Paano gumagana ang isang SSD sa loob at kung bakit nito pinapabilis nang husto ang iyong PC

Informatec Digital » Kayamanan » Paano gumagana ang isang SSD sa loob at kung bakit nito pinapabilis nang husto ang iyong PC

Kung ang iyong computer ay nagsisimula nang maging medyo mabagal, isa sa mga pinakamahalagang pagpapabuti na maaari mong gawin ay ang pagpapalit ng iyong hard drive ng SSD . Napakalaki ng pagtaas ng bilis kaya maraming tao ang nagsasabing ang PC ay "muling ipinanganak." Ngunit upang masulit ito, mahalagang maunawaan kung paano talaga gumagana ang isang SSD sa loob at kung paano ito naiiba sa isang tradisyonal na hard drive.

Bukod sa mga datos ng bilis na ibinigay ng mga tagagawa, maraming kawili-wiling teknikal na impormasyon: mga uri ng flash memory, kung paano isinusulat at binubura ang data, ang mga limitasyon sa kanilang habang-buhay, at kung bakit, sa parehong kapasidad, mas mahal pa rin ang isang SSD kaysa sa isang HDD . Tatalakayin natin ang lahat ng ito nang mahinahon, sa madaling salita, ngunit nang hindi isinasakripisyo ang teknikal na kahusayan.

Arkitektura ng memorya sa isang computer

Bago natin talakayin ang mga SSD, makabubuting suriin muna kung paano inaayos ang memorya ng isang karaniwang PC: ang processor cache, RAM, at mass storage . Ang bawat antas ay mas malaki, mas mabagal, at mas mura kaysa sa mga nauna.

Maliit ngunit napakabilis ng cache memory ng processor. Naka-integrate ito sa CPU mismo, at ang mga electrical path nito ay napakaikli, kaya maaari nitong ma-access ang data sa loob lamang ng ilang nanosecond. Ang napakabilis na bilis na ito ay may kaakibat na kapalit ng laki: ang cache ay napakaliit kaya palagi itong napupunan ng pinakamadalas gamiting data.

Kasunod nito ay ang RAM, isang random access memory kung saan iniimbak ng sistema ang code at data ng mga tumatakbong programa. Mas malaki ito kaysa sa cache, ngunit medyo mas mabagal. Gayunpaman, napakabilis pa rin nitong memorya at nawawala ang mga nilalaman nito kapag pinatay mo ang computer dahil ito ay volatile.

Sa pinakailalim ng listahan ay ang mass storage unit: hard drive o SSD. Dito nabubuhay ang lahat ng gusto mong panatilihin: operating system, mga programa, laro, dokumento, larawan, video, atbp. Mas malaki ito kaysa sa RAM, ngunit mas mabagal din nang ilang order ng magnitude.

Napakalaki ng pagkakaiba sa bilis kaya ang storage ang nagiging pinakamalaking hadlang sa isang PC. Kahit na may sapat na RAM at malakas na processor, ang sistema ay maaari lamang mag-load o mag-save ng data sa bilis na pinapayagan ng hard drive. Dito pumapasok ang papel ng mga solid-state drive (SSD) at ang kanilang kakayahang lubos na bawasan ang oras ng paglo-load.

Ano ang SSD at paano ito naiiba sa hard drive?

Ang solid-state drive (SSD) ay may parehong layunin gaya ng tradisyonal na hard drive: ang mag-imbak ng data nang pangmatagalan . Ang pagkakaiba ay nasa kung paano nito ito ginagawa. Habang ang isang HDD ay gumagamit ng umiikot na magnetic platters at mechanical read/write heads, ang isang SSD ay umaasa sa mga flash memory chips na walang gumagalaw na bahagi.

Kung babaguhin mo ang isang HDD, makakakita ka ng isang tumpok ng mga metal na disk (mga platter) na umiikot sa mataas na bilis at isang braso na may mga read/write head na gumagalaw sa mga ito. Para magbasa o magsulat ng data, ang braso ay kailangang lumipat sa tamang track , at ang platter ay dapat umikot hanggang sa ang naaangkop na sektor ay maiposisyon sa ilalim ng head. Ang lahat ng ito ay nangangailangan ng oras: pinag-uusapan natin ang mga millisecond.

Sa isang SSD, ang konsepto ay ganap na nagbabago. Sa halip na mga platter at head, makikita mo ang mga NAND flash memory chip na nakaayos sa mga cell, pahina, at bloke. Walang mga gumagalaw na bahagi: ang data ay iniimbak at binabasa gamit ang mga electrical charge sa mga semiconductor . Dahil hindi ito umaasa sa mekanikal na paggalaw, ang mga oras ng pag-access ay bumababa sa mga microsecond o mas kaunti pa.

Ang flash memory na ginagamit sa mga modernong SSD ay non-volatile, ibig sabihin ay napapanatili nito ang impormasyon kahit na nawalan ng kuryente . Ito ay katulad ng konsepto sa RAM (mga address, cell, data bus), ngunit idinisenyo upang maiwasan ang pagkawala ng data kapag ang computer ay nakapatay o kahit na sa panahon ng biglaang pagkawala ng kuryente.

Paano inaayos ang isang SSD sa loob?

Sa loob, ang isang SSD ay nakaayos sa ilang antas ng granularity. Ang data ay nakaimbak sa mga indibidwal na cell, na pinagsama-sama sa mga pahina, at ang mga ito naman ay naka-block. Ang istrukturang ito ay susi sa pag-unawa kung bakit ang pagsusulat at pagbura ay gumagana nang kakaiba sa flash memory.

• CellAng selula ang pinakamaliit na yunit ng imbakan. Sa isang selula, ang isa o higit pang mga bit ay kinakatawan ng iba't ibang antas ng karga ng kuryente.
• PahinaAng isang unit ay isang set ng maraming cell. Karaniwan itong may sukat na 4 KB, 8 KB o katulad nito, at ito ang pinakamaliit na unit na kayang basahin o sulatan ng SSD.
• Harangan angAng isang bloke ay isang koleksyon ng maraming pahina. Ang pagbura ay palaging ginagawa sa antas ng bloke, hindi pahina por pahina.

Kapag nagse-save ka ng bagong data, ang SSD controller ay magsusulat sa mga blangkong pahina sa loob ng mga available na block. Ang mahalagang detalye ay hindi maaaring direktang patungan ng flash memory ang isang pahinang nasulatan na ; kailangan muna nitong burahin ang buong block kung saan ito nabibilang.

Nangangahulugan ito na kung gusto mong baguhin ang ilang kilobyte sa isang pahinang ginagamit na, hindi basta-basta mababago ng drive ang bahaging iyon. Kailangan nitong kopyahin ang lahat ng wastong pahina sa ibang bloke, burahin ang buong bloke, at pagkatapos ay isulat ang na-update na data sa isang bagong bloke . Ang mekanismong ito ang batayan para sa ilang panloob na proseso, tulad ng garbage collection at wear leveling.

Mga pangunahing bahagi ng isang SSD at ang papel ng controller

Bukod sa mga NAND memory chip, ang isang modernong SSD ay nagsasama ng ilang mahahalagang bahagi na nagtutulungan upang makita ng sistema ang drive bilang isang "normal" na disk:

• ControllerPara itong "utak" ng drive. Pinamamahalaan nito ang pagsasalin ng mga logical address patungo sa mga physical address, kino-coordinate ang mga read at write, sinusubaybayan ang pagkasira, at pinangangasiwaan ang garbage collection at ang TRIM command.
• Memorya ng cache (DRAM o pseudo-cache)Maraming SSD ang may kasamang maliit na DRAM chip na pansamantalang nag-iimbak ng mga mapping table at mga kamakailang datos. Ang ilang mas murang drive ay gumagamit ng bahagi ng NAND mismo bilang isang cache (hal., simulated SLC cache).
• InterfaceIto ay tumutukoy sa konektor at protocol kung saan nakikipag-ugnayan ang SSD sa iba pang bahagi ng sistema. Kabilang sa mga halimbawa ang SATA, PCIe, NVMe, atbp.
• Labis na paglalaan: pisikal na lugar ng memorya na hindi nakikita ng gumagamit. Ito ay nagsisilbing reserba para sa palitan ang mga nasirang selula at upang mailipat ang data sa loob nang hindi ito napupuno nang hanggang 100%.

Napakahusay ng trabaho ng controller: nagpapasya ito kung saan ilalagay ang bawat piraso ng data, namamahagi ng mga write sa iba't ibang chips upang mapabuti ang performance, sinusubaybayan kung aling mga block ang nasisira, at umaasa sa mga kumplikadong algorithm sa wear-leveling at error-correction upang pahabain ang lifespan ng unit.

Bilis ng pagbasa sa isang SSD kumpara sa isang HDD

Kapag humiling ang operating system na basahin ang isang file, ang landas na sinusundan ng data ay ibang-iba sa isang mechanical disk at sa isang SSD, kahit na sa labas ay maaaring mukhang pareho ang lahat.

Sa isang hard disk drive (HDD), ang read request ay umaabot sa I/O controller, na nagsasabi sa read/write head kung aling track at sector ang ia-access. Gumagalaw ang arm, umiikot ang platter, at kapag dumaan ang sector sa ilalim ng head, binabasa nito ang mga pagkakaiba-iba ng magnetic field at isinasalin ang mga ito sa mga bit. Ang oras na nasayang sa paggalaw ng arm at paghihintay na umikot ang platter ay tinatawag na seek at spin latency.

Ang isang SSD ay walang braso o platter. Kapag gustong magbasa ng system, kinokonsulta ng controller ng drive ang internal mapping table nito (na nagsasalin ng mga logical address sa mga pisikal na lokasyon ng page at block) at inuutusan ang mga NAND chip na basahin ang mga kaukulang cell . Ang lahat ng ito ay nangyayari nang elektroniko lamang, nang walang anumang mekanikal na paghihintay.

Kung ang pinag-uusapang memory block ay internal na minarkahan bilang hindi aktibo o may maraming invalid na pahina, maaaring mag-trigger ang SSD ng mga internal na proseso ng garbage collection: kinokopya nito ang mga kapaki-pakinabang na pahina papunta sa ibang block at pinapalaya ang lumang block para sa mga susunod na pagsusulat, habang sinusubukang bawasan ang epekto sa performance.

Proseso ng pagsulat at pagbura sa isang SSD

Ang pagsusulat sa isang hard disk drive (HDD) ay medyo simple: ang read/write head ay lumilipat sa isang free sector at binabago ang magnetic polarity ng mga bit ayon sa nilalamang irerekord. Ang parehong sector ay maaaring gamitin muli nang isang libong beses, basta't ang magnetic surface ay mananatiling nasa mabuting kondisyon.

Gayunpaman, sa isang SSD, ang pagsusulat ay kinabibilangan ng pagharap sa paghihigpit na hindi mo maaaring i-overwrite ang isang indibidwal na pahina nang hindi muna binubura ang buong bloke . Kaya naman kapag binago mo ang isang file, ang SSD ay karaniwang:

1. Kopyahin ang wastong datos mula sa apektadong bloke patungo sa isang bagong magagamit na bloke.
2. Isama ang mga pagbabagong gusto mong i-save sa bloke na iyon.
3. Markahan ang lumang bloke bilang hindi wasto upang mabura ito sa ibang pagkakataon.

Para maisagawa ang mga operasyong ito, ang drive ay naglalaan ng ilang karagdagang pisikal na espasyo na hindi mo nakikita. Ang nakatagong espasyong ito ay nagbibigay-daan dito upang pansamantalang ilipat at kopyahin ang data habang nagsasagawa ng panloob na pagpapanatili, nang hindi mo napapansin ang isang makabuluhang pagbaba ng performance sa bawat maliit na pagsusulat.

Gaya ng nabanggit namin, ang pagbura ay palaging ginagawa sa mga bloke. Pinagsasama-sama ng controller ang mga bloke na may maraming pahinang minarkahan bilang hindi wasto at, kapag ito ay epektibo, binubura ang mga ito upang maibalik sa sirkulasyon bilang mga libreng bloke. Ang lahat ng ito ay malapit na nauugnay sa utos na TRIM, na tatalakayin natin maya-maya.

TRIM, pangongolekta ng basura at pagpapatag ng pagkasira

Para maiwasan ang pagkawala ng performance ng SSD pagkatapos ng ilang buwang paggamit, kailangang magtulungan ang operating system at ang controller gamit ang ilang pamamaraan.

Ang utos na TRIM ay nagbibigay-daan sa operating system na ipaalam sa SSD kung aling mga bloke ang hindi na naglalaman ng wastong data (halimbawa, pagkatapos magbura ng isang file). Pinapayagan nito ang drive na markahan ang mga pahinang iyon bilang libre sa loob, at kapag oras na para magsagawa ng garbage collection, malalaman nito nang eksakto kung ano ang maaaring ligtas na burahin.

Ang garbage collection ay ang proseso kung saan muling inaayos ng SSD ang data: pinapangkat nito ang mga wastong pahina na nakakalat, kinokopya ang mga ito sa mas malinis na mga bloke, at iniiwan ang buong mga bloke na handa nang burahin. Ang operasyong ito ay maaaring tumakbo sa background kapag naka-idle ang drive, kaya hindi ito gaanong nakakaapekto sa gumagamit.

Sa kabilang banda, mayroong wear leveling . Ang bawat NAND flash memory cell ay maaari lamang makatiis ng isang limitadong bilang ng mga write at erase cycle. Kung ang parehong mga lugar ay palaging sinusulatan, ang mga cell na iyon ay mabibigo nang maaga. Upang maiwasan ito, ipinamamahagi ng controller ang mga write sa buong memorya, sinusubukang tiyakin na ang lahat ng mga cell ay nagagamit nang pantay-pantay o higit pa.

Dahil sa kombinasyon ng TRIM, garbage collection, at wear leveling, kayang tiisin ng isang modernong SSD ang napakataas na write volume bago pa ito magsimulang masira, kahit na walang ideya ang user na nangyayari ang lahat ng ito nang hindi sinasadya.

Mga uri ng memorya ng NAND at tibay ng SSD

Ang flash memory ay inuuri ayon sa kung ilang bits ang iniimbak ng bawat cell: mas maraming bits bawat cell ay nangangahulugan ng mas malaking kapasidad sa parehong pisikal na espasyo, ngunit mas maselan din at hindi gaanong lumalaban sa mga write cycle.

• SLC (Single-Level Cell)1 bit bawat cell. Napakabilis at matibay, ngunit mahal. Halos naglaho na sa merkado ng mga mamimili.
• MLC (Multi-Level Cell)2 bits bawat cell. Isang mahusay na balanse sa pagitan ng pagganap at tibay, na ngayon ay halos eksklusibong nakalaan para sa mga propesyonal na kapaligiran.
• TLC (Triple-Level Cell)3 bits bawat cell. Ito ang pinakakaraniwang uri sa kasalukuyang mga SSD para sa mga mamimili, dahil pinapayagan nito ang malalaking kapasidad sa magandang presyo.
• QLC (Quad Level Cell)4 na bits bawat cell. Nagbibigay-daan ito para sa mas malaking densidad, ngunit lalong binabawasan ang habang-buhay at napapanatiling pagganap.

Kung mas maraming antas ng karga ang kailangang matukoy ng cell, mas pino ang kailangang kontrolin ng boltahe at mas madaling kapitan ito ng pagkasira ng kuryente . Gayunpaman, binabawi ng mga tagagawa ang disbentahang ito gamit ang mas mahuhusay na controller, mga error correction algorithm (ECC), masaganang overprovisioning, at medyo mahahabang warranty.

Sa mga panahong ito, hindi na bihira na makakita ng mga SSD para sa mga mamimili na may 5-taong warranty at mga propesyonal na modelo na may hanggang 10 taon na warranty. Ipinakita ng mga independiyenteng pagsubok sa tibay na maraming drive ang madaling lumalagpas sa mga halagang TBW (terabytes written) na ipinangako ng tagagawa, kahit na makayanan ang ilang petabytes ng writes sa ilang mga kaso; kaya naman mahalagang malaman kung paano basahin ang kalusugan ng isang drive at mahulaan ang mga problema.

Mga interface at format: SATA, mSATA, M.2, PCIe at NVMe

Bukod sa uri ng memorya, ang interface ng koneksyon ay may malaking pagkakaiba sa performance na maaari mong asahan mula sa isang SSD. Hindi katulad ng pag-asa sa isang bus na idinisenyo para sa mga mechanical hard drive na direktang gamitin ang mga PCI Express lane ng motherboard.

Ang mga SATA SSD (kabilang ang mSATA at 2,5-inch form factor) ang unang naging popular. Dinisenyo ang mga ito bilang direktang kapalit ng 2,5-inch hard drive, gamit ang parehong SATA III interface, na lubos na nagpadali sa paggamit nito: literal na kailangan lang tanggalin ang HDD at i-install ang SSD. Ang problema ay limitado ang SATA sa humigit-kumulang 550 MB/s na epektibong bilis, kaya ang mga drive na ito ay malapit na sa limitasyon ng pinapayagan ng pamantayan.

Mas lumawak pa ang karanasan pagdating sa mga SSD na konektado sa pamamagitan ng PCI Express at ng NVMe (Non-Volatile Memory Express) protocol. Ang mga form factor tulad ng M.2 o U.2 ay nagbibigay-daan sa paggamit ng maraming PCIe lane, na nakakamit ng sequential read speed na mahigit 3000 MB/s sa medyo abot-kayang mga modelo, at mas mataas na bilis sa mga nangungunang modelo.

Ang mga NVMe SSD ay kapansin-pansin din dahil sa kanilang mababang latency at kakayahang humawak ng maraming I/O queues nang sabay-sabay, kaya mainam ang mga ito para sa masinsinang workload tulad ng paglalaro, pag-edit ng video, mga virtual machine, o mga mabibigat na propesyonal na aplikasyon. Dahil dito, maraming modelo ang may kasamang mga heat sink bilang pamantayan, upang maiwasan ang thermal throttling sa ilalim ng mabibigat na load.

Sa pisikal na antas, ang mga SSD ay maaaring internal (naka-mount sa loob ng PC, nakakonekta sa motherboard sa pamamagitan ng SATA, M.2, o PCIe) o external, gamit ang mga enclosure na may USB 3.x, eSATA, o Thunderbolt interface. Ang huli ay gumagana nang katulad ng mga tradisyonal na external hard drive, ngunit may malinaw na bentahe sa bilis, resistensya sa pagkabigla, at kadalian sa pagdadala.

Mga kalamangan at kahinaan ng SSD kumpara sa HDD

Ang paglipat mula sa isang mechanical hard drive patungo sa isang SSD ay may maraming bentahe na kilala na, ngunit mayroon ding ilang mga nuances na dapat maging malinaw upang pumili nang maayos.

Sa usapin ng performance, ibang-iba ang SSD: bumababa ang boot time ng operating system, mas mabilis bumukas ang mga laro at programa, at mas mabilis tumugon ang computer. Ang isang karaniwang SATA SSD ay kayang kumopya ng mga file sa bilis na mahigit 500 MB/s, habang ang HDD ay nasa pagitan ng 30 at 150 MB/s. At sa random read/write speeds, na siyang pinakamahalaga sa pang-araw-araw na paggamit, napakalaki ng pagkakaiba.

Nakikinabang din ito sa mas mababang konsumo ng kuryente at antas ng ingay. Dahil walang gumagalaw na bahagi, ang SSD ay kumokonsumo ng mas kaunting enerhiya, nakakabuo ng mas kaunting init, at ganap na tahimik. Ito ay isang kaaya-ayang tampok sa mga laptop (mas mahabang buhay ng baterya at mas kaunting fan na tumatakbo sa buong bilis) at sa mga desktop computer kung saan mahalaga ang isang malamig at tahimik na PC.

Sa usapin ng pisikal na tibay, ang mga SSD ay may malinaw na kalamangan: kung mahuhulog mo ang isang laptop na may HDD habang tumatakbo ito, maaaring magasgas ng read/write head ang platter at mawawala ang iyong data. Dahil walang gumagalaw na bahagi ang mga SSD, mas mahusay nilang natitiis ang mga pagyanig at panginginig, na mahalaga para sa mga device na madalas dalhin.

Saan nagkukulang ang mga SSD? Pangunahin sa dalawang aspeto: ang halaga kada gigabyte at ang teoretikal na tibay para sa walang limitasyong pagsusulat. Ang presyo kada GB ng isang SSD ay mas mataas pa rin kaysa sa isang HDD, bagama't ang pagkakaiba ay lumiit nang malaki: pinag-uusapan natin ang humigit-kumulang $0,08-$0,10/GB para sa mga SSD kumpara sa $0,03-$0,06/GB para sa mga mechanical hard drive, depende sa modelo at kapasidad.

Tungkol sa habang-buhay, ang flash memory ay may limitadong bilang ng mga write cycle. Sa bawat pagbura at pagsusulat muli, ang electrical resistance ng mga cell ay bahagyang tumataas, na nangangailangan ng mas maraming boltahe para sa pagprograma. Kalaunan, ang cell ay hindi na ligtas na mapagsusulatan at itinuturing na sira na. Gayunpaman, sa kasalukuyang mga teknolohiya at karaniwang paggamit ng mga gumagamit sa bahay, ang pag-abot sa limitasyong iyon ay lubhang mahirap ; mas malamang na i-upgrade mo ang iyong PC bago maubos ang iyong SSD.

Pagiging maaasahan at pagbawi ng datos

Posibleng mabawi ang nasira o nabura na impormasyon mula sa parehong HDD at SSD, ngunit ibang-iba ang proseso at, sa pagsasagawa, mas kumplikado ang paghawak ng mga SSD sa mas mataas na antas ng pagbawi.

Sa isang mekanikal na hard drive, hangga't ang magnetic surface ng mga platter ay halos buo, maaaring i-disassemble ng mga espesyalisadong laboratoryo ang drive, kumpunihin o palitan ang mga read/write head, at basahin ang data nang direkta mula sa mga platter. Ang paraan ng pagsusulat at pagbura ng data ng mga HDD ay nangangahulugan na maraming labi ng mga lumang file ang nananatili nang medyo matagal, na nagpapadali sa forensic analysis.

Sa isang SSD, ang paggamit ng TRIM, garbage collection, at wear leveling ay nangangahulugan na ang data na minarkahan bilang nabura ay nao-overwrite at muling inaayos sa loob. Dahil dito, napakahirap ng muling pagbuo ng isang file pagkatapos ng isang partikular na oras; kadalasan ay nangangailangan ito ng espesyal na kagamitan at napakababang antas ng pag-access sa controller at mga NAND chip , at kahit na ganoon, walang mga garantiya.

Sa anumang kaso, hindi ligtas ang mga HDD o SSD sa pagkasira ng data: pagkawala ng kuryente, sirang firmware, pagkakamali ng tao, malware… Kaya naman ang tanging makatwirang estratehiya ay ang pagpapanatili ng mga regular na backup at redundancy (halimbawa, sa mga RAID system o cloud backup), sa halip na basta umasa lamang sa pangunahing drive.

Sa huli, ang mga SSD ay naging de facto na pamantayan para sa pangunahing imbakan dahil sa kanilang bilis, tahimik na operasyon, at pisikal na tibay, habang ang mga mechanical hard drive ay maituturing pa ring isang "murang imbakan" para sa pag-iimbak ng maraming terabyte ng data. Ang pag-unawa kung paano gumagana ang isang SSD sa loob ay makakatulong sa iyo na mas pahalagahan ang mga bentahe nito, kilalanin ang mga tunay na limitasyon nito, at gumawa ng mas matalinong mga desisyon kapag oras na para i-upgrade ang iyong PC o bumuo ng isang bagong sistema.

Kaugnay na artikulo:

SSD vs NVMe: mga totoong pagkakaiba, kalamangan at kung kailan pipiliin ang bawat isa