ще знае точно какво може да бъде безопасно изтрито.

Събирането на боклук е процесът, чрез който SSD устройството реорганизира данните: то групира валидни страници, които са разпръснати, копира ги в по-чисти блокове и оставя цели блокове готови за изтриване. Тази операция може да се изпълнява във фонов режим, когато устройството е неактивно, така че не влияе съществено на потребителя.

От друга страна, има изравняване на износването . Всяка клетка от NAND флаш паметта може да издържи само ограничен брой цикли на запис и изтриване. Ако винаги се записваше в едни и същи области, тези клетки щяха да се повредят преждевременно. За да предотврати това, контролерът разпределя записите в паметта, опитвайки се да гарантира, че всички клетки се използват горе-долу равномерно.

Благодарение на комбинацията от TRIM, събиране на боклук и изравняване на износването, съвременният SSD може да издържи на наистина големи обеми на запис, преди да започне да се поврежда, дори ако потребителят няма представа, че всичко това се случва зад кулисите.

Видове NAND памет и издръжливост на SSD

Флаш паметта се класифицира според това колко бита съхранява всяка клетка: повече битове на клетка означава по-голям капацитет в същото физическо пространство, но също така е по-деликатна и по-малко устойчива на цикли на запис.

• SLC (клетка на едно ниво)1 бит на клетка. Много бърз и издръжлив, но скъп. На практика изчезна от потребителския пазар.
• MLC (многостепенна клетка)2 бита на клетка. Добър баланс между производителност и издръжливост, сега почти изключително запазен за професионална среда.
• TLC (клетка на три нива)3 бита на клетка. Това е най-разпространеният тип в настоящите потребителски SSD дискове, тъй като позволява големи капацитети на добра цена.
• QLC (клетка с четири нива)4 бита на клетка. Това позволява още по-голяма плътност, но допълнително намалява живота и устойчивата производителност.

Колкото повече нива на заряд трябва да разграничава клетката, толкова по-фин трябва да бъде контролът на напрежението и толкова по-податлива е тя на електрическо износване . Въпреки това, производителите компенсират този недостатък с по-добри контролери, алгоритми за коригиране на грешки (ECC), щедро свръхпроизводство и сравнително дълги гаранции.

В днешно време не е необичайно да се видят потребителски SSD дискове с 5-годишна гаранция и професионални модели с до 10 години. Независими тестове за издръжливост показват, че много дискове лесно надвишават стойностите на TBW (записани терабайти), обещани от производителя, дори издържайки на няколко петабайта записи в някои случаи; ето защо е полезно да знаете как да разчитате състоянието на диска и да предвиждате проблеми.

Интерфейси и формати: SATA, mSATA, M.2, PCIe и NVMe

Освен вида памет, интерфейсът за свързване прави огромна разлика в производителността, която можете да очаквате от SSD. Не е същото да разчитате на шина, предназначена за механични твърди дискове, и да използвате директно PCI Express линиите на дънната платка.

SATA SSD дисковете (включително mSATA и 2,5-инчови форм-фактори) бяха първите, които станаха популярни. Те бяха проектирани като директен заместител на 2,5-инчовите твърди дискове, използвайки същия SATA III интерфейс, което значително улесни тяхното приемане: буквално ставаше въпрос за премахване на HDD и инсталиране на SSD. Проблемът е, че SATA е ограничен до около 550 MB/s ефективна скорост, така че тези дискове вече са близо до границата на това, което стандартът позволява.

Още по-далеч се появиха SSD дисковете, свързани чрез PCI Express и протокола NVMe (Non-Volatile Memory Express). Форм-фактори като M.2 или U.2 позволяват използването на множество PCIe линии, постигайки последователни скорости на четене над 3000 MB/s в сравнително достъпни модели и значително по-високи скорости в моделите от висок клас.

NVMe SSD дисковете се отличават и с ниската си латентност и способността си да обработват много I/O опашки паралелно, което ги прави идеални за интензивни натоварвания като игри, редактиране на видео, виртуални машини или взискателни професионални приложения. Поради тази причина много модели се предлагат стандартно с радиатори , за да се предотврати термично дроселиране при голямо натоварване.

На физическо ниво, SSD дисковете могат да бъдат вътрешни (монтирани вътре в компютъра, свързани към дънната платка чрез SATA, M.2 или PCIe) или външни, използващи кутии с USB 3.x, eSATA или Thunderbolt интерфейси. Последните функционират подобно на традиционните външни твърди дискове, но с ясни предимства по отношение на скоростта, устойчивостта на удар и преносимостта.

Предимства и недостатъци на SSD спрямо HDD дискове

Преминаването от механичен твърд диск към SSD има редица предимства, които вече са добре познати, но също така и някои нюанси, които трябва да са ясни, за да се направи добър избор.

По отношение на производителността, SSD дискът е в съвсем различна лига: времето за зареждане на операционната система се съкращава рязко, игрите и програмите се отварят много по-бързо, а компютърът реагира значително по-бързо. Типичният SATA SSD диск може да копира файлове с над 500 MB/s, докато HDD дискът варира между 30 и 150 MB/s. А при произволните скорости на четене/запис, което е най-важното при ежедневна употреба, разликата е просто потресаваща.

Освен това, той се отличава с по-ниска консумация на енергия и нива на шум. Без движещи се части, SSD консумира по-малко енергия, генерира по-малко топлина и е напълно безшумен. Това е добре дошла функция както в лаптопите (по-дълъг живот на батерията и по-малко работа на вентилатора с пълна скорост), така и в настолните компютри, където хладният и тих компютър е от съществено значение.

По отношение на физическата издръжливост, SSD дисковете имат ясно предимство: ако изпуснете лаптоп с твърд диск, докато работи, главата за четене/запис може да надраска плочата и ще загубите данните си. Тъй като SSD дисковете нямат движещи се части, те издържат много по-добре на удари и вибрации, което е от решаващо значение за устройства, които се транспортират често.

Къде SSD дисковете изостават? Основно в две области: цена на гигабайт и теоретична издръжливост за неограничен брой записи. Цената на GB на SSD все още е по-висока от тази на HDD, въпреки че разликата е намаляла значително: говорим за приблизително $0,08-$0,10/GB за SSD дискове спрямо $0,03-$0,06/GB за механични твърди дискове, в зависимост от модела и капацитета.

Що се отнася до живота, флаш паметта има ограничен брой цикли на запис. С всяко изтриване и презаписване, електрическото съпротивление на клетките се увеличава леко, което изисква по-голямо напрежение за програмиране. В крайна сметка, клетката вече не може да бъде безопасно записвана и се счита за износена. Въпреки това, със съвременните технологии и типичната употреба от домашни потребители, достигането на този лимит е изключително трудно ; по-вероятно е да надстроите компютъра си, преди да изчерпите SSD устройството си.

Надеждност и възстановяване на данните

Възможно е да се възстанови повредена или изтрита информация както от твърди дискове, така и от SSD дискове, но процесът е много различен и на практика SSD дисковете са много по-сложни за работа на напреднало ниво на възстановяване.

При механичен твърд диск, стига магнитната повърхност на плочите да е горе-долу непокътната, специализирани лаборатории могат да разглобят устройството, да поправят или подменят главите за четене/запис и да прочетат данните директно от плочите. Начинът, по който твърдите дискове записват и изтриват данни, означава, че много остатъци от стари файлове остават за доста дълго време, което улеснява криминалистичния анализ.

На SSD диск, използването на TRIM, събиране на боклук и изравняване на износването означава, че данните, маркирани като изтрити, се презаписват и реорганизират вътрешно. Това прави възстановяването на файл след определено време изключително трудно; често изисква специализирано оборудване и много ниско ниво на достъп до контролера и NAND чиповете и дори тогава няма гаранции.

Във всеки случай, нито твърдите дискове, нито SSD дисковете са имунизирани срещу повреда на данните: прекъсвания на захранването, дефектен фърмуер, човешка грешка, зловреден софтуер… Ето защо единствената разумна стратегия е да се поддържат редовни резервни копия и резервиране (например с RAID системи или облачни резервни копия), вместо сляпо да се разчита на основния диск.

В крайна сметка, SSD дисковете са се превърнали в де факто стандарт за основно съхранение на данни благодарение на своята скорост, тиха работа и физическа издръжливост, докато механичните твърди дискове все още имат смисъл като „евтино хранилище“ за съхранение на много терабайти данни. Разбирането на това как работи SSD вътрешно ви помага да оцените по-добре неговите предимства, да осъзнаете реалните му ограничения и да вземате по-информирани решения, когато е време да надстроите компютъра си или да изградите нова система.