- SSD diskai naudoja NAND „flash“ atmintį be judančių dalių, todėl delsa gerokai sumažėja, palyginti su mechaniniais kietaisiais diskais.
- Rašymas ir trynimas atliekami ištisų blokų, todėl reikia naudoti TRIM, šiukšlių surinkimą ir nusidėvėjimo išlyginimą.
- Tokios sąsajos kaip PCIe ir NVMe leidžia pasiekti daug didesnį greitį nei SATA, ypač atliekant atsitiktines skaitymo ir rašymo operacijas.
- Nors „flash“ atminties įrašymo ciklai yra riboti, šiuolaikiniai SSD diskai yra labai patvarūs ir jiems suteikiama iki 5–10 metų garantija.
Jei jūsų kompiuteris pradeda veikti šiek tiek lėtai, vienas iš svarbiausių patobulinimų, kurį galite atlikti, yra standžiojo disko pakeitimas SSD disku . Greičio padidėjimas yra toks didelis, kad daugelis žmonių sako, jog kompiuteris „atgimsta“. Tačiau norint išnaudoti visas jo galimybes, būtina suprasti, kaip SSD diskas iš tikrųjų veikia viduje ir kuo jis skiriasi nuo tradicinio standžiojo disko.
Be gamintojų pateiktų greičio duomenų, yra daug įdomios techninės informacijos: „flash“ atminties tipai, kaip duomenys įrašomi ir ištrinami, jų naudojimo trukmės apribojimai ir kodėl, esant tokiai pačiai talpai, SSD vis tiek yra brangesnis nei HDD . Visa tai aptarsime ramiai, paprastai, tačiau neaukodami techninio kruopštumo.
Kompiuterio atminties architektūra
Prieš pradedant gilintis į SSD diskus, pravartu apžvelgti, kaip organizuota tipinio kompiuterio atmintis: procesoriaus talpykla, RAM ir masinė atmintis . Kiekvienas lygis yra didesnis, lėtesnis ir pigesnis nei ankstesnis.
Procesoriaus podėlio atmintis yra maža, bet neįtikėtinai greita. Ji integruota į patį centrinį procesorių, o jo elektros keliai yra labai trumpi, todėl duomenis jis gali pasiekti per nanosekundes. Toks milžiniškas greitis kainuoja ir dydį: podėlis yra toks mažas, kad jis nuolat perrašomas dažniausiai naudojamais duomenimis.
Iškart po to seka RAM – operatyvioji atmintis (RAM), kurioje sistema saugo veikiančių programų kodą ir duomenis. Ji yra daug didesnė nei podėlis, bet šiek tiek lėtesnė. Nepaisant to, tai vis tiek labai greita atmintis, kurios turinys prarandamas išjungus kompiuterį, nes ji yra nepastovi.
Sąrašo apačioje yra masinis atminties įrenginys: kietasis diskas arba SSD. Čia telpa viskas, ką norite saugoti: operacinė sistema, programos, žaidimai, dokumentai, nuotraukos, vaizdo įrašai ir kt. Jis yra daug didesnis nei RAM, bet ir keliais dydžio eilėmis lėtesnis.
Greičio skirtumas yra toks didelis, kad atmintis tampa didžiausia kompiuterio kliūtimi. Net ir turint daug RAM bei galingą procesorių, sistema gali įkelti arba išsaugoti duomenis tik tokiu greičiu, kokį leidžia kietasis diskas. Būtent čia praverčia kietojo kūno diskai (SSD) ir jų gebėjimas smarkiai sutrumpinti įkėlimo laiką.
Kas yra SSD ir kuo jis skiriasi nuo kietojo disko?
Kietojo kūno diskas (SSD) turi tą pačią paskirtį kaip ir tradicinis kietasis diskas: ilgai saugoti duomenis . Skirtumas slypi tame, kaip tai daroma. Nors HDD naudoja besisukančias magnetines plokšteles ir mechanines skaitymo / rašymo galvutes, SSD veikia „flash“ atminties lustų pagalba be judančių dalių.
Išardę standųjį diską, pamatysite dideliu greičiu besisukančių metalinių diskų (plokštelių) krūvą ir svirtį su skaitymo / rašymo galvutėmis, judančiomis per jas. Norint nuskaityti arba įrašyti duomenis, svirtis turi judėti į teisingą takelį , o plokštelė turi suktis, kol po galvute atsidurs tinkamas sektorius. Visa tai užima laiko: kalbame apie milisekundes.
SSD diske koncepcija visiškai pasikeičia. Vietoj plokštelių ir galvučių rasite NAND „flash“ atminties lustus, suskirstytus į ląsteles, puslapius ir blokus. Nėra judančių dalių: duomenys saugomi ir skaitomi naudojant elektros krūvius puslaidininkiuose . Kadangi tai nepriklauso nuo mechaninio judėjimo, prieigos laikas sutrumpėja iki mikrosekundžių ar mažiau.
Šiuolaikiniuose SSD diskuose naudojama „flash“ atmintis yra nepastovi, tai reiškia, kad ji išsaugo informaciją net ir nutraukus maitinimą . Jos koncepcija panaši į RAM (adresai, ląstelės, duomenų magistralės), tačiau ji sukurta taip, kad būtų išvengta duomenų praradimo, kai kompiuteris išjungiamas arba net staiga nutrūkus elektros tiekimui.
Kaip SSD diskas yra organizuotas viduje?
Viduje SSD diskas yra suskirstytas į kelis detalumo lygius. Duomenys saugomi atskirose ląstelėse, kurios sugrupuotos į puslapius, o šie – į blokus. Ši struktūra yra labai svarbi norint suprasti, kodėl įrašymas ir trynimas „flash“ atmintyje veikia taip unikaliai.
- LangelisLąstelė yra mažiausias atminties vienetas. Ląstelėje vienas ar keli bitai yra pavaizduoti skirtingais elektros krūvio lygiais.
- PuslapisVienetas yra daugelio langelių rinkinys. Paprastai jis yra 4 KB, 8 KB arba panašaus dydžio ir yra mažiausias vienetas, kurį SSD gali skaityti arba į kurį gali rašyti.
- BlokuotiBlokas yra daugelio puslapių rinkinys. Trinama visada bloko lygmeniu, o ne puslapis po puslapio.
Įrašant naujus duomenis, SSD valdiklis rašo į tuščius puslapius galimuose blokuose. Svarbi detalė yra ta, kad „flash“ atmintis negali tiesiogiai perrašyti puslapio, į kurį jau buvo įrašyta ; pirmiausia ji turi ištrinti visą bloką, kuriam ji priklauso.
Tai reiškia, kad jei norite modifikuoti kelis kilobaitus jau naudojamame puslapyje, diskas negali tiesiog pakeisti tos dalies. Jis turi nukopijuoti visus galiojančius puslapius į kitą bloką, ištrinti visą bloką ir tada įrašyti atnaujintus duomenis į naują bloką . Šis mechanizmas yra kelių vidinių procesų, tokių kaip šiukšlių surinkimas ir nusidėvėjimo išlyginimas, pagrindas.
Pagrindinės SSD dalys ir valdiklio vaidmuo
Be NAND atminties lustų, šiuolaikinis SSD diskas turi keletą pagrindinių komponentų, kurie veikia kartu, kad sistema galėtų matyti diską kaip „įprastą“ diską:
- "Controlador"Tai tarsi disko „smegenys“. Jos tvarko loginių adresų vertimą į fizinius adresus, koordinuoja skaitymą ir rašymą, stebi susidėvėjimą ir tvarko šiukšlių surinkimą bei TRIM komandą.
- Talpyklos atmintis (DRAM arba pseudotalpykla)Daugelyje SSD diskų yra maža DRAM mikroschema, kurioje laikinai saugomos atvaizdavimo lentelės ir naujausi duomenys. Kai kurie pigesni diskai naudoja dalį pačios NAND kaip talpyklą (pvz., imituojamą SLC talpyklą).
- SąsajaTai reiškia jungtį ir protokolą, per kurį SSD bendrauja su likusia sistemos dalimi. Pavyzdžiai: SATA, PCIe, NVMe ir kt.
- Per didelis aprūpinimas: fizinės atminties sritis, kurios vartotojas nemato. Ji tarnauja kaip rezervas pakeisti pažeistas ląsteles ir kad būtų galima perkelti duomenis viduje, neužpildant jų iki 100 %.
Valdiklis atlieka milžinišką darbą: jis nusprendžia, kur patalpinti kiekvieną duomenų elementą, paskirsto įrašymą tarp skirtingų lustų, kad pagerintų našumą, stebi, kurie blokai blogėja, ir pasikliauja sudėtingais nusidėvėjimo išlyginimo ir klaidų taisymo algoritmais , kad prailgintų įrenginio tarnavimo laiką.
SSD ir HDD skaitymo greitis
Kai operacinė sistema prašo nuskaityti failą, duomenų perdavimo kelias mechaniniame diske ir SSD diske labai skiriasi, nors iš išorės viskas gali atrodyti taip pat.
Kietajame diske (HDD) skaitymo užklausa pasiekia įvesties/išvesties valdiklį, kuris nurodo skaitymo/rašymo galvutei, kurį takelį ir sektorių pasiekti. Svirtis juda, plokštelė sukasi, o kai sektorius praeina po galvute, ji nuskaito magnetinio lauko pokyčius ir paverčia juos bitais. Laikas, sugaištas judinant svirtį ir laukiant, kol plokštelė suksis, vadinamas paieškos ir sukimosi delsa.
SSD diskas neturi nei laikiklio, nei plokštelės. Kai sistema nori nuskaityti, disko valdiklis patikrina savo vidinę atvaizdavimo lentelę (kuri loginius adresus verčia į fizines puslapių ir blokų vietas) ir nurodo NAND lustams nuskaityti atitinkamas ląsteles . Visa tai vyksta grynai elektroniniu būdu, be jokio mechaninio laukimo.
Jei atitinkamas atminties blokas yra pažymėtas kaip neaktyvus arba jame yra daug negaliojančių puslapių, SSD gali suaktyvinti vidinius šiukšlių surinkimo procesus: jis nukopijuoja naudingus puslapius į kitą bloką ir atlaisvina senąjį bloką būsimiems įrašams, tuo pačiu stengdamasis kuo labiau sumažinti poveikį našumui.
Įrašymo ir ištrynimo procesas SSD diske
Įrašyti į standųjį diską (HDD) yra gana paprasta: skaitymo / rašymo galvutė juda į laisvą sektorių ir pakeičia bitų magnetinį poliškumą pagal įrašomą turinį. Tą patį sektorių galima pakartotinai naudoti tūkstantį kartų, jei magnetinis paviršius išlieka geros būklės.
Tačiau rašant SSD diske reikia atsižvelgti į apribojimą, kad negalima perrašyti atskiro puslapio neištrynus viso bloko . Štai kodėl, keičiant failą, SSD paprastai:
- Nukopijuokite galiojančius duomenis iš paveikto bloko į naują laisvą bloką.
- Integruokite pakeitimus, kuriuos norite išsaugoti, į tą bloką.
- Pažymėkite seną bloką kaip negaliojantį, kad vėliau jį ištrintumėte.
Šioms operacijoms atlikti diskas rezervuoja šiek tiek papildomos fizinės vietos, kurios nematote. Ši paslėpta vieta leidžia laikinai perkelti ir dubliuoti duomenis atliekant vidinę priežiūrą, jums nepastebint reikšmingo našumo sumažėjimo su kiekvienu nedideliu įrašymu.
Kaip minėjome, trynimas visada atliekamas blokais. Valdiklis grupuoja blokus, kuriuose yra daug puslapių, pažymėtų kaip negaliojantys, ir, kai tai efektyvu, juos ištrina, kad vėl galėtų būti apyvartoje kaip nemokami blokai. Visa tai glaudžiai susiję su TRIM komanda, kurią aptarsime vėliau.
TRIM, šiukšlių surinkimas ir nusidėvėjimo išlyginimas
Kad SSD diskas neprarastų našumo po kelių mėnesių naudojimo, operacinė sistema ir valdiklis turi veikti kartu, naudodami kelis metodus.
TRIM komanda leidžia operacinei sistemai informuoti SSD diską, kuriuose blokuose nebeliko galiojančių duomenų (pavyzdžiui, ištrynus failą). Tai leidžia diskui pažymėti šiuos puslapius kaip laisvus viduje, o kai ateis laikas atlikti šiukšlių surinkimą, jis tiksliai žinos, ką galima saugiai ištrinti.
Šiukšlių surinkimas – tai procesas, kurio metu SSD pertvarko duomenis: jis sugrupuoja išsklaidytus galiojančius puslapius, nukopijuoja juos į švaresnius blokus ir palieka ištisus blokus paruoštus trynimui. Ši operacija gali būti vykdoma fone, kai diskas nenaudojamas, todėl ji neturi didelės įtakos vartotojui.
Kita vertus, yra nusidėvėjimo išlyginimas . Kiekviena NAND „flash“ atminties ląstelė gali atlaikyti tik ribotą įrašymo ir trynimo ciklų skaičių. Jei visada būtų rašoma į tas pačias sritis, tos ląstelės per anksti sugestų. Kad to išvengtumėte, valdiklis paskirsto įrašymą visoje atmintyje, bandydamas užtikrinti, kad visos ląstelės būtų naudojamos daugiau ar mažiau tolygiai.
Dėl TRIM, šiukšlių surinkimo ir nusidėvėjimo išlyginimo derinio šiuolaikinis SSD gali atlaikyti tikrai didelius įrašymo kiekius, kol nepradėjo gesti, net jei vartotojas net nenutuokia, kad visa tai vyksta užkulisiuose.
NAND atminties tipai ir SSD patvarumas
„Flash“ atmintis klasifikuojama pagal tai, kiek bitų talpina kiekviena ląstelė: daugiau bitų vienoje ląstelėje reiškia didesnę talpą toje pačioje fizinėje erdvėje, bet taip pat jautresnę ir mažiau atsparią įrašymo ciklams.
- SLC (vieno lygio langelis)1 bitas vienoje ląstelėje. Labai greitas ir patvarus, bet brangus. Praktiškai išnyko iš vartotojų rinkos.
- MLC (daugiapakopė ląstelė)2 bitai vienoje ląstelėje. Geras našumo ir ištvermės balansas, dabar beveik išimtinai skirtas profesionaliai aplinkai.
- TLC (trigubo lygio ląstelė)3 bitai vienoje ląstelėje. Tai labiausiai paplitęs tipas dabartiniuose vartotojams skirtuose SSD diskuose, nes jis leidžia už gerą kainą gauti didelę talpą.
- QLC (keturių lygių ląstelė)4 bitai vienoje ląstelėje. Tai leidžia pasiekti dar didesnį tankį, bet dar labiau sutrumpina tarnavimo laiką ir ilgalaikį našumą.
Kuo daugiau įkrovos lygių elementas turi atskirti, tuo tikslesnis turi būti įtampos valdymas ir tuo jis jautresnis elektros dilimui . Nepaisant to, gamintojai šį trūkumą kompensuoja geresniais valdikliais, klaidų taisymo algoritmais (ECC), dosniu pertekliniu aprūpinimu ir gana ilgomis garantijomis.
Šiomis dienomis nėra neįprasta pamatyti vartotojams skirtus SSD diskus su 5 metų garantija ir profesionaliems modeliams iki 10 metų. Nepriklausomi ištvermės testai parodė, kad daugelis diskų lengvai viršija gamintojo žadėtas TBW (įrašytų terabaitų) vertes, kai kuriais atvejais net atlaikydami kelis petabaitus įrašymo; todėl naudinga žinoti, kaip skaityti disko būklę ir numatyti problemas.
Sąsajos ir formatai: SATA, mSATA, M.2, PCIe ir NVMe
Be atminties tipo, SSD disko našumui didelę įtaką daro ir prijungimo sąsaja. Ne tas pats pasikliauti mechaniniams kietiesiems diskams skirta magistrale ir tiesiogiai naudoti pagrindinės plokštės PCI Express linijas.
Pirmieji išpopuliarėjo SATA SSD diskai (įskaitant mSATA ir 2,5 colio formos faktorius) . Jie buvo sukurti kaip tiesioginis 2,5 colio kietųjų diskų pakaitalas, naudojant tą pačią SATA III sąsają, o tai labai palengvino jų diegimą: tereikėjo tiesiog išimti HDD ir įdiegti SSD. Problema ta, kad SATA efektyvus greitis yra apribotas iki maždaug 550 MB/s, todėl šie diskai jau beveik pasiekia standarto leidžiamą ribą.
Dar daugiau – SSD diskai, prijungti per PCI Express ir NVMe (Non-Volatile Memory Express) protokolą. Tokie formatai kaip M.2 arba U.2 leidžia naudoti kelias PCIe linijas, pasiekiant nuoseklų skaitymo greitį, viršijantį 3000 MB/s santykinai prieinamuose modeliuose, ir žymiai didesnį greitį aukščiausios klasės modeliuose.
NVMe SSD diskai taip pat pasižymi mažu delsos laiku ir gebėjimu lygiagrečiai apdoroti daug įvesties / išvesties eilių, todėl jie idealiai tinka intensyviems darbo krūviams, tokiems kaip žaidimai, vaizdo įrašų redagavimas, virtualios mašinos ar sudėtingos profesionalios programos. Dėl šios priežasties daugelyje modelių standartiškai yra radiatoriai , siekiant išvengti terminio slopinimo esant didelei apkrovai.
Fiziniu lygmeniu SSD diskai gali būti vidiniai (montuojami kompiuterio viduje, prijungti prie pagrindinės plokštės per SATA, M.2 arba PCIe) arba išoriniai, naudojant korpusus su USB 3.x, eSATA arba Thunderbolt sąsajomis. Pastarieji veikia panašiai kaip tradiciniai išoriniai kietieji diskai, tačiau turi aiškių pranašumų dėl greičio, atsparumo smūgiams ir perkeliamumo.
SSD diskų privalumai ir trūkumai, palyginti su HDD
Perėjimas nuo mechaninio kietojo disko prie SSD turi nemažai jau gerai žinomų privalumų, tačiau taip pat yra ir kai kurių niuansų, kuriuos reikėtų suprasti norint tinkamai pasirinkti.
Kalbant apie našumą, SSD diskas yra visiškai kitoje lygoje: operacinės sistemos paleidimo laikas smarkiai sutrumpėja, žaidimai ir programos atidaromos daug greičiau, o kompiuteris reaguoja žymiai greičiau. Įprastas SATA SSD diskas gali kopijuoti failus daugiau nei 500 MB/s greičiu, o HDD – nuo 30 iki 150 MB/s. O atsitiktinio skaitymo / rašymo greitis, kuris yra svarbiausias kasdieniame naudojime, skirtumas tiesiog stulbinantis.
Jis taip pat pasižymi mažesnėmis energijos sąnaudomis ir triukšmo lygiu. Kadangi SSD diskas neturi judančių dalių, jis sunaudoja mažiau energijos, generuoja mažiau šilumos ir yra visiškai tylus. Tai yra sveikintina funkcija nešiojamuosiuose kompiuteriuose (ilgesnis baterijos veikimo laikas ir mažesnis ventiliatoriaus veikimas visu greičiu) ir staliniuose kompiuteriuose, kur labai svarbu, kad kompiuteris būtų vėsus ir tylus.
Kalbant apie fizinį patvarumą, SSD diskai turi aiškų pranašumą: jei nešiojamąjį kompiuterį su standžiuoju disku numesite jam veikiant, skaitymo / rašymo galvutė gali subraižyti plokštelę ir prarasite duomenis. Kadangi SSD diskai neturi judančių dalių, jie daug geriau atlaiko smūgius ir vibraciją, o tai labai svarbu dažnai transportuojamiems įrenginiams.
Kuo SSD diskai atsilieka? Visų pirma, dviejose srityse: kaina už gigabaitą ir teorinė neriboto rašymo talpa. SSD kaina už GB vis dar yra didesnė nei HDD, nors skirtumas gerokai sumažėjo: SSD diskų kaina yra maždaug 0,08–0,10 USD/GB, o mechaninių kietųjų diskų – 0,03–0,06 USD/GB, priklausomai nuo modelio ir talpos.
Kalbant apie „flash“ atminties naudojimo laiką, įrašymo ciklų skaičius yra ribotas. Su kiekvienu ištrynimu ir perrašymu elementų elektrinė varža šiek tiek padidėja, todėl programavimui reikia daugiau įtampos. Galiausiai į elementą nebegalima saugiai rašyti ir jis laikomas susidėvėjusiu. Tačiau naudojant dabartines technologijas ir įprastą namų vartotojo naudojimą, pasiekti šią ribą yra labai sunku ; labiau tikėtina, kad atnaujinsite savo kompiuterį prieš išeikvodami SSD diską.
Duomenų patikimumas ir atkūrimas
Sugadintą arba ištrintą informaciją galima atkurti tiek iš HDD, tiek iš SSD diskų, tačiau procesas labai skiriasi ir praktiškai SSD diskus yra daug sudėtingiau tvarkyti naudojant pažangų atkūrimo lygį.
Mechaniniame kietajame diske, jei magnetinis plokštelių paviršius yra daugiau ar mažiau nepažeistas, specializuotos laboratorijos gali išardyti diską, suremontuoti arba pakeisti skaitymo / rašymo galvutes ir nuskaityti duomenis tiesiai iš plokštelių. Dėl to, kaip kietieji diskai rašo ir trina duomenis, daugelis senų failų liekanų išlieka gana ilgą laiką, o tai palengvina teismo ekspertizę.
SSD diske TRIM, šiukšlių surinkimo ir nusidėvėjimo išlyginimo naudojimas reiškia, kad ištrinti duomenys yra perrašomi ir reorganizuojami viduje. Dėl to failo atkūrimas po tam tikro laiko yra labai sudėtingas; tam dažnai reikia specializuotos įrangos ir labai žemo lygio prieigos prie valdiklio bei NAND lustų , ir net tada nėra jokių garantijų.
Bet kuriuo atveju, nei HDD, nei SSD diskai nėra apsaugoti nuo duomenų sugadinimo: elektros energijos tiekimo sutrikimų, netinkamos programinės įrangos, žmogiškųjų klaidų, kenkėjiškų programų... Todėl vienintelė protinga strategija yra reguliariai kurti atsargines kopijas ir užtikrinti perteklinį duomenų kopijavimą (pavyzdžiui, naudojant RAID sistemas arba atsargines kopijas debesyje), o ne aklai pasikliauti pagrindiniu disku.
Galiausiai SSD diskai tapo faktiniu pagrindinių duomenų saugyklų standartu dėl savo greičio, tylaus veikimo ir fizinio patvarumo, o mechaniniai kietieji diskai vis dar yra prasmingi kaip „pigi saugykla“ daugeliui terabaitų duomenų saugoti. Supratimas, kaip SSD veikia viduje, padeda geriau įvertinti jo privalumus, pripažinti tikruosius apribojimus ir priimti labiau pagrįstus sprendimus, kai ateina laikas atnaujinti kompiuterį ar sukurti naują sistemą.
