Miten SSD toimii sisällä ja miksi se nopeuttaa tietokonettasi niin paljon

Digitaaliset uutiset » Resurssit » Miten SSD toimii sisällä ja miksi se nopeuttaa tietokonettasi niin paljon

Jos tietokoneesi alkaa tuntua hieman hitaalta, yksi merkittävimmistä parannuksista, joita voit tehdä, on vaihtaa kiintolevysi SSD-levyyn . Nopeudenlisäys on niin dramaattinen, että monet sanovat tietokoneen "uudestisyntyneen". Mutta jotta saat siitä kaiken irti, on tärkeää ymmärtää, miten SSD-levy todellisuudessa toimii sisäisesti ja miten se eroaa perinteisestä kiintolevystä.

Valmistajien ilmoittamien nopeuslukujen lisäksi on paljon mielenkiintoista teknistä tietoa: flash-muistityypit, miten tietoja kirjoitetaan ja poistetaan, niiden käyttöiän rajat ja miksi SSD-levy on samalla kapasiteetilla silti kalliimpi kuin kiintolevy . Aiomme purkaa kaiken tämän rauhallisesti, maallikkotermein, mutta tinkimättä teknisestä tarkkuudesta.

Tietokoneen muistiarkkitehtuuri

Ennen kuin syvennymme SSD-levyihin, on hyödyllistä tarkastella, miten tyypillisen tietokoneen muisti on järjestetty: suorittimen välimuisti, RAM-muisti ja massamuisti . Jokainen taso on suurempi, hitaampi ja halvempi kuin edellinen.

Prosessorin välimuisti on pieni, mutta uskomattoman nopea. Se on integroitu itse suorittimeen, ja sen sähköiset polut ovat hyvin lyhyitä, joten se voi käyttää tietoja nanosekunneissa. Tämä brutaali nopeus tulee koon kustannuksella: välimuisti on niin pieni, että sitä korvataan jatkuvasti useimmin käytetyillä tiedoilla.

Heti sen jälkeen tulee RAM, RAM-muisti, johon järjestelmä tallentaa käynnissä olevien ohjelmien koodin ja tiedot. Se on paljon suurempi kuin välimuisti, mutta jonkin verran hitaampi. Silti se on erittäin nopea muisti ja menettää sisältönsä, kun sammutat tietokoneen, koska se on epävakaa.

Listan pohjalla on massatallennusyksikkö: kiintolevy eli SSD. Täällä sijaitsee kaikki haluamasi tallennustila: käyttöjärjestelmä, ohjelmat, pelit, dokumentit, valokuvat, videot jne. Se on paljon suurempi kuin RAM, mutta myös useita kertaluokkia hitaampi.

Nopeusero on niin merkittävä, että tallennustilasta tulee tietokoneen suurin pullonkaula. Vaikka RAM-muistia olisi runsaasti ja prosessori tehokas, järjestelmä voi ladata tai tallentaa tietoja vain kiintolevyn sallimalla nopeudella. Tässä kohtaa SSD-levyt ja niiden kyky lyhentää latausaikoja merkittävästi tulevat mukaan kuvaan.

Mikä on SSD-levy ja miten se eroaa kiintolevystä?

SSD-levyllä on sama tarkoitus kuin perinteisellä kiintolevyllä: tallentaa tietoa pitkällä aikavälillä . Ero on siinä, miten se tehdään. Kiintolevy käyttää pyöriviä magneettilevyjä ja mekaanisia luku-/kirjoituspäitä, kun taas SSD-levy perustuu flash-muistisiruihin, joissa ei ole liikkuvia osia.

Jos purat kiintolevyn, näet pinon metallilevyjä (levyjä) pyörimässä suurella nopeudella ja varren, jonka luku-/kirjoituspäät liikkuvat niiden yli. Datan lukemiseksi tai kirjoittamiseksi varren on siirryttävä oikealle raidalle ja levyjen on pyörittävä, kunnes oikea sektori on lukupään alla. Kaikki tämä vie aikaa: puhumme millisekunneista.

SSD-levyssä konsepti muuttuu täysin. Levyjen ja lukupäiden sijaan NAND-flash-muistisirut on järjestetty soluiksi, sivuiksi ja lohkoiksi. Siinä ei ole liikkuvia osia: tiedot tallennetaan ja luetaan sähkövarausten avulla puolijohteissa . Koska se ei ole riippuvainen mekaanisesta liikkeestä, käyttöajat lyhenevät mikrosekunteihin tai jopa vähemmän.

Nykyaikaisissa SSD-levyissä käytetty flash-muisti on haihtumatonta, mikä tarkoittaa, että se säilyttää tiedot, vaikka virta katkaistaisiin . Se on konseptiltaan samanlainen kuin RAM (osoitteet, solut, dataväylät), mutta se on suunniteltu estämään tietojen menetys, kun tietokone sammutetaan tai jopa äkillisen sähkökatkoksen aikana.

Miten SSD-levy on sisäisesti järjestetty?

Sisäisesti SSD-levy on järjestetty useille rakeisuustasoille. Tiedot tallennetaan yksittäisiin soluihin, jotka on ryhmitelty sivuiksi ja nämä puolestaan ​​lohkoiksi. Tämä rakenne on avainasemassa sen ymmärtämisessä, miksi kirjoittaminen ja poistaminen toimivat niin ainutlaatuisesti flash-muistissa.

• SoluSolu on pienin tallennusyksikkö. Solussa yhtä tai useampaa bittiä edustavat erilaiset sähkövaraustasot.
• SivuYksikkö on joukko soluja. Se on yleensä kooltaan 4 kt, 8 kt tai vastaava, ja se on pienin yksikkö, johon SSD-levy voi lukea tai kirjoittaa.
• TukkiaLohko on useiden sivujen kokoelma. Poisto tehdään aina lohkotasolla, ei sivu kerrallaan.

Kun tallennat uutta dataa, SSD-ohjain kirjoittaa tyhjille sivuille käytettävissä olevien lohkojen sisällä. Tärkeä yksityiskohta on, että flash-muisti ei voi suoraan korvata jo kirjoitettua sivua ; sen on ensin poistettava koko lohko, johon se kuuluu.

Tämä tarkoittaa, että jos haluat muokata muutamaa kilotavua jo käytetyllä sivulla, asema ei voi muuttaa vain kyseistä osaa. Sen on kopioitava kaikki kelvolliset sivut toiseen lohkoon, poistettava koko lohko ja sitten kirjoitettava päivitetty data uuteen lohkoon . Tämä mekanismi on perusta useille sisäisille prosesseille, kuten roskienkeruulle ja kulumisen tasaukselle.

SSD-levyn pääosat ja ohjaimen rooli

NAND-muistisirujen lisäksi moderni SSD-levy sisältää useita keskeisiä komponentteja, jotka toimivat yhdessä, jotta järjestelmä voi nähdä aseman "normaalina" levynä:

• ControladorSe on kuin levyn "aivot". Se hallinnoi loogisten osoitteiden muuntamista fyysisiksi osoitteiksi, koordinoi lukuja ja kirjoituksia, valvoo kulumista sekä käsittelee roskienkeruun ja TRIM-komennon.
• Välimuisti (DRAM tai pseudo-välimuisti)Monissa SSD-levyissä on pieni DRAM-siru, joka tallentaa väliaikaisesti kartoitustaulukoita ja viimeisimpiä tietoja. Jotkut halvemmat asemat käyttävät osaa NAND-muistista välimuistina (esim. simuloitu SLC-välimuisti).
• liitäntäTämä viittaa liittimeen ja protokollaan, jonka kautta SSD-levy kommunikoi muun järjestelmän kanssa. Esimerkkejä ovat SATA, PCIe, NVMe jne.
• Ylitarjonta: fyysinen muistialue, jota käyttäjä ei näe. Se toimii varalla korvaa vaurioituneet solut ja voida siirtää tietoja sisäisesti ilman, että se täyttyy 100-prosenttisesti.

Ohjain tekee valtavasti työtä: se päättää, mihin kukin tieto sijoitetaan, jakaa kirjoitustehtävät eri sirujen kesken suorituskyvyn parantamiseksi, valvoo, mitkä lohkot heikkenevät, ja luottaa monimutkaisiin kulumisen tasaus- ja virheenkorjausalgoritmeihin yksikön käyttöiän pidentämiseksi.

SSD-levyn ja kiintolevyn lukunopeus

Kun käyttöjärjestelmä pyytää tiedoston lukemista, datan polku on hyvin erilainen mekaanisella levyllä ja SSD-levyllä, vaikka ulkopuolelta kaikki saattaa näyttää samalta.

Kiintolevyllä (HDD) lukupyyntö saavuttaa I/O-ohjaimen, joka kertoo luku-/kirjoituspäälle, mitä raitaa ja sektoria sen on käytettävä. Varsi liikkuu, levylautanen pyörii, ja kun sektori kulkee lukupään alta, se lukee magneettikentän vaihtelut ja muuntaa ne biteiksi. Varren liikuttamiseen ja levylautasen pyörimisen odottamiseen kuluvaa aikaa kutsutaan haku- ja pyörimislatenssiksi.

SSD-levyllä ei ole vartta tai levylautasta. Kun järjestelmä haluaa lukea, levyn ohjain tarkistaa sisäisen yhdistämistaulukon (joka muuntaa loogiset osoitteet fyysisiksi sivu- ja lohkopaikoiksi) ja käskee NAND-siruja lukemaan vastaavat solut . Kaikki tämä tapahtuu täysin elektronisesti ilman mekaanista odottelua.

Jos kyseinen muistilohko on sisäisesti merkitty ei-aktiiviseksi tai siinä on useita virheellisiä sivuja, SSD-levy voi käynnistää sisäisiä roskienkeruuprosesseja: se kopioi hyödylliset sivut toiseen lohkoon ja vapauttaa vanhan lohkon tulevia kirjoituksia varten yrittäen samalla minimoida vaikutusta suorituskykyyn.

SSD-levyn kirjoitus- ja poistoprosessi

Kiintolevylle (HDD) kirjoittaminen on suhteellisen yksinkertaista: luku-/kirjoituspää siirtyy vapaaseen sektoriin ja muuttaa bittien magneettista napaisuutta tallennettavan sisällön mukaan. Samaa sektoria voidaan käyttää uudelleen tuhat kertaa, kunhan magneettinen pinta pysyy hyvässä kunnossa.

SSD-levyllä kirjoittaminen kuitenkin sisältää rajoituksen, jonka mukaan yksittäistä sivua ei voi korvata poistamatta ensin koko lohkoa . Siksi tiedostoa muutettaessa SSD-levy yleensä:

1. Kopioi kelvolliset tiedot kyseisestä lohkosta uuteen käytettävissä olevaan lohkoon.
2. Integroi tallennettavat muutokset kyseiseen lohkoon.
3. Merkitse vanha lohko virheelliseksi poistaaksesi sen myöhemmin.

Näiden toimintojen suorittamiseksi asema varaa hieman ylimääräistä fyysistä tilaa, jota et näe. Tämän piilotetun tilan avulla se voi väliaikaisesti siirtää ja kopioida tietoja sisäisen huollon aikana ilman, että huomaat merkittävää suorituskyvyn laskua jokaisen pienen kirjoituskerran yhteydessä.

Kuten mainitsimme, poisto suoritetaan aina lohkoissa. Ohjain ryhmittelee lohkot, joissa on useita virheellisiksi merkittyjä sivuja, ja tarvittaessa poistaa ne palauttaakseen ne kiertoon vapaina lohkoina. Kaikki tämä liittyy läheisesti TRIM-komentoon, josta keskustelemme hetken kuluttua.

TRIM, roskienkeruu ja kulumisen tasaus

Jotta SSD-levyn suorituskyky ei heikkenisi muutaman kuukauden käytön jälkeen, käyttöjärjestelmän ja ohjaimen on toimittava yhdessä useiden tekniikoiden avulla.

TRIM -komennon avulla käyttöjärjestelmä voi ilmoittaa SSD-levylle, mitkä lohkot eivät enää sisällä kelvollista dataa (esimerkiksi tiedoston poistamisen jälkeen). Näin levy voi merkitä kyseiset sivut sisäisesti vapaiksi, ja kun on aika suorittaa roskienkeruu, se tietää tarkalleen, mitä voidaan turvallisesti poistaa.

Roskienkeruu on prosessi, jolla SSD-levy järjestää tiedot uudelleen: se ryhmittelee hajallaan olevat kelvolliset sivut, kopioi ne siistimpiin lohkoihin ja jättää kokonaisia ​​lohkoja valmiiksi poistettavaksi. Tämä toiminto voi toimia taustalla, kun levy on käyttämättömänä, joten se ei vaikuta käyttäjään merkittävästi.

Toisaalta on olemassa kulumisen tasaus . Jokainen NAND-flash-muistikenno kestää vain rajallisen määrän kirjoitus- ja poistosyklejä. Jos samoille alueille kirjoitettaisiin aina, kyseiset kennoja rikottaisiin ennenaikaisesti. Tämän estämiseksi ohjain jakaa kirjoitukset muistiin ja pyrkii varmistamaan, että kaikkia kennoja käytetään suurin piirtein tasaisesti.

TRIM-tekniikan, roskienkeruun ja kulumisen tasauksen yhdistelmän ansiosta moderni SSD-levy kestää todella suuria kirjoitusmääriä ennen kuin se alkaa vikaantua, vaikka käyttäjällä ei olisi aavistustakaan, että kaikki tämä tapahtuu kulissien takana.

NAND-muistityypit ja SSD-levyjen kestävyys

Flash-muisti luokitellaan sen mukaan, kuinka monta bittiä kukin solu tallentaa: enemmän bittejä solua kohden tarkoittaa suurempaa kapasiteettia samassa fyysisessä tilassa, mutta myös herkempää ja vähemmän kestävää kirjoitussykleille.

• SLC (Single-Level Cell)1 bitti kennoa kohden. Erittäin nopea ja kestävä, mutta kallis. Lähes kadonnut kuluttajamarkkinoilta.
• MLC (Multi-Level Cell)2 bittiä solua kohden. Hyvä tasapaino suorituskyvyn ja kestävyyden välillä, nykyään lähes yksinomaan ammattiympäristöihin varattu.
• TLC (Triple-Level Cell)3 bittiä kennoa kohden. Tämä on yleisin tyyppi nykyisissä kuluttajille tarkoitetuissa SSD-levyissä, koska se mahdollistaa suuren kapasiteetin hyvään hintaan.
• QLC (Quad Level Cell)4 bittiä solua kohden. Tämä mahdollistaa vielä suuremman tiheyden, mutta lyhentää entisestään käyttöikää ja jatkuvaa suorituskykyä.

Mitä enemmän lataustasoja kennon on kyettävä erottamaan, sitä tarkempaa jännitteen säätöä tarvitaan ja sitä alttiimpi se on sähköiselle kulumiselle . Valmistajat kuitenkin kompensoivat tätä haittaa paremmilla ohjaimilla, virheenkorjausalgoritmeilla (ECC), avokätisellä ylitarjoamisella ja melko pitkillä takuilla.

Nykyään ei ole harvinaista nähdä kuluttajille suunnattuja SSD-levyjä, joilla on 5 vuoden takuu , ja ammattilaismalleja, joilla on jopa 10 vuoden takuu. Riippumattomat kestävyystestit ovat osoittaneet, että monet levyt ylittävät helposti valmistajan lupaamat TBW-arvot (kirjoitettu teratavu), jopa kestäen useiden petatavujen kirjoitusmäärän joissakin tapauksissa. Siksi on hyödyllistä tietää, miten levyn kuntoa voidaan lukea ja ennakoida ongelmia.

Liitännät ja formaatit: SATA, mSATA, M.2, PCIe ja NVMe

Muistin tyypin lisäksi liitäntärajapinta vaikuttaa merkittävästi SSD-levyn suorituskykyyn. Mekaanisille kiintolevyille suunnitellun väylän käyttö ja emolevyn PCI Express -väylien suora käyttö eivät ole sama asia.

SATA SSD -levyt (mukaan lukien mSATA ja 2,5-tuumaiset) olivat ensimmäiset, jotka tulivat suosituiksi. Ne suunniteltiin korvaamaan suoraan 2,5-tuumaiset kiintolevyt käyttäen samaa SATA III -liitäntää, mikä helpotti huomattavasti niiden käyttöönottoa: kiintolevy piti kirjaimellisesti irrottaa ja SSD-levy asentaa tilalle. Ongelmana on, että SATAn efektiivinen nopeus on rajoitettu noin 550 Mt/s:iin, joten nämä levyt ovat jo lähellä standardin sallimaa nopeutta.

Vielä pidemmälle menivät PCI Expressin ja NVMe (Non-Volatile Memory Express) -protokollan kautta liitetyt SSD-levyt. Muotokertoimet, kuten M.2 tai U.2, mahdollistavat useiden PCIe-väylien käytön, jolloin saavutetaan yli 3000 Mt/s peräkkäiset lukunopeudet suhteellisen edullisissa malleissa ja huomattavasti suuremmat nopeudet huippumalleissa.

NVMe SSD -levyt ovat tunnettuja myös alhaisesta latenssistaan ​​ja kyvystään käsitellä useita I/O-jonoja rinnakkain, mikä tekee niistä ihanteellisia intensiivisille työkuormille, kuten pelaamiseen, videonmuokkaukseen, virtuaalikoneille tai vaativiin ammattisovelluksiin. Tästä syystä monissa malleissa on vakiona jäähdytyselementit , jotka estävät lämpökuristuksen raskaan kuormituksen aikana.

Fyysisellä tasolla SSD-levyt voivat olla sisäisiä (asennettu tietokoneen sisään, kytketty emolevyyn SATA-, M.2- tai PCIe-liitännän kautta) tai ulkoisia, joissa on kotelot, joissa on USB 3.x-, eSATA- tai Thunderbolt-liitännät. Jälkimmäiset toimivat samalla tavalla kuin perinteiset ulkoiset kiintolevyt, mutta niillä on selkeitä etuja nopeuden, iskunkestävyyden ja kannettavuuden suhteen.

SSD-levyjen edut ja haitat kiintolevyihin verrattuna

Vaihtamisessa mekaanisesta kiintolevystä SSD-levyyn on useita jo hyvin tunnettuja etuja, mutta myös joitakin vivahteita, jotka tulisi olla selvillä hyvän valinnan tekemiseksi.

Suorituskyvyn suhteen SSD-levy on täysin eri luokkaa: käyttöjärjestelmän käynnistymisajat romahtavat, pelit ja ohjelmat avautuvat paljon nopeammin, ja tietokone reagoi huomattavasti nopeammin. Tyypillinen SATA SSD -levy voi kopioida tiedostoja yli 500 Mt/s nopeudella, kun taas kiintolevyn nopeus vaihtelee 30 ja 150 Mt/s välillä. Ja satunnaisissa luku-/kirjoitusnopeuksissa, jotka ovat tärkeimpiä jokapäiväisessä käytössä, ero on yksinkertaisesti hämmästyttävä.

Se hyötyy myös alhaisemmasta virrankulutuksesta ja melutasosta. Koska SSD-levyssä ei ole liikkuvia osia, se kuluttaa vähemmän energiaa, tuottaa vähemmän lämpöä ja on täysin äänetön. Tämä on tervetullut ominaisuus kannettavissa tietokoneissa (pidempi akunkesto ja vähemmän täydellä nopeudella pyöriviä tuulettimia) ja pöytätietokoneissa, joissa viileä ja hiljainen tietokone on välttämätön.

Fyysisen kestävyyden suhteen SSD-levyillä on selkeä etu: jos pudotat kannettavan tietokoneen kiintolevyllä sen ollessa käynnissä, luku-/kirjoituspää voi naarmuttaa levyasemaa ja menetät tietosi. Koska SSD-levyissä ei ole liikkuvia osia, ne kestävät iskuja ja tärinää paljon paremmin, mikä on ratkaisevan tärkeää usein kuljetettaville laitteille.

Missä SSD-levyt jäävät jälkeen? Pääasiassa kahdella osa-alueella: gigatavukohtaisessa hinnassa ja rajattoman kirjoituskapasiteetin teoreettisessa kestossa. SSD-levyn hinta gigatavua kohden on edelleen korkeampi kuin kiintolevyn, vaikka ero onkin kaventunut huomattavasti: SSD-levyjen hinta on noin 0,08–0,10 dollaria gigatavua kohden ja mekaanisten kiintolevyjen 0,03–0,06 dollaria gigatavua kohden mallista ja kapasiteetista riippuen.

Flash-muistin käyttöiän osalta kirjoitussyklien määrä on rajallinen. Jokaisen pyyhkimisen ja uudelleenkirjoituksen yhteydessä kennojen sähköinen vastus kasvaa hieman, mikä vaatii enemmän jännitettä ohjelmointiin. Lopulta kennoon ei voida enää kirjoittaa turvallisesti, ja sitä pidetään kuluneena. Nykyisillä tekniikoilla ja tyypillisellä kotikäytöllä tämän rajan saavuttaminen on kuitenkin erittäin vaikeaa ; on todennäköisempää, että päivität tietokoneesi ennen kuin SSD-levy tyhjenee.

Tietojen luotettavuus ja palautus

Vaurioituneita tai poistettuja tietoja on mahdollista palauttaa sekä kiintolevyiltä että SSD-levyiltä, ​​mutta prosessi on hyvin erilainen ja käytännössä SSD-levyjen käsittely on paljon monimutkaisempaa edistyneellä palautustasolla.

Mekaanisella kiintolevyllä, kunhan levyjen magneettinen pinta on enemmän tai vähemmän ehjä, erikoislaboratoriot voivat purkaa aseman, korjata tai vaihtaa luku-/kirjoituspäät ja lukea tiedot suoraan levyiltä. Kiintolevyjen tapa kirjoittaa ja poistaa tietoja tarkoittaa, että monet vanhojen tiedostojen jäänteet säilyvät melko pitkään, mikä helpottaa rikosteknistä analyysia.

SSD-levyllä TRIM-, roskienkeruu- ja kulumisvaaitustoimintojen käyttö tarkoittaa, että poistetuksi merkityt tiedot korvataan ja järjestetään uudelleen sisäisesti. Tämä tekee tiedoston uudelleenrakentamisesta tietyn ajan kuluttua erittäin vaikeaa; se vaatii usein erikoislaitteita ja erittäin matalan tason pääsyn ohjaimeen ja NAND-siruihin , eikä silloinkaan ole mitään takeita.

Joka tapauksessa kiintolevyt ja SSD-levyt eivät ole immuuneja tietojen korruptoitumiselle: sähkökatkoksille, viallisille laiteohjelmistoille, inhimillisille virheille, haittaohjelmille… Siksi ainoa järkevä strategia on ylläpitää säännöllisiä varmuuskopioita ja redundanssia (esimerkiksi RAID-järjestelmissä tai pilvivarmuuskopioissa) sen sijaan, että sokeasti luotettaisiin ensisijaiseen asemaan.

SSD-levyistä on lopulta tullut käytännössä standardi ensisijaiselle tallennustilalle nopeutensa, hiljaisen toimintansa ja fyysisen kestävyytensä ansiosta, kun taas mekaaniset kiintolevyt ovat edelleen järkeviä "halpoina tallennusvälineinä" useiden teratavujen datan tallentamiseen. SSD-levyn sisäisen toiminnan ymmärtäminen auttaa sinua paremmin ymmärtämään sen etuja, tunnistamaan sen todelliset rajoitukset ja tekemään tietoisempia päätöksiä, kun on aika päivittää tietokoneesi tai rakentaa uusi järjestelmä.