Твердотельные и гибридные накопители на основе микросхем памяти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Липецкий государственный технический университет

Физико - технологический факультет

Кафедра Автоматизированных систем управления

РЕФЕРАТ

по Информатике

Твердотельные и гибридные накопители на основе микросхем памяти

Студент Старкова А.С.

Группа САУ - 18

Руководитель

Доцент Лаврухина Т.В.

Кандидат технических наук

Липецк 2018 г.



Оглавление

• 1. SSD технология
• 2. История
• 3. Устройство SSD накопителя
• 4. Память
• 5. Устройство ячейки NAND памяти
• 5.1 Структура NAND - памяти
• 5.2 Подключение микросхем NAND - памяти
• 6. Логическая структура NAND flash - памяти
• 7. Особенности операций записи данных в SSD - дисках
• 8. Разница между последовательной и случайной записью в SSD -
• дисках
• 9. Контроллер
• 10. Гибридный SSD HDD
• 11. Основные характеристики SSD
• 12. Преимущества SSD
• 13. Недостатки SSD
• 14. Литература


1. SSD технология

Твердотельный накопитель SSD используется для записи и

хранения персональных данных пользователя. Что касается SSD - диска, или, часто используемое название, твердотельный накопитель, то он аналогичен жесткому диску HDD. Существенное отличие проявляется в иной работе SSD. Внутри устройства отсутствуют движущиеся элементы, вместо них установлены специальные чипы для хранения информации. Твердотельный накопитель представляет собой большую flash - карту, которую можно поставить на место винчестера.



2. История

В 1978 году американские инженеры из компании StorageTek создали

первый SSD - накопитель. Он был выполнен на полупроводниковых ОЗУ (RAM) - микросхемы памяти, которые использовались в первых полупроводниковых компьютерах. Накопитель мало чем напоминал современные твердотельные диски, а его технические характеристики даже в то время не были большим достижением. Но факт остается фактом, именно StorageTek открыла миру совершенно новый тип накопителя, и именно с этой модели началось их развитие.

Спустя 4 года был создан более совершенный SSD - накопитель. На

этот раз его производителем стала компания Cray, которая специализировалась на производстве компьютеров для военных целей и промышленности. В производство было запущено сразу 2 модели: Cray1 и Cray2, которые отличались лишь скоростью передачи данных - 100 Мб/сек и 320 Мб/сек., и емкостью в 8, 16 и 32 разрядных слов.

Израильская компания M-System, которая так же как и компания Cray

специализировалась на военной промышленности, спустя 13 лет в 1995 году вносит свою лепту в историю развития твердотельных накопителей. Был создан полупроводниковый накопитель, изначально предназначавшийся только для обеспечения нужд военных и использующий flash - память. Он мог работать при экстремальных температурах, сильных вибрациях и перегрузках, при которых обычная техника ломалась уже через пару минут.

В 2007 году, компания Asus, производящая компьютеры и комплектующих, выпустила нэтбук с твердотельным накопителем емкостью 4 ГБ.

Через год южнокорейская компания Mtron Storage Technology выпустила действительно стоящую замену, популярным и тогда, и сейчас традиционным жестким дискам. Накопитель имел объем 128 Гб и мог считывать и записывать информацию со скоростью 260 и 240 Мб/сек.

Спустя еще год в продаже начали появляться целые линейки

твердотельных дисков емкостью от 128 до 512 Гб. Первый SSD - накопитель, объемом более 1 Тб появился в конце того же 2009 года в компании OCZ Technology.

В начале 2010 - х годов на рынок выпустили SSD - накопители объемами 64, 80, 120, 256, 512 гигабайт, отдельные модели имеют емкость 0,7, 0,8, 1, 1,6 терабайта или более. Основными интерфейсами подключения стали SATA III (до 600 МБ/с), набирали популярность интерфейсы на базе PCI Express (до 0,5, 1 или 2 ГБ/с для PCIe Gen.2, 1-4 ГБ/с для PCIe Gen.3). Компактные накопители для ноутбуков начали переход от mSATA на NGFF (M.2). За 2012 год поставки SSD составили около 34 миллионов устройств, основные рынки. Цены на 128 ГБ SSD в 2013 году находились в пределах 70-85 долларов США.



3. Устройство SSD накопителя

Визуально твердотельный накопитель представляет собой пластину, внутри которой расположена плата (микросхема). На этой плате крепятся чипы памяти и контроллер. В твердотельных накопителях отсутствуют движущиеся механические детали, поэтому они намного устойчивей к внешним факторам воздействия. Винчестер (HDD - диск) - представляет собой достаточно хрупкую вещь. Во время падения или тряски считывающая головка соприкасается с магнитной пластиной - это приводит к выведению из строя носителя.

Рисунок 1 - Анатомия SSD и HDD

В основном SSD - диски комплектуются интерфейсами Sata, USB 3.0 и

PCI - Express, которые без проблем обеспечивают необходимую скорость записи и чтения.

Принципы работы накопителя

Встроенный контроллер, обрабатывает доступ к различной flash -памяти. Он получает команды из операционной системы и интерпретирует их для доступа к данным. Для программ все это прозрачное и не затрагивает их.



Рисунок 2 - Размещение на плате контроллера и памяти

В винчестере для чтения блока данных в первую очередь нужно вычислить, где он находится, затем переместить блок магнитных головок на нужную дорожку, после подождать пока нужный сектор окажется под головкой и произвести считывание. Причем хаотические запросы к разным областям жесткого диска еще больше сказываются на времени доступа. При таких запросах HDD вынуждены постоянно “гонять” головки по всей поверхности “блинов” и даже переупорядочивание очереди команд спасает не всегда. А в SSD все просто -- вычисляем адрес нужного блока и сразу же получаем к нему доступ на чтение/запись. Никаких механических операций -- всё время уходит на трансляцию адреса и передачу блока. Чем быстрее flash - память, контроллер и внешний интерфейс, тем быстрее доступ к данным.

А вот при изменении/стирании данных в SSD накопителе не так все

просто. Микросхемы NAND flash - памяти оптимизированы для секторного выполнения операций. Flash - память пишется блоками по 4 Кб, а стирается по 512 Кб. При модификации нескольких байт внутри некоторого блока контроллер выполняет следующую последовательность действий:

- считывает блок, содержащий модифицируемый блок во внутренний буфер/кеш;

- модифицирует необходимые байты;

- выполняет стирание блока в микросхеме flash - памяти;

- вычисляет новое местоположение блока в соответствии с требованиями алгоритма перемешивания;

- записывает блок на новое место.

Но как только вы записали информацию, она не может быть перезаписана до тех пор, пока не будет очищена. Проблема заключается в том, что минимальный размер записываемой информации не может быть меньше 4 Кб, а стереть данные можно минимум блоками по 512 Кб. Для этого контроллер группирует и переносит данные для освобождения целого блока. Вот тут и сказывается оптимизация ОС для работы с HDD. При удалении файлов операционная система не производит физическую очистку секторов на диске, а только помечает файлы как удаленные, и знает, что занятое ими место можно заново использовать. Работе самого накопителя это никак не мешает и разработчиков интерфейсов этот вопрос раньше не волновал. Если такой метод удаления помогает повысить производительность при работе с HDD, то при использовании SSD становится проблемой. В SSD, как и в традиционных жестких дисках, данные все еще хранятся на диске после того, как они были удалены операционной системой. Но дело в том, что твердотельный накопитель не знает, какие из хранящихся данных являются полезными, а какие уже не нужны и вынужден все занятые блоки обрабатывать по длинному алгоритму. Прочитать, модифицировать и снова записать на место, после очистки затронутых операцией ячеек памяти, которые с точки зрения ОС уже удалены. Следовательно, чем больше блоков на SSD содержит полезные данные, тем чаще приходится прибегать к процедуре чтение > модификация > очистка > запись, вместо прямой записи. Вот здесь пользователи SSD сталкиваются с тем, что быстродействие диска заметно снижается по мере их заполнения файлами. Накопителю просто не хватает заранее стёртых блоков. Максимум производительности демонстрируют чистые накопители, а вот в ходе их эксплуатации реальная скорость понемногу начинает снижаться.



4. Память

В большинстве SSD - дисков используется NAND, или, как ее еще

называют, flash - память. Подобные чипы применяются в обычных флешах, только в твердотельных накопителях они надежнее и имеют большую скорость обработки информации благодаря наличию контроллера. Данный вид памяти является энергонезависимой и не потребует дополнительного питания для работы.

Помимо технологии NAND, в твердотельных накопителях иногда используется RAM - SSD. Этот вид памяти имеет большую скорость записи и чтения данных благодаря использованию чипов, применяемых при создании ОЗУ. Он потребует постоянного подключения к электричеству, поэтому в SSD - дисках, использующих RAM, часто устанавливают дополнительные аккумуляторы на случай внезапного отключения питания. Из-за высокой стоимости производства данных накопителей они редко встречаются в домашних ПК и ноутбуках. В основном RAM - SSD используются в компьютерных системах больших компаний для увеличения скорости работы с базами данных.

Данные SSD - диски отличаются друг от друга скоростью записи, чтения данных и стоимостью. Все зависит от применяемых чипов в накопителе: SLC, TLC или SSD MLC. Так обозначаются разные типы flash - памяти. Самой распространенной технологией является MLC, благодаря которой в одной ячейке можно сохранять два бита информации. TLC дает возможность записать 3 бита, но это приводит к более быстрому износу ячеек, поэтому данная технология не очень популярна. Самой скоростной и долговечной является SLC - память, с помощь которой можно записывать только один бит данных в каждую ячейку.

Ячейка является основной единицей хранения в SSD. Ячейкой

называют один из многих отсеков на микросхеме памяти, которая содержит транзистор, способный удерживать электрический заряд. Его способность удерживать этот заряд после отключения питания отличает его от ОЗУ вашего компьютера. Но в остальном они похожи.

Каждая из ячеек содержит небольшой электрический заряд, который

представляет данные, и когда все биты объединяются, они составляют ваши файлы. Однако, как и жесткие диски, эти отдельные биты могут жить в разных ячейках на диске (т. е. не обязательно все смежные ячейки). То же самое происходит и с жесткими дисками. Однако главное отличие заключается в том, что механическая головка не должна физически обходить диск, чтобы собирать все эти биты для доступа к файлу. Контроллер SSD может быстро собирать данные с помощью электрических сигналов, поэтому скорость чтения (и скорость записи в этом случае) намного выше, чем у жестких дисков.



5. Устройство ячейки NAND памяти

Рассмотрим два типа NAND - памяти - а именно SLC и MLC устройства. В SLC приборах одна ячейка памяти хранит один бит информации. Возможно только два состояния ячейки памяти (полевого транзистора с плавающим затвором). Первое состояние соответствует заряженному затвору, а второе, соответственно, разряженному. Тут все просто - подаем пороговое напряжение и по наличию или отсутствию тока стока можем определить, какой бит записан в данную ячейку памяти. MLC приборы отличаются тем, что одна элементарная ячейка может хранить несколько бит информации, чаще всего два бита. В таких устройствах различают 4 уровня заряда плавающего затвора, что соответствует 4 возможным сохраненным состояниям.

Для чтения информации из такой ячейки, в отличии от SLC - устройств, необходимо следить за током стока при нескольких разных значениях порогового напряжения на затворе транзистора. MLC-память имеет меньшее количество максимально возможных циклов перезаписи по сравнению с SLC. Кроме того, SLC быстрее - то есть операции чтения/записи/стирания выполняются за меньшее количество времени. А поскольку для определения состояния ячейки памяти используется только одно пороговое значение напряжения, при использовании SLC - памяти меньше вероятность возникновения ошибки. Но это не значит, что MLC хуже. MLC - память, во - первых позволяет сохранять большее количество информации, а во - вторых дешевле.

5.1 Структура NAND - памяти

При использовании NAND мы не имеем доступа к произвольной ячейке памяти. Все ячейки объединены в страницы. А страницы объединены в логические блоки. Каждая страница помимо сохраненной пользователем информации содержит некоторые дополнительные данные - информация о “плохих” блоках, дополнительная служебная информация для коррекции ошибок.

Сложность при работе с NAND заключается в том, что невозможно получить доступ к какой-то конкретной ячейке информации. Запись данных можно производить только постранично, то есть если мы хотим изменить какой-то бит, то нам нужно перезаписать все страницу целиком. А стирать данные и вовсе можно только блоками. Вот для примера характеристики микросхемы NAND - памяти NAND128W3A: размер страницы - 512 байт + 16 байт дополнительной служебной информации, размер блока - 16 кБайт, то есть 32 страницы.

Еще одной проблемой при использовании NAND является то, что количество циклов перезаписи не бесконечно. Таким образом, если запись всегда будет производиться в одну и ту же страницу, она рано или поздно окажется поврежденной. И для того, чтобы обеспечить равномерный износ всех ячеек памяти, контроллер NAND - памяти ведет учет количества циклов записи в каждый отдельный блок памяти. Если контроллер видит, что блок “плохой”, то он может пропустить его и произвести запись в следующий блок. Благодаря этому срок службы носителей информации значительно увеличивается. Если мы хотим записать большой массив данных, то внутри микросхемы памяти все данные будут перемешаны по блокам (работает алгоритм записи в наименее изношенные блоки), а когда встает задача чтения этих данных, контроллер NAND - памяти упорядочит данные и выдаст их нам в первозданном виде.

5.2. Подключение микросхем NAND - памяти

А для этого используется параллельная шина передачи данных, Ширина шины - 8 или 16 байт, в зависимости от конкретного устройства. Линии данных объединены с линиями адреса, что позволяет уменьшить количество занятых выводов. Вот тут хорошо описаны управляющие сигналы и их назначение:

Рисунок 3 - Логическая блок - схема



6. Логическая структура NAND flash - памяти

Как мы уже отмечали, в SSD - дисках используется flash - память с организацией по типу NAND, поэтому в дальнейшем мы сосредоточимся на рассмотрении исключительно NAND flash - памяти.

Несмотря на тот факт, что flash - память позволяет получить доступ для чтения, записи и стирания отдельно взятой ячейки, для более эффективного использования элементарных ячеек памяти они были объединены в массивы с четырехуровневой структурой. На низшем уровне находится элементарная ячейка памяти, а элементарные ячейки, объединенные в массив, вмещающий 4 Кбайт данных, называются страницей памяти. 128 таких страниц образуют блок памяти размером 512 Кбайт (иногда в блок памяти входит 64 страниц), а 1024 блока -- массив размером 512 Мбайт. Таким образом, логическая структура объединения ячеек в массивы довольно проста. Страница подобна кластеру (сектору) в жестком диске и представляет собой минимальный размер данных, с которым работает flash - память. Однако между кластером жесткого диска и страницей flash - памяти существует принципиальная разница при выполнении операций чтения, записи и удаления. Так, если в жестком диске кластер можно прочитать, записать и удалить, то во flash - памяти операции чтения и записи возможны страницами по 4 Кбайт, а стирание данных -- только блоками по 512 Кбайт. Причем, как только информация записана на страницу, она не может быть перезаписана до тех пор, пока не будет очищена (удалена).



7. Особенности операций записи данных в SSD - дисках

В SSD - дисках нет однозначного соответствия между логическим номером записываемой порции данных (страницы) и ее физическим расположением во флэш-памяти. Для записи в уже использованную страницу ее предварительно необходимо очистить (стереть данные).

Во flash - памяти данные преимущественно записываются последовательно, то есть они всегда записываются порциями по 4 Кбайт в следующую по порядку свободную страницу flash - памяти. При этом логический адрес записываемой страницы (LBA) сопоставляется с физическим адресом (PBA), то есть с адресом расположения во flash -памяти.

Для соответствия между логическими и физическими адресами предназначена специальная таблица соответствия логических и физических адресов. Эта таблица размещается в оперативной памяти SSD - диска.

При получении запроса на запись контроллер выделяет соответствующее число свободных страниц и заносит в таблицу соответствие между LBA и PBA - адресами. Если же данные перезаписываются (то есть требуется записать данные с логическими адресами, которые уже заняты), то контроллер SSD - диска выделяет следующие свободные страницы памяти, а в таблице соответствия логических и физических адресов помечает страницы, в которые эти данные были записаны ранее, как содержащие устаревшую информацию. Важно, что при этом реально страницы с устаревшими данными не перезаписываются (как в HDD - дисках) и не удаляются. Если же данные удаляются, то есть пользователь удаляет файл на уровне операционной системы.

Важно, что контроллер самого SSD - диска ничего об этом не знает и считает соответствующие страницы памяти занятыми. То есть соответствующие страницы памяти не помечаются к удалению в таблице соответствия LBA и PBA - адресов. Запись на SSD - диск в основном происходит последовательно, поэтому существует большая разница между записью на новый диск (на который данные еще не записывались) и на уже заполненный диск. Отметим, что заполненный диск с точки зрения пользователя может быть пустым, поскольку удаление данных с диска на уровне операционной системы еще не означает их реального удаления из flash - памяти.

При случайной записи на пустой (или частично занятый) SSD - диск всё происходит очень просто. Все данные пишутся последовательно в страницы памяти, заполняя тем самым блоки памяти. Причем даже в том случае, если производится перезапись данных, они последовательно записываются в следующие по порядку свободные страницы памяти, а в таблице соответствия логических и физических адресов те страницы, в которые эти данные были записаны ранее, помечаются как содержащие устаревшие данные (помечаются к удалению).

Естественно, при таком последовательном алгоритме записи неизбежна ситуация, когда весь диск будет заполнен, то есть на нем не останется блоков со свободными страницами, а будут лишь блоки, содержащие заполненные страницы с актуальными данными, и страницы, помеченные к удалению. Казалось бы, почему нельзя записывать новые данные в те страницы flash -памяти, которые содержат устаревшие данные и помечены на удаление? Всё дело в том, что в архитектуре flash - памяти для того, чтобы произвести запись данных в занятую страницу памяти, ее нужно предварительно очистить. Однако, как мы помним, если запись и чтение во flash - памяти осуществляются страницами, то удаление возможно только блоками. И если нам нужно очистить какую-то страницу памяти, то придется стереть весь блок, в котором находится эта страница. Однако данный блок может содержать и страницы, помеченные на удаление (страницы с устаревшими данными), и страницы с актуальными данными, которые удалять нельзя. Для того чтобы использовать блоки со страницами, помеченными на удаление, применяется метод переноса данных с помощью пустых и резервных блоков. Даже если пустых блоков в SSD - диске уже не осталось, всегда имеется определенное количество резервных блоков, применяемых для переноса данных. Чтобы удалить страницу с устаревшими данными, прежде нужно переместить из соответствующего блока страницы с актуальными данными в резервный свободный блок и уже потом удалить весь блок, содержащий страницы с устаревшими данными.

Соответственно мы получаем частично занятый блок с перемещенными данными, доступный для записи, и пустой блок, который становится резервным. Однако в результате такого перемещения данных получается, что на SSD - диск приходится записывать больше данных, чем требуется. К примеру, если требуется записать всего одну страницу (4 Кбайт) и для этого нет свободного блока, то прежде нужно найти блок со страницами, помеченными на удаление.

Если имеется блок, в котором помечена на удаление всего одна страница, то нужно переместить из этого блока в резервный блок остальные 127 страниц и дополнить его той одной страницей, которую нужно было записать. Затем блок со страницей, помеченной на удаление, стирается и становится резервным. Получается, что для записи всего одной страницы (4 Кбайт) приходится записывать 128 страниц (512 Кбайт), и это не считая того, что время тратится еще на чтение всего блока и его стирание. Именно поэтому скорость записи на новый диск (на который данные никогда не записывались) и на уже заполненный диск может кардинально различаться.



Рисунок4 - Схема записи в ячейки памяти (а)

Для того чтобы подчеркнуть принципиальную разницу в скорости записи на пустой и заполненный диски, используется такой показатель, как коэффициент усиления записи (Write Amplification), который показывает, во сколько раз больше данных приходится записывать, чем реально требуется. При записи на пустой диск коэффициент усиления записи равен единице, а при записи на заполненный диск он всегда больше единицы -- его значение может колебаться от 2 до 25.

Теперь нужно выяснить, откуда берутся те самые резервные блоки, которые применяются для перемещения данных. Если имеется SSD - диск, емкость которого составляет 160 Гбайт, то реально для записи доступно 160 десятичных, а не двоичных гигабайт. То есть реально емкость диска, доступная для записи, составит 160 000 000 000 байт, а не 171 798 691 840 байт, как в двоичной интерпретации (в двоичной интерпретации 1 Кбайт = 1024 байт). Разница между емкостью диска в двоичной и десятичной интерпретации как раз и составляет резерв блоков для перемещения данных (резервная область). В случае SSD - диска размером 160 Гбайт резервная область равна 11 798 691 840 байт, или примерно 11 Гбайт в двоичной интерпретации. Важно отметить, что резервная область диска -- это не

какой - то выделенный участок блоков памяти. Резервные блоки как бы “размазаны” по всему диску, более того -- их расположение динамически меняется во времени. Любой блок памяти может быть и резервным, и доступным для записи.

Также отметим, что если при записи в какой то блок памяти выдается ошибка, то он помечается как Bad - блок и в дальнейшем не используется. Причем объем доступного для записи места при этом не уменьшается, поскольку все Bad - блоки автоматически помечаются как резервные. То есть, если по мере эксплуатации SSD - диска в нем увеличивается количество Bad - блоков, это автоматически означает, что уменьшается размер резервной области диска. Естественно, это приводит к тому, что производительность диска в операциях записи начинает снижаться, поскольку от количества резервных блоков зависит скорость записи.



8. Разница между последовательной и случайной записью в SSD - дисках

ssd память запись диск

Итак, мы рассмотрели первый феномен SSD - дисков, заключающийся в том, что скорость записи на новый и ранее использовавшиеся диски может заметно различаться. Есть и другой феномен: разница в скорости последовательной и случайной записи. Казалось бы, если данные записываются на SSD - диск преимущественно последовательным образом, то можно вообще ли говорить о случайной записи? Однако не будем спешить с выводами. Представим себе последовательную (с точки зрения операционной системы) запись большого массива данных на пустой диск. То есть запись, при которой все логические LBA - адреса заполняются последовательно.

В этом случае все физические блоки памяти будут заполняться последовательно, а если данные перезаписываются, то опять будут образовываться блоки, целиком состоящие из страниц, помеченных к удалению. В этом случае не требуется использовать технологию перемещения данных, поскольку если блок состоит только из страниц, помеченных к удалению, то его можно стереть целиком, не перемещая из него никаких данных. Понятно, что в таком случае (то есть в случае последовательной записи) коэффициент усиления записи равен 1 и достигается максимальная скорость записи.

В случае случайной записи даже на пустой диск, хотя данные и записываются преимущественно последовательным образом, пока не будет заполнено всё доступное пространство диска, неизбежно возникают операции перезаписи данных мелкими порциями, и в результате блоки данных содержат как страницы с нужными данными, так и страницы, помеченные к удалению. Это как раз та ситуация, которая была рассмотрена ранее, то есть по мере заполнения диска начинает использоваться механизм перемещения данных и коэффициент усиления записи становится больше единицы. Таким образом, за счет эффективного использования технологии перемещения данных скорость случайной записи всегда ниже скорости последовательной записи.

Рисунок 5 - Схема записи в ячейки памяти (б)

Существует еще одна принципиальная разница между случайной и последовательной записью, которая заключается в принципах формирования и оптимизации таблицы соответствия LBA - PBA. Строго говоря, речь идет не просто о таблице, а о гораздо более сложной структуре. Не вникая в детали, отметим, что данная таблица не содержит отдельных записей для каждого сектора, а оперирует блоками переменной длины, и чем больше эти блоки, тем меньшее количество записей в таблице требуется. Более того -- по мере заполнения такой таблицы начинается процедура ее оптимизации, что сильно отражается на производительности диска.

Процесс оптимизации, по сути, состоит из объединения разрозненных маленьких фрагментов в один непрерывный сегмент. Одно такое объединение позволяет заменить несколько тысяч записей в таблице на одну запись. Объединение делается путем считывания разрозненных фрагментов и последовательной их записи в новый сегмент. Физические блоки, где эти фрагменты ранее размещались, помечаются как неиспользуемые.

При последовательной записи фактически создается один большой фрагмент. Поэтому записей в таблице будет очень мало и оптимизировать ее не надо. Если же запись производится случайным образом, то необходимость постоянной оптимизации таблицы приводит к тому, что производительность диска резко падает.



9. Контроллер

Контроллер является самым важным элементом, без которого не

сможет функционировать SSD - диск. Данные устройства выполняют работу по распределению нагрузки между блоками памяти, отвечают за чтение и запись информации, коррекцию ошибок и сжатие файлов. Контроллер напоминает собой командный центр, где принимаются решения, связанные с обработкой данных. Именно от этой детали зависит скорость работы твердотельного накопителя и его долговечность. Основной составляющей котроллеров является специальный микропроцессор, на который и ложится вся нагрузка. Также быстродействие устройства зависит и от качества прошивки.

Достаточно много компаний занимаются производством SSD

дисков, ведь технология их изготовления достаточно проста и требует меньше времени, чем на создание классического жесткого диска. Все, что нужно, - это приобрести чипы памяти, контроллеры и платы, куда все будет распаиваться. После этого конструкцию помещают в красивый корпус с фирменным логотипом - и товар готов к продаже. Но сами комплектующие для твердотельных накопителей имеют высокую цену, к тому же больших затрат потребует создание контроллера и качественной прошивки к нему. Из-за этого стоимость SSD - дисков на сегодняшний день намного выше обычных HDD.

Хотя ячейки фактически хранят данные, контроллер интерпретирует

наличие или отсутствие электрического заряда в виде нуля или единицы. Он также отвечает за обмен этими данными с операционной системой. Контроллер фактически содержит множество функций.



Рисунок 6 - Контроллер

Контроллер находится между операционной системой и ячейками памяти, и перемещает данные между ними.

Функции современного SSD контроллера:

- TRIM.

- Чтение запись и кеширование.

- Коррекция ошибок (ECC).

- Шифрование (AES).

- Возможность S.M.A.R.T мониторинга.

- Пометка и запись о нерабочих блоках для добавления их в чёрный список.

- Сжатие данных (Sandforce контроллеры например).

Все контроллеры памяти нацелены на параллельно подключенную NAND память. Так как шина памяти одного чипа очень мала (максимум 16 бит), используются шины многих чипов подключенных параллельно (аналогия RAID 0). К тому же, отдельно взятый чип отнюдь не обладает отличными характеристиками, а наоборот. Например, высокую задержку ввода - вывода. Когда чипы памяти параллельно объединены, эти задержки скрываются, распределяясь между ними. Да и шина растёт пропорционально каждому добавленному чипу, вплоть до максимальной пропускной способности контроллера.



10. Гибридный SSD HDD

Теперь давайте рассмотрим гибридный SSD HDD. Что это за устройство и для чего предназначено? С каждым годом твердотельные накопители набирают все большую популярность. Технологии не стоят на месте, и стандартные винчестеры постепенно вытесняют более технологичные системы. SDD - диски присутствуют во многих компьютерах, но используются в качестве не основного хранилища информации, а дополнительного. А все потому, что их стоимость значительно выше по сравнению c обычными жесткими дисками. Чтобы компенсировать этот разрыв между двумя видами накопителей, был создан гибрид HDD SSD. Что это за устройство и какие у него преимущества, попробуем рассмотреть более подробно.

В основе гибридного накопителя находится все тот же HDD без каких-либо изменений. Но в корпус этих накопителей устанавливаются еще чипы с флэш-памятью, которая используется в качестве буферной зоны. На нее копируется та информация, которая наиболее часто используется. Это позволило увеличить скорость загрузки некоторых приложений и самой операционной системы, если сравнивать с обычными жесткими дисками. Максимальный объем flash - памяти в таких гибридных SSD - 8ГБ. Что это дало в результате? На деле имеем что-то среднее между винчестером и небольшим твердотельным накопителем. В буферную память нельзя загрузить данные или установить приложения. Она используется в качестве резерва для запуска приоритетных программ, которые пользователь не может контролировать самостоятельно. Что касается цены, то стоимость гибридных накопителей ниже стандартных SSD, но выше, чем HDD, к тому же они не очень популярны в нашей стране, поэтому продаются не везде.



11. Основные характеристики SSD

Емкость - показатель, определяющий количество данных, которые на

нем можно хранить. Сегодня существуют жесткие диски емкостью более 4000 ГБ. Максимальные показатели SSD более низкие. Нужно учитывать, что при маркировке емкости запоминающих устройств, производители используют величины, кратные не 1024 (как обычно принято), а 1000. То есть винчестер, емкость которого согласно маркировки равна, например, 500 ГБ, на самом деле сможет хранить не более 465 ГБ информации.

Интерфейс - совокупность линий связи, которыми запоминающее

устройство подсоединяется к материнской плате компьютера. Каждый тип интерфейса имеет свои особенности и скорость передачи данных. Наиболее распространенным на данный момент является интерфейс SATA. Более старый PATA пока также встречается часто.

Форм - фактор, а иначе говоря физический размер запоминающего

устройства, измеряется в дюймах. Классический жесткий диск имеет форм-фактор 3,5 дюйма. В ноутбуках, нетбуках и других портативных устройствах чаще всего используются запоминающие устройства 2,5 либо 1,8 дюйма, хотя встречаются и другие варианты.

Объём буфера -- специальной внутренней быстрой памяти диска,

используемой для временного хранения данных с целью сглаживания перебоев при чтении и записи информации на носитель и ее передачи по интерфейсу. В современных запоминающих устройствах буфер может достигать размеров до 64 МБ. Чем этот показатель больше, тем лучше.

Это основные характеристики жестких дисков и SSD, которые нужно

учитывать при их выборе. Иногда говорят также о количестве операций ввода-вывода в секунду, уровне потребления электроэнергии, ударостойкости, скорости передачи информации и др.



12. Преимущества SSD

Самым главным преимуществом SSD является невероятная скорость чтения и записи информации. Они в несколько раз производительней жестких дисков. Например, скорость обработки данных некоторых накопителей превышает 500 Мб/с. На практике это дает более быструю работу программ и самой операционной системы, которая загружается в считанные секунды. Это очень важно, ведь нынешнее поколение компьютеров имеет высокую производительность, которую сильно замедляют HDD. Но с появлением новых накопителей их скорость значительно повысилась.

Следующим плюсом SSD - устройств можно назвать их более высокую устойчивость к воздействию внешних факторов. Они не имеют такого хрупкого механизма, как у винчестеров. Благодаря этому они легко переносят тряску, вибрации и умеренные удары по корпусу. Данные устройства станут отличным решением для ноутбуков. К тому же они лучше справляются с перепадами температур.

Еще одним достоинством SSD является бесшумность и невысокое энергопотребление. Из-за того что в жестких дисках имеются движущиеся механические элементы, они издают определенный уровень шума. Кроме того, в рабочем состоянии HDD имеют достаточно высокую температуру, поэтому кулерам приходится вращаться в ускоренном режиме. Но всех этих проблем лишены SSD, которые не нагреваются, не шумят и потребляют меньше электричества.



13. Недостатки SSD

Первый из них - большая стоимость подобных накопителей. Несмотря на простоту своей конструкции, изготовление чипов flash - памяти и контроллеров - достаточно затратное дело. Но не надо огорчаться по этому поводу, ведь технологии постоянно развиваются, и постепенно цена на эти товары понижается. Через пару лет они вполне могут сравняться в цене с HDD.

Из - за высокой стоимости твердотельные накопители имеют меньшую емкость, чем жесткие диски. Например, объем памяти некоторых HDD составляет 8 Тб, в то время как SDD дошли только до 1 Тб.

Память твердотельных накопителей недолговечна, и после истечения определенного количества циклов перезаписи она выходит из строя. Хоть нынешнее поколение этих устройств имеет достаточно большой строк службы, но надо быть готовым к тому, что однажды накопитель перестанет работать, а восстановить информацию будет проблематично.

SSD достаточно плохо переносит скачки электричества. Если после одного из таких перепадов напряжения он сгорит, то добыть данные будет невозможно. В случае с HDD - диском в нем выйдет из строя определенный сектор, а большая часть останется целой, благодаря чему можно извлечь всю неповрежденную информацию.



14. Литература

http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:SSD_-_Твердотельный_накопитель

https://ru.wikipedia.org/wiki/Твердотельный_накопитель

https://studfiles.net/preview/4000100/page:5/

Размещено на Allbest.ru

...