Bagaimana SSD berfungsi di dalam dan mengapa ia mempercepatkan PC anda dengan begitu banyak

Informatec Digital » Sumber » Bagaimana SSD berfungsi di dalam dan mengapa ia mempercepatkan PC anda dengan begitu banyak

Jika komputer anda mula terasa agak lembap, salah satu penambahbaikan paling ketara yang boleh anda lakukan ialah menggantikan cakera keras anda dengan SSD . Peningkatan kelajuannya begitu dramatik sehingga ramai orang mengatakan PC itu "dilahirkan semula". Tetapi untuk memanfaatkannya sepenuhnya, adalah penting untuk memahami bagaimana SSD sebenarnya berfungsi secara dalaman dan bagaimana ia berbeza daripada cakera keras tradisional.

Selain angka kelajuan yang diberikan oleh pengeluar, terdapat banyak maklumat teknikal yang menarik: jenis memori kilat, cara data ditulis dan dipadam, had jangka hayatnya, dan mengapa, dengan kapasiti yang sama, SSD masih lebih mahal daripada HDD . Kami akan menghuraikan semua ini dengan tenang, secara ringkas, tetapi tanpa mengorbankan ketelitian teknikal.

Seni bina memori dalam komputer

Sebelum kita mendalami SSD, adalah berguna untuk mengkaji semula bagaimana memori PC biasa disusun: cache pemproses, RAM dan storan besar-besaran . Setiap peringkat adalah lebih besar, lebih perlahan dan lebih murah daripada yang sebelumnya.

Memori cache pemproses adalah kecil tetapi sangat pantas. Ia disepadukan ke dalam CPU itu sendiri, dan laluan elektriknya sangat pendek, jadi ia boleh mengakses data dalam nanosaat. Kelajuan yang dahsyat ini datang dengan kos saiz: cache sangat kecil sehingga ia sentiasa ditulis ganti dengan data yang paling kerap digunakan.

Selepas itu datang RAM, memori akses rawak di mana sistem menyimpan kod dan data program yang sedang berjalan. Ia jauh lebih besar daripada cache, tetapi agak perlahan. Walaupun begitu, ia masih merupakan memori yang sangat pantas dan kehilangan kandungannya apabila anda mematikan komputer kerana ia tidak menentu.

Di bahagian bawah senarai ialah unit storan besar-besaran: cakera keras atau SSD. Di sinilah semua yang anda ingin simpan: sistem pengendalian, program, permainan, dokumen, foto, video, dll. Ia jauh lebih besar daripada RAM, tetapi juga beberapa peringkat magnitud lebih perlahan.

Perbezaan kelajuan sangat ketara sehingga storan menjadi masalah terbesar dalam PC. Walaupun dengan RAM yang banyak dan pemproses yang berkuasa, sistem hanya boleh memuatkan atau menyimpan data pada kelajuan yang dibenarkan oleh cakera keras. Di sinilah pemacu keadaan pepejal (SSD) dan keupayaannya untuk mengurangkan masa pemuatan secara drastik memainkan peranan.

Apakah SSD dan bagaimana ia berbeza daripada cakera keras?

Pemacu keadaan pepejal (SSD) mempunyai tujuan yang sama seperti pemacu keras tradisional: untuk menyimpan data dalam jangka masa panjang . Perbezaannya terletak pada cara ia melakukannya. Walaupun HDD menggunakan plat magnet berputar dan kepala baca/tulis mekanikal, SSD bergantung pada cip memori kilat tanpa bahagian yang bergerak.

Jika anda membuka HDD, anda akan melihat timbunan cakera logam (platter) berputar pada kelajuan tinggi dan lengan dengan kepala baca/tulis bergerak merentasinya. Untuk membaca atau menulis data, lengan perlu bergerak ke trek yang betul , dan platter mesti berputar sehingga sektor yang sesuai diletakkan di bawah kepala. Semua ini memerlukan masa: kita bercakap tentang milisaat.

Dalam SSD, konsepnya berubah sepenuhnya. Daripada platter dan kepala, anda akan menemui cip memori kilat NAND yang disusun menjadi sel, halaman dan blok. Tiada bahagian yang bergerak: data disimpan dan dibaca menggunakan cas elektrik dalam semikonduktor . Oleh kerana ia tidak bergantung pada pergerakan mekanikal, masa akses menurun kepada mikrosaat atau kurang.

Memori kilat yang digunakan dalam SSD moden adalah tidak meruap, bermakna ia menyimpan maklumat walaupun kuasa dimatikan . Konsepnya serupa dengan RAM (alamat, sel, bas data), tetapi direka untuk mencegah kehilangan data apabila komputer dimatikan atau semasa gangguan bekalan elektrik secara tiba-tiba.

Bagaimanakah SSD disusun secara dalaman?

Secara dalaman, SSD disusun kepada beberapa tahap kebutiran. Data disimpan dalam sel individu, yang dikumpulkan ke dalam halaman, dan ini seterusnya ke dalam blok. Struktur ini adalah kunci untuk memahami mengapa menulis dan memadam berfungsi dengan begitu unik dalam memori flash.

• SelSel ialah unit storan terkecil. Dalam sel, satu atau lebih bit diwakili oleh tahap cas elektrik yang berbeza.
• PageSatu unit ialah satu set banyak sel. Ia biasanya bersaiz 4 KB, 8 KB atau yang serupa, dan merupakan unit terkecil yang boleh dibaca atau ditulis oleh SSD.
• BlokBlok ialah himpunan banyak halaman. Pemadaman sentiasa dilakukan pada peringkat blok, bukan halaman demi halaman.

Apabila anda menyimpan data baharu, pengawal SSD akan menulis ke halaman kosong dalam blok yang tersedia. Perincian penting ialah memori flash tidak boleh menulis ganti secara langsung halaman yang telah ditulis ; ia mesti memadamkan keseluruhan blok yang menjadi miliknya terlebih dahulu.

Ini bermakna jika anda ingin mengubah suai beberapa kilobait dalam halaman yang telah digunakan, pemacu tidak boleh mengubah bahagian itu begitu sahaja. Ia perlu menyalin semua halaman yang sah ke blok lain, memadamkan keseluruhan blok, dan kemudian menulis data yang dikemas kini ke blok baharu . Mekanisme ini adalah asas untuk beberapa proses dalaman, seperti pengumpulan sampah dan perataan haus.

Bahagian utama SSD dan peranan pengawal

Selain cip memori NAND, SSD moden mengintegrasikan beberapa komponen utama yang berfungsi bersama untuk membolehkan sistem melihat pemacu sebagai cakera "biasa":

• PengawalIa seperti "otak" pemacu. Ia mengurus terjemahan alamat logik kepada alamat fizikal, menyelaras bacaan dan penulisan, memantau kehausan dan mengendalikan pengumpulan sampah dan arahan TRIM.
• Memori cache (DRAM atau pseudo-cache)Banyak SSD menyertakan cip DRAM kecil yang menyimpan jadual pemetaan dan data terkini buat sementara waktu. Sesetengah pemacu yang lebih murah menggunakan sebahagian daripada NAND itu sendiri sebagai cache (cth., cache SLC simulasi).
• Antara mukaIni merujuk kepada penyambung dan protokol yang digunakan oleh SSD untuk berkomunikasi dengan seluruh sistem. Contohnya termasuk SATA, PCIe, NVMe, dll.
• Peruntukan berlebihan: kawasan memori fizikal yang tidak dilihat oleh pengguna. Ia berfungsi sebagai simpanan untuk menggantikan sel yang rosak dan dapat memindahkan data secara dalaman tanpa ia memenuhi sehingga 100%.

Pengawal melakukan tugas yang luar biasa: ia menentukan di mana hendak meletakkan setiap data, mengedarkan penulisan antara cip yang berbeza untuk meningkatkan prestasi, memantau blok mana yang merosot dan bergantung pada algoritma perataan haus dan pembetulan ralat yang kompleks untuk memanjangkan jangka hayat unit.

Kelajuan baca pada SSD berbanding HDD

Apabila sistem pengendalian meminta untuk membaca fail, laluan yang diikuti oleh data adalah sangat berbeza dalam cakera mekanikal dan dalam SSD, walaupun dari luar semuanya mungkin kelihatan sama.

Dalam pemacu cakera keras (HDD), permintaan baca sampai ke pengawal I/O, yang memberitahu kepala baca/tulis trek dan sektor mana yang hendak diakses. Lengan bergerak, platter berputar, dan apabila sektor melalui di bawah kepala, ia membaca variasi medan magnet dan menterjemahkannya kepada bit. Masa yang hilang untuk menggerakkan lengan dan menunggu platter berputar dipanggil latensi cari dan putar.

SSD tidak mempunyai lengan atau platter. Apabila sistem ingin membaca, pengawal pemacu merujuk jadual pemetaan dalamannya (yang menterjemahkan alamat logik ke lokasi halaman dan blok fizikal) dan mengarahkan cip NAND untuk membaca sel yang sepadan . Semua ini berlaku sepenuhnya secara elektronik, tanpa sebarang menunggu mekanikal.

Jika blok memori yang dimaksudkan ditanda secara dalaman sebagai tidak aktif atau dengan banyak halaman yang tidak sah, SSD boleh mencetuskan proses pengumpulan sampah dalaman: ia menyalin halaman berguna ke blok lain dan membebaskan blok lama untuk penulisan pada masa hadapan, sambil cuba meminimumkan kesan pada prestasi.

Proses tulis dan padam pada SSD

Menulis ke pemacu cakera keras (HDD) agak mudah: kepala baca/tulis bergerak ke sektor bebas dan mengubah kekutuban magnet bit mengikut kandungan yang hendak dirakam. Sektor yang sama boleh digunakan semula seribu kali, dengan syarat permukaan magnet kekal dalam keadaan baik.

Walau bagaimanapun, pada SSD, penulisan melibatkan pengendalian sekatan bahawa anda tidak boleh menulis ganti halaman individu tanpa memadamkan keseluruhan blok terlebih dahulu . Itulah sebabnya apabila anda menukar fail, SSD biasanya:

1. Salin data yang sah daripada blok yang terjejas ke blok baharu yang tersedia.
2. Integrasikan perubahan yang anda ingin simpan ke dalam blok tersebut.
3. Tandakan blok lama sebagai tidak sah untuk memadamkannya kemudian.

Untuk melaksanakan operasi ini, pemacu ini menyimpan beberapa ruang fizikal tambahan yang tidak anda lihat. Ruang tersembunyi ini membolehkannya memindahkan dan menduplikasi data sementara semasa melakukan penyelenggaraan dalaman, tanpa anda perasan penurunan prestasi yang ketara dengan setiap penulisan kecil.

Seperti yang telah kami nyatakan, pemadaman sentiasa dilakukan dalam blok. Pengawal mengumpulkan blok dengan banyak halaman yang ditanda sebagai tidak sah dan, apabila ia cekap, memadamkannya untuk mengembalikannya ke dalam edaran sebagai blok bebas. Semua ini berkait rapat dengan arahan TRIM, yang akan kita bincangkan sebentar lagi.

TRIM, pengumpulan sampah dan perataan haus

Untuk mengelakkan SSD daripada kehilangan prestasi selepas beberapa bulan penggunaan, sistem pengendalian dan pengawal perlu bekerjasama menggunakan beberapa teknik.

Arahan TRIM membolehkan sistem pengendalian memaklumkan SSD blok mana yang tidak lagi mengandungi data yang sah (contohnya, selepas memadam fail). Ini membolehkan pemacu menandakan halaman tersebut sebagai percuma secara dalaman, dan apabila tiba masanya untuk melakukan pengumpulan sampah, ia akan tahu dengan tepat apa yang boleh dipadamkan dengan selamat.

Pengumpulan sampah ialah proses SSD menyusun semula data: ia mengumpulkan halaman sah yang berselerak, menyalinnya ke blok yang lebih bersih dan membiarkan keseluruhan blok sedia untuk dipadamkan. Operasi ini boleh berjalan di latar belakang apabila pemacu dalam keadaan melahu, jadi ia tidak menjejaskan pengguna dengan ketara.

Sebaliknya, terdapat perataan haus . Setiap sel memori kilat NAND hanya boleh menahan bilangan kitaran tulis dan padam yang terhad. Jika kawasan yang sama sentiasa ditulis, sel-sel tersebut akan gagal lebih awal. Untuk mengelakkannya, pengawal mengagihkan penulisan merentasi memori, cuba memastikan semua sel digunakan secara lebih atau kurang sama rata.

Hasil gabungan TRIM, pengumpulan sampah dan perataan haus, SSD moden dapat menahan jumlah penulisan yang sangat tinggi sebelum ia mula gagal, walaupun pengguna tidak tahu bahawa semua ini berlaku di sebalik tabir.

Jenis memori NAND dan ketahanan SSD

Memori kilat dikelaskan mengikut bilangan bit yang disimpan oleh setiap sel: lebih banyak bit setiap sel bermakna kapasiti yang lebih besar dalam ruang fizikal yang sama, tetapi juga lebih halus dan kurang tahan terhadap kitaran penulisan.

• SLC (Sel Tahap Tunggal)1 bit setiap sel. Sangat pantas dan tahan lama, tetapi mahal. Hampir hilang dari pasaran pengguna.
• MLC (Sel Berbilang Aras)2 bit setiap sel. Keseimbangan yang baik antara prestasi dan ketahanan, kini hampir eksklusif dikhaskan untuk persekitaran profesional.
• TLC (Sel Tahap Tiga)3 bit setiap sel. Ini adalah jenis yang paling biasa dalam SSD pengguna semasa, kerana ia membolehkan kapasiti besar pada harga yang berpatutan.
• QLC (Sel Tahap Empat)4 bit setiap sel. Ini membolehkan ketumpatan yang lebih tinggi, tetapi seterusnya mengurangkan jangka hayat dan prestasi yang berterusan.

Semakin banyak tahap cas yang perlu dibezakan oleh sel, semakin halus kawalan voltan yang diperlukan dan semakin mudah terdedah kepada haus elektrik . Walaupun begitu, pengeluar mengimbangi kelemahan ini dengan pengawal yang lebih baik, algoritma pembetulan ralat (ECC), peruntukan berlebihan yang banyak dan jaminan yang agak panjang.

Pada masa kini, bukanlah sesuatu yang luar biasa untuk melihat SSD pengguna dengan jaminan 5 tahun dan model profesional sehingga 10 tahun. Ujian ketahanan bebas telah menunjukkan bahawa banyak pemacu dengan mudah melebihi nilai TBW (terabait bertulis) yang dijanjikan oleh pengilang, walaupun dapat menahan beberapa petabait penulisan dalam beberapa kes; itulah sebabnya adalah berguna untuk mengetahui cara membaca kesihatan pemacu dan menjangka masalah.

Antara muka dan format: SATA, mSATA, M.2, PCIe dan NVMe

Selain jenis memori, antara muka sambungan membuat perbezaan yang besar dalam prestasi yang boleh anda jangkakan daripada SSD. Tidak sama bergantung pada bas yang direka untuk pemacu keras mekanikal seperti ia menggunakan lorong PCI Express papan induk secara langsung.

SSD SATA (termasuk mSATA dan faktor bentuk 2,5 inci) adalah yang pertama menjadi popular. Ia direka bentuk sebagai pengganti langsung untuk cakera keras 2,5 inci, menggunakan antara muka SATA III yang sama, yang sangat memudahkan penggunaannya: ia secara literalnya adalah soal menanggalkan HDD dan memasang SSD. Masalahnya ialah SATA dihadkan kepada kelajuan berkesan sekitar 550 MB/s, jadi pemacu ini sudah hampir mencapai had yang dibenarkan oleh piawaian.

Untuk melangkah lebih jauh, SSD disambungkan melalui PCI Express dan protokol NVMe (Non-Volatile Memory Express). Faktor bentuk seperti M.2 atau U.2 membolehkan penggunaan berbilang lorong PCIe, mencapai kelajuan baca berjujukan lebih 3000 MB/s dalam model yang agak berpatutan, dan kelajuan yang jauh lebih tinggi dalam model terbaik.

SSD NVMe juga terkenal dengan kependaman rendah dan keupayaan untuk mengendalikan banyak giliran I/O secara selari, menjadikannya sesuai untuk beban kerja intensif seperti permainan, penyuntingan video, mesin maya atau aplikasi profesional yang mencabar. Atas sebab ini, banyak model didatangkan dengan sink haba sebagai standard, untuk mengelakkan pendikitan haba di bawah beban berat.

Pada tahap fizikal, SSD boleh terdiri daripada pemacu dalaman (dipasang di dalam PC, disambungkan ke papan induk melalui SATA, M.2 atau PCIe) atau luaran, menggunakan penutup dengan antara muka USB 3.x, eSATA atau Thunderbolt. SSD ini berfungsi sama seperti pemacu keras luaran tradisional, tetapi dengan kelebihan yang jelas dari segi kelajuan, rintangan hentakan dan kebolehgunaan.

Kelebihan dan kekurangan SSD berbanding HDD

Beralih daripada cakera keras mekanikal kepada SSD mempunyai banyak kelebihan yang sudah diketahui umum, tetapi juga beberapa nuansa yang perlu jelas untuk membuat pilihan yang baik.

Dari segi prestasi, SSD berada dalam liga yang sama sekali berbeza: masa but sistem pengendalian merosot, permainan dan program dibuka dengan lebih pantas, dan komputer bertindak balas dengan lebih pantas. SSD SATA biasa boleh menyalin fail pada kelajuan lebih 500 MB/s, manakala HDD berada dalam julat antara 30 dan 150 MB/s. Dan dalam kelajuan baca/tulis rawak, yang paling penting dalam penggunaan seharian, perbezaannya sangat mengejutkan.

Ia juga mendapat manfaat daripada penggunaan kuasa dan tahap hingar yang lebih rendah. Tanpa bahagian yang bergerak, SSD menggunakan kurang tenaga, menghasilkan kurang haba dan senyap sepenuhnya. Ini merupakan ciri yang dialu-alukan dalam komputer riba (hayat bateri yang lebih lama dan kipas yang kurang berjalan pada kelajuan penuh) dan dalam komputer desktop di mana PC yang sejuk dan senyap adalah penting.

Dari segi ketahanan fizikal, SSD mempunyai kelebihan yang jelas: jika anda menjatuhkan komputer riba dengan HDD semasa ia berjalan, kepala baca/tulis boleh menggaru platter dan anda akan kehilangan data anda. Memandangkan SSD tidak mempunyai bahagian yang bergerak, ia menahan kejutan dan getaran dengan lebih baik, yang penting untuk peranti yang kerap diangkut.

Di manakah kekurangan SSD? Terutamanya dalam dua bidang: kos setiap gigabait dan ketahanan teori untuk penulisan tanpa had. Harga setiap GB SSD masih lebih tinggi daripada HDD, walaupun perbezaannya telah berkurangan dengan ketara: kita bercakap tentang kira-kira $0,08-$0,10/GB untuk SSD berbanding $0,03-$0,06/GB untuk cakera keras mekanikal, bergantung pada model dan kapasiti.

Berkenaan jangka hayat, memori kilat mempunyai bilangan kitaran tulis yang terhad. Dengan setiap pemadaman dan penulisan semula, rintangan elektrik sel meningkat sedikit, memerlukan lebih banyak voltan untuk pengaturcaraan. Akhirnya, sel tidak lagi boleh ditulis dengan selamat dan dianggap haus. Walau bagaimanapun, dengan teknologi semasa dan penggunaan pengguna rumah yang biasa, mencapai had tersebut adalah sangat sukar ; anda lebih cenderung untuk menaik taraf PC anda sebelum menghabiskan SSD anda.

Kebolehpercayaan dan pemulihan data

Adalah mungkin untuk memulihkan maklumat yang rosak atau dipadam daripada HDD dan SSD, tetapi prosesnya sangat berbeza dan, dalam praktiknya, SSD jauh lebih rumit untuk dikendalikan pada tahap pemulihan lanjutan.

Pada cakera keras mekanikal, selagi permukaan magnet platter lebih kurang utuh, makmal khusus boleh membuka pemacu, membaiki atau menggantikan kepala baca/tulis dan membaca data terus dari platter. Cara HDD menulis dan memadam data bermakna banyak sisa fail lama kekal untuk beberapa lama, memudahkan analisis forensik.

Pada SSD, penggunaan TRIM, pengumpulan sampah dan perataan haus bermakna data yang ditanda sebagai dipadam ditulis ganti dan disusun semula secara dalaman. Ini menjadikan pembinaan semula fail selepas tempoh tertentu sangat sukar; ia selalunya memerlukan peralatan khusus dan akses tahap yang sangat rendah kepada pengawal dan cip NAND , dan walaupun begitu, tiada jaminan.

Walau apa pun, HDD mahupun SSD tidak kebal daripada kerosakan data: gangguan bekalan elektrik, firmware yang rosak, ralat manusia, perisian hasad… Itulah sebabnya satu-satunya strategi yang bijak adalah untuk mengekalkan sandaran dan redundansi yang kerap (contohnya, dengan sistem RAID atau sandaran awan), dan bukannya bergantung secara membuta tuli pada pemacu utama.

Akhirnya, SSD telah menjadi standard de facto untuk storan utama kerana kelajuan, operasi yang senyap dan ketahanan fizikalnya, manakala cakera keras mekanikal masih masuk akal sebagai "storan murah" untuk menyimpan banyak terabait data. Memahami cara SSD berfungsi secara dalaman membantu anda lebih menghargai kelebihannya, mengakui batasan sebenar dan membuat keputusan yang lebih tepat apabila tiba masanya untuk menaik taraf PC anda atau membina sistem baharu.