Hvordan en SSD fungerer indvendigt, og hvorfor den fremskynder din pc så meget

Informatic Digital » Recursos » Hvordan en SSD fungerer indvendigt, og hvorfor den fremskynder din pc så meget

Hvis du har en computer, der begynder at føles lidt sløv, er en af ​​de vigtigste forbedringer, du kan foretage, at udskifte din harddisk med en SSD . Hastighedsstigningen er så dramatisk, at mange siger, at pc'en er "genfødt". Men for at få mest muligt ud af den, er det vigtigt at forstå, hvordan en SSD rent faktisk fungerer internt , og hvordan den adskiller sig fra en traditionel harddisk.

Ud over de hastighedstal, som producenterne har angivet, er der en masse interessante tekniske oplysninger: typer af flashhukommelse, hvordan data skrives og slettes, deres levetidsgrænser, og hvorfor en SSD stadig er dyrere end en harddisk med samme kapacitet . Vi vil gennemgå alt dette roligt og i lægmandssprog, men uden at ofre teknisk stringens.

Hukommelsesarkitektur i en computer

Før vi dykker ned i SSD'er, er det nyttigt at gennemgå, hvordan en typisk pc's hukommelse er organiseret: processorcache, RAM og masselagring . Hvert niveau er større, langsommere og billigere end det foregående.

Processorens cachehukommelse er lille, men utrolig hurtig. Den er integreret i selve CPU'en, og dens elektriske signaler er meget korte, så den kan tilgå data på nanosekunder. Denne brutale hastighed kommer på bekostning af størrelsen: cachen er så lille, at den konstant bliver overskrevet med de mest brugte data.

Lige efter det kommer RAM, random access memory, hvor systemet lagrer kode og data fra kørende programmer. Den er meget større end cachen, men noget langsommere. Alligevel er den stadig meget hurtig hukommelse og mister sit indhold, når du slukker computeren, fordi den er ustabil.

Nederst på listen finder du masselagerenheden: harddisk eller SSD. Det er her, alt hvad du vil gemme, findes: operativsystem, programmer, spil, dokumenter, fotos, videoer osv. Den er meget større end RAM, men også adskillige størrelsesordener langsommere.

Hastighedsforskellen er så betydelig, at lagring bliver den største flaskehals i en pc. Selv med masser af RAM og en kraftig processor kan systemet kun indlæse eller gemme data med den hastighed, harddisken tillader. Det er her, solid-state-drev (SSD'er) og deres evne til drastisk at reducere indlæsningstiderne kommer i spil.

Hvad er en SSD, og ​​hvordan adskiller den sig fra en harddisk?

Et solid-state-drev (SSD) har samme formål som en traditionel harddisk: at lagre data på lang sigt . Forskellen ligger i, hvordan den gør det. Mens en HDD bruger roterende magnetiske plader og mekaniske læse-/skrivehoveder, er en SSD afhængig af flashhukommelseschips uden bevægelige dele.

Hvis du skiller en harddisk ad, vil du se en stak metaldiske (plader), der roterer med høj hastighed, og en arm med læse-/skrivehoveder, der bevæger sig hen over dem. For at læse eller skrive data skal armen bevæge sig til det korrekte spor , og pladepladen skal rotere, indtil den relevante sektor er placeret under hovedet. Alt dette tager tid: vi taler om millisekunder.

I en SSD ændrer konceptet sig fuldstændigt. I stedet for plader og hoveder finder man NAND flash-hukommelseschips organiseret i celler, sider og blokke. Der er ingen bevægelige dele: data lagres og læses ved hjælp af elektriske ladninger i halvledere . Fordi det ikke er afhængigt af mekanisk bevægelse, falder adgangstiderne til mikrosekunder eller mindre.

Flashhukommelsen, der bruges i moderne SSD'er, er ikke-flygtig, hvilket betyder, at den gemmer information, selv når strømmen afbrydes . Den minder i koncept om RAM (adresser, celler, databusser), men er designet til at forhindre datatab, når computeren slukkes eller endda under et pludseligt strømafbrydelse.

Hvordan er en SSD organiseret internt?

Internt er en SSD organiseret i flere granularitetsniveauer. Data gemmes i individuelle celler, som grupperes i sider, og disse igen i blokke. Denne struktur er nøglen til at forstå, hvorfor skrivning og sletning fungerer så unikt i flashhukommelse.

• CelleCellen er den mindste lagerenhed. I en celle er en eller flere bits repræsenteret af forskellige niveauer af elektrisk ladning.
• SideEn enhed er et sæt af mange celler. Den er normalt 4 KB, 8 KB eller lignende i størrelse, og er den mindste enhed, som SSD'en kan læse eller skrive til.
• BlokerEn blok er en samling af mange sider. Sletning sker altid på blokniveau, ikke side for side.

Når du gemmer nye data, skriver SSD-controlleren til tomme sider inden for de tilgængelige blokke. Den vigtige detalje er, at flashhukommelsen ikke direkte kan overskrive en side, der allerede er blevet skrevet til ; den skal først slette hele den blok, den tilhører.

Det betyder, at hvis du vil ændre et par kilobyte på en allerede brugt side, kan drevet ikke bare ændre den del. Det skal kopiere alle de gyldige sider til en anden blok, slette hele blokken og derefter skrive de opdaterede data til en ny blok . Denne mekanisme er grundlaget for flere interne processer, såsom garbage collection og wear leveling.

Hoveddele af en SSD og controllerens rolle

Ud over NAND-hukommelseschips integrerer en moderne SSD flere nøglekomponenter, der arbejder sammen for at give systemet mulighed for at se drevet som en "normal" disk:

• controllerDet er ligesom "hjernen" i drevet. Det styrer oversættelsen af ​​logiske adresser til fysiske adresser, koordinerer læsning og skrivning, overvåger slid og håndterer garbage collection og TRIM-kommandoen.
• Cache-hukommelse (DRAM eller pseudo-cache)Mange SSD'er har en lille DRAM-chip, der midlertidigt lagrer kortlægningstabeller og nylige data. Nogle billigere drev bruger en del af selve NAND'en som cache (f.eks. simuleret SLC-cache).
• grænsefladeDette refererer til det stik og den protokol, hvorigennem SSD'en kommunikerer med resten af ​​systemet. Eksempler omfatter SATA, PCIe, NVMe osv.
• Overforsyning: fysisk hukommelsesområde, som brugeren ikke kan se. Det fungerer som en reserve for erstatte beskadigede celler og at kunne flytte data internt uden at det fyldes op til 100%.

Controlleren gør et fantastisk stykke arbejde: den bestemmer, hvor hvert enkelt datastykke skal placeres, fordeler skrivninger mellem de forskellige chips for at forbedre ydeevnen, overvåger, hvilke blokke der forringes, og er afhængig af komplekse slidudjævnings- og fejlkorrektionsalgoritmer for at forlænge enhedens levetid.

Læsehastighed på en SSD vs. en HDD

Når operativsystemet anmoder om at læse en fil, er den sti, som dataene følger, meget forskellig på en mekanisk disk og en SSD, selvom alt udefra kan virke ens.

I en harddisk (HDD) når læseanmodningen I/O-controlleren, som fortæller læse-/skrivehovedet, hvilket spor og hvilken sektor det skal tilgå. Armen bevæger sig, pladetallerkenen drejer, og når sektoren passerer under hovedet, læser den variationerne i magnetfeltet og oversætter dem til bits. Den tid, der går tabt med at bevæge armen og vente på, at pladetallerkenen drejer, kaldes søge- og rotationslatens.

En SSD har ingen arm eller plade. Når systemet vil læse, konsulterer drevets controller sin interne mapping-tabel (som oversætter logiske adresser til fysiske side- og blokplaceringer) og instruerer NAND-chipsene til at læse de tilsvarende celler . Alt dette sker udelukkende elektronisk, uden nogen mekanisk ventetid.

Hvis den pågældende hukommelsesblok er internt markeret som inaktiv eller med mange ugyldige sider, kan SSD'en udløse interne garbage collection-processer: den kopierer nyttige sider til en anden blok og frigør den gamle blok til fremtidige skrivninger, alt imens den forsøger at minimere påvirkningen på ydeevnen.

Skrive- og sletteprocessen på en SSD

Det er relativt simpelt at skrive til en harddisk (HDD): læse-/skrivehovedet bevæger sig til en fri sektor og ændrer bits' magnetiske polaritet i henhold til det indhold, der skal optages. Den samme sektor kan genbruges tusind gange, forudsat at den magnetiske overflade forbliver i god stand.

På en SSD involverer skrivning dog den begrænsning, at du ikke kan overskrive en enkelt side uden først at slette hele blokken . Derfor gør SSD'en typisk følgende, når du ændrer en fil:

1. Kopier de gyldige data fra den berørte blok til en ny tilgængelig blok.
2. Integrer de ændringer, du vil gemme, i den blok.
3. Marker den gamle blok som ugyldig for at slette den senere.

For at udføre disse handlinger reserverer drevet ekstra fysisk plads, som du ikke kan se. Denne skjulte plads giver det mulighed for midlertidigt at flytte og duplikere data, mens der udføres intern vedligeholdelse, uden at du bemærker et betydeligt fald i ydeevnen ved hver lille skrivning.

Som vi nævnte, udføres sletning altid i blokke. Controlleren grupperer blokke med mange sider markeret som ugyldige, og når det er effektivt, sletter den dem for at sætte dem tilbage i cirkulation som frie blokke. Alt dette er tæt forbundet med TRIM-kommandoen, som vi vil diskutere om et øjeblik.

TRIM, affaldsindsamling og slidudligning

For at forhindre, at en SSD mister ydeevne efter et par måneders brug, skal operativsystemet og controlleren arbejde sammen ved hjælp af flere teknikker.

TRIM- kommandoen giver operativsystemet mulighed for at informere SSD'en om, hvilke blokke der ikke længere indeholder gyldige data (for eksempel efter sletning af en fil). Dette giver drevet mulighed for at markere disse sider som frie internt, og når det er tid til at udføre garbage collection, vil det vide præcis, hvad der sikkert kan slettes.

Garbage collection er den proces, hvorved SSD'en reorganiserer data: den grupperer gyldige sider, der er spredt, kopierer dem til rene blokke og efterlader hele blokke klar til at blive slettet. Denne handling kan køre i baggrunden, når drevet er inaktivt, så det påvirker ikke brugeren væsentligt.

På den anden side er der slidudligning . Hver NAND flash-hukommelsescelle kan kun modstå et begrænset antal skrive- og slettecyklusser. Hvis der altid blev skrevet til de samme områder, ville disse celler svigte for tidligt. For at forhindre dette fordeler controlleren skrivninger på tværs af hukommelsen og forsøger at sikre, at alle celler bruges mere eller mindre jævnt.

Takket være kombinationen af ​​TRIM, garbage collection og wear leveling kan en moderne SSD modstå virkelig høje skrivevolumener, før den begynder at svigte, selvom brugeren ikke aner, at alt dette sker bag kulisserne.

Typer af NAND-hukommelse og SSD-holdbarhed

Flashhukommelse klassificeres efter, hvor mange bits hver celle gemmer: flere bits pr. celle betyder større kapacitet i det samme fysiske rum, men også mere følsom og mindre modstandsdygtig over for skrivecyklusser.

• SLC (enkeltniveaucelle)1 bit pr. celle. Meget hurtig og holdbar, men dyr. Stort set forsvundet fra forbrugermarkedet.
• MLC (Multi-Level Cell)2 bits pr. celle. En god balance mellem ydeevne og udholdenhed, nu næsten udelukkende forbeholdt professionelle miljøer.
• TLC (Triple-Level Cell)3 bits pr. celle. Dette er den mest almindelige type i nuværende forbruger-SSD'er, da den giver mulighed for stor kapacitet til en god pris.
• QLC (Quad-Level Cell)4 bits pr. celle. Dette giver mulighed for endnu større tæthed, men reducerer yderligere levetiden og den vedvarende ydeevne.

Jo flere ladningsniveauer cellen skal kunne skelne mellem, desto finere skal spændingskontrollen være, og desto mere modtagelig er den for elektrisk slid . Alligevel kompenserer producenterne for denne ulempe med bedre controllere, fejlkorrektionsalgoritmer (ECC), generøs overprovisionering og forholdsvis lange garantier.

Det er i disse dage ikke ualmindeligt at se forbruger-SSD'er med 5 års garanti og professionelle modeller med op til 10 år. Uafhængige udholdenhedstests har vist, at mange drev nemt overstiger de TBW-værdier (terabytes written), som producenten lover, og i nogle tilfælde kan de endda modstå adskillige petabytes af skrivninger. Derfor er det nyttigt at vide, hvordan man aflæser et drevs tilstand og forudser problemer.

Grænseflader og formater: SATA, mSATA, M.2, PCIe og NVMe

Udover hukommelsestypen gør tilslutningsgrænsefladen en enorm forskel i den ydeevne, du kan forvente af en SSD. Det er ikke det samme at stole på en bus designet til mekaniske harddiske, som det er at bruge bundkortets PCI Express-baner direkte.

SATA SSD'er (inklusive mSATA og 2,5-tommer formfaktorer) var de første, der blev populære. De blev designet som en direkte erstatning for 2,5-tommer harddiske ved hjælp af den samme SATA III-grænseflade, hvilket i høj grad lettede deres anvendelse: det var bogstaveligt talt et spørgsmål om at fjerne harddisken og installere SSD'en. Problemet er, at SATA er begrænset til omkring 550 MB/s effektiv hastighed, så disse drev er allerede tæt på grænsen for, hvad standarden tillader.

For at gå endnu længere kom SSD'er forbundet via PCI Express og NVMe (Non-Volatile Memory Express) protokollen. Formfaktorer som M.2 eller U.2 tillader brugen af ​​flere PCIe-baner, hvilket opnår sekventielle læsehastigheder på over 3000 MB/s i relativt overkommelige modeller og betydeligt højere hastigheder i topmodeller.

NVMe SSD'er er også kendte for deres lave latenstid og evne til at håndtere mange I/O-køer parallelt, hvilket gør dem ideelle til intensive arbejdsbelastninger såsom spil, videoredigering, virtuelle maskiner eller krævende professionelle applikationer. Af denne grund leveres mange modeller med køleplader som standard for at forhindre termisk throttling under tung belastning.

På et fysisk niveau kan SSD'er være interne (monteret inde i pc'en, tilsluttet bundkortet via SATA, M.2 eller PCIe) eller eksterne ved hjælp af kabinetter med USB 3.x-, eSATA- eller Thunderbolt-grænseflader. Sidstnævnte fungerer på samme måde som traditionelle eksterne harddiske, men med klare fordele i forhold til hastighed, stødmodstand og bærbarhed.

Fordele og ulemper ved SSD'er versus harddiske

At skifte fra en mekanisk harddisk til en SSD har en række fordele, som allerede er velkendte, men også nogle nuancer, der bør være klare for at vælge godt.

Med hensyn til ydeevne er SSD'en i en helt anden liga: operativsystemets opstartstider styrtdykker, spil og programmer åbner meget hurtigere, og computeren reagerer betydeligt hurtigere. En typisk SATA SSD kan kopiere filer med over 500 MB/s, mens en harddisk ligger mellem 30 og 150 MB/s. Og i tilfældige læse-/skrivehastigheder, hvilket er det vigtigste i daglig brug, er forskellen simpelthen svimlende.

Den har også fordel af lavere strømforbrug og støjniveau. Uden bevægelige dele bruger en SSD mindre energi, genererer mindre varme og er fuldstændig lydløs. Dette er en velkommen funktion i bærbare computere (længere batterilevetid og mindre ventilator, der kører ved fuld hastighed) og i stationære computere, hvor en kølig og stille pc er afgørende.

Med hensyn til fysisk holdbarhed har SSD'er en klar fordel: Hvis du taber en bærbar computer med en harddisk, mens den kører, kan læse-/skrivehovedet ridse pladen, og du mister dine data. Da SSD'er ikke har nogen bevægelige dele, modstår de stød og vibrationer meget bedre, hvilket er afgørende for enheder, der ofte transporteres.

Hvor kommer SSD'er til kort? Primært på to områder: pris pr. gigabyte og teoretisk udholdenhed for ubegrænset skrivning. Prisen pr. GB for en SSD er stadig højere end for en harddisk, selvom forskellen er blevet betydeligt mindre: vi taler om cirka $0,08-$0,10/GB for SSD'er versus $0,03-$0,06/GB for mekaniske harddiske, afhængigt af model og kapacitet.

Med hensyn til levetid har flashhukommelse et begrænset antal skrivecyklusser. Med hver sletning og omskrivning øges cellernes elektriske modstand en smule, hvilket kræver mere spænding til programmering. Til sidst kan der ikke længere skrives sikkert til cellen og betragtes som slidt. Men med nuværende teknologier og typisk hjemmebrug er det ekstremt vanskeligt at nå denne grænse ; du er mere tilbøjelig til at opgradere din pc, før du bruger dit SSD-drev.

Datapålidelighed og gendannelse

Det er muligt at gendanne beskadigede eller slettede oplysninger fra både harddiske og SSD'er, men processen er meget anderledes, og i praksis er SSD'er meget mere komplicerede at håndtere på et avanceret gendannelsesniveau.

På en mekanisk harddisk, så længe den magnetiske overflade på pladerne er mere eller mindre intakt, kan specialiserede laboratorier adskille drevet, reparere eller udskifte læse-/skrivehovederne og læse dataene direkte fra pladerne. Den måde, harddiske skriver og sletter data på, betyder, at mange rester af gamle filer forbliver i et stykke tid, hvilket letter retsmedicinsk analyse.

På en SSD betyder brugen af ​​TRIM, garbage collection og wear leveling, at data markeret som slettet overskrives og reorganiseres internt. Dette gør det ekstremt vanskeligt at rekonstruere en fil efter en vis tid; det kræver ofte specialiseret udstyr og meget lav adgang til controlleren og NAND-chips , og selv da er der ingen garantier.

Under alle omstændigheder er hverken harddiske eller SSD'er immune over for datakorruption: strømafbrydelser, defekt firmware, menneskelige fejl, malware... Derfor er den eneste fornuftige strategi at opretholde regelmæssige sikkerhedskopier og redundans (for eksempel med RAID-systemer eller cloud-sikkerhedskopier) i stedet for blindt at stole på det primære drev.

I sidste ende er SSD'er blevet de facto-standarden for primær lagring takket være deres hastighed, støjsvage drift og fysiske holdbarhed, mens mekaniske harddiske stadig giver mening som "billig lagring" til lagring af mange terabyte data. Forståelse af, hvordan en SSD fungerer internt, hjælper dig med bedre at værdsætte dens fordele, anerkende dens reelle begrænsninger og træffe mere informerede beslutninger, når det er tid til at opgradere din pc eller bygge et nyt system.