Архитектура и функционирование
Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти NAND SSD, появились относительно недавно, во второй половине 90-х годов прошлого века, но начали уверенное завоевание рынка в связи с прогрессом в микроэлектронике и улучшением основных характеристик, в том числе стоимости за гигабайт. До середины 2000-х годов уступали традиционным накопителям — жёстким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью доступа к произвольным блокам информации (скорость поиска, скорость начального позиционирования). С 2012 года уже выпускаются твердотельные накопители со скоростями чтения и записи, во много раз превосходящими возможности жёстких дисков . Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.
Сравнение: компоненты разобранного HDD (слева) и разобранный SSD (справа). Оба с интерфейсом IDE
- SLC (Single Level Cell), один бит на ячейку;
- MLC (Multi Level Cell) — два бита;
- TLC (Triple Level Cell) — три бита.
TLC обеспечивает наибольшую плотность хранения данных (втрое выше, чем планарная SLC), но имеет наименьший срок службы и меньшую надёжность, которые компенсируются производителями за счёт усложнения обработки данных.
Дальнейшее развитие технологии NAND — 3D TLC, в которой ячейки TLC размещены на кристалле в несколько слоёв. Например, Samsung SSD 850 EVO использует 3D-память с 32 слоями 3-битных ячеек TLC. Производитель обещает для них надёжность на уровне устройств с планарными двухбитовыми MLC.
С 2017 года нашло распространение и QLC (Quad Level Cell) — четыре бита.
RAM SSD
Эти накопители построены на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера) наподобие RAM drive и характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость за единицу объёма. Используются в основном для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и/или оперативного копирования. Примерами таких накопителей являются I-RAM и серия HyperDrive (последние известны в Европе как ACARD ANS-9010 и 9010BA).
Пользователи, обладающие достаточным объёмом оперативной памяти, могут организовывать имитацию подобных устройств за счёт технологии (RAM drive), например, для оценки быстродействия виртуальных машин.
Другие
В 2015 году компании Intel и Micron заявили о выходе новой энергонезависимой памяти 3D XPoint. Intel планировала выпустить SSD-накопители на основе 3D XPoint с использованием интерфейса PCI Express в 2016 году, которые были бы быстрее и выносливее, чем накопители на основе NAND. В марте 2017 года Intel выпустила первый SSD-накопитель с использованием технологии 3D XPoint — Intel Optane P4800X.
MLC, TLC или QLC — что лучше для SSD? (а также о V-NAND, 3D NAND и SLC)
Выбирая твердотельный накопитель SSD для домашнего использования, вы можете столкнуться с такой характеристикой как используемый тип памяти и задаться вопросом о том, что лучше — MLC или TLC (также вам могут встретиться и другие варианты обозначения типа памяти, например, V-NAND или 3D NAND). Также совсем недавно появились привлекательные по цене накопители с QLC памятью.
В этом обзоре для начинающих пользователей подробно о типах флэш-памяти, используемой в SSD, об их преимуществах и недостатках и о том, какой из вариантов может оказаться более предпочтительным при покупке твердотельного накопителя. Также может быть полезно: Настройка SSD для Windows 10, Как перенести Windows 10 с HDD на SSD, Как узнать скорость SSD.
Типы флэш памяти, используемой в SSD для домашнего использования
В SSD используется флэш-память, представляющая собой специальным образом организованные ячейки памяти на базе полупроводников, которые могут отличаться по типу.
В общих чертах флэш память, используемая в SSD может делиться на следующие типы.
- По принципу чтения-записи практически все имеющиеся в продаже потребительские SSD имеют тип NAND.
- По технологии хранения информации память разделяется на SLC (Single-level Cell) и MLC (Multi-level Cell). В первом случае ячейка может хранить один бит информации, во втором — более одного бита. При этом, в SSD для домашнего использования вы не встретите SLC память, только MLC.
В свою очередь, TLC тоже относится к типу MLC, отличие заключается в том, что вместо 2 бит информации может хранить 3 бита информации в ячейке памяти (вместо TLC вы можете встретить обозначение 3-bit MLC или MLC-3). То есть TLC является подвидом MLC памяти.
Что лучше — MLC или TLC
В общем случае, память MLC имеет преимущества над TLC, основные из которых:
- Более высокую скорость работы.
- Более продолжительный срок службы.
- Меньшее энергопотребление.
Недостаток — более высокая цена MLC по сравнению с TLC.
Однако следует иметь в виду, что речь идёт именно об «общем случае», в реальных устройствах, представленных в продаже вы можете увидеть:
- Равную скорость работы (при прочих равных параметрах) для SSD с памятью TLC и MLC, подключаемых по интерфейсу SATA-3. Более того, отдельные накопители на базе памяти TLC с интерфейсом PCI-E NVMe иногда могут быть быстрее сходных по цене накопителей с памятью PCI-E MLC (однако, если говорить о «топовых», самых дорогих и быстрых SSD, в них всё-таки обычно используется память MLC, но тоже не всегда).
- Большие гарантийные сроки службы (TBW) для памяти TLC одного производителя (или одной линейки накопителей) по сравнению с памятью MLC другого производителя (или другой линейки SSD).
- Аналогично с энергопотреблением — например, накопитель SATA-3 с памятью TLC может потреблять в десять раз меньше энергии, чем накопитель PCI-E с памятью MLC. Более того, для одного типа памяти и одного интерфейса подключения разница в электропотреблении также очень сильно отличается в зависимости от конкретного накопителя.
И это не все параметры: скорость, срок службы и энергопотребление будут также отличаться от «поколения» накопителя (более новые, как правило, более совершенны: в настоящее время SSD продолжают развиваться и совершенствоваться), его общего объема и количества свободного места при использовании и даже температурного режима при использовании (для быстрых NVMe накопителей).
В итоге, строгий и точный вердикт о том, что MLC лучше TLC вынести нельзя — например, приобретя более емкий и новый SSD с TLC и лучшим набором характеристик, вы можете выиграть по всем параметрам по сравнению с приобретением накопителя с MLC по аналогичной цене, т.е. следует учитывать все параметры, а начинать анализ с доступного бюджета на покупку (например, если говорить при бюджете до 10000 рублей, обычно накопители с TLC памятью будут предпочтительнее MLC как для SATA, так и для PCI-E устройств).
Накопители SSD с памятью QLC
С конца прошлого года в продаже появились твердотельные накопители с памятью QLC (quad-level cell, т.е. 4 бита в одной ячейке памяти), и, вероятно, в 2019 году таких дисков будет всё больше, а их стоимость обещает быть привлекательной.
Конечные продукты характеризуются следующими плюсами и минусами по сравнению с MLC/TLC:
- Меньшая стоимость за гигабайт
- Большая подверженность памяти износу и, теоретически, большая вероятность ошибок при записи данных
- Меньшая скорость записи данных
Говорить о конкретных цифрах пока сложно, но, некоторые примеры из уже доступных в продаже можно изучить: например, если взять примерно аналогичные накопители M.2 SSD объемом 512 Гб от Intel на базе памяти QLC 3D NAND и TLC 3D NAND, изучить заявленные производителем характеристики, увидим:
- 6-7 тыс. рублей против 10-11 тыс. рублей. А за стоимость 512 Гб TLC вы можете приобрести 1024 Гб QLC.
- Заявленный объем записываемых данных (TBW) — 100 Тб против 288 Тб.
- Скорость записи/чтения — 1000/1500 против 1625/3230 Мб/c.
С одной стороны, минусы могут перевесить плюсы от стоимости. С другой, можно учесть такие моменты: для SATA дисков (если у вас доступен лишь такой интерфейс) разницы в скорости вы не заметите и по сравнению с HDD прирост скорости будет очень значительным, а параметр TBW для QLC SSD на 1024 Гб (который в моем примере стоит столько же как TLC SSD на 512 Гб) уже 200 Тб (более объемные твердотельные накопители «живут» дольше, что связано с тем, как ведется запись на них).
Память V-NAND, 3D NAND, 3D TLC и т.п.
В описаниях SSD накопителей (особенно если речь о Samsung и Intel) в магазинах и обзорах вы можете встретить обозначения V-NAND, 3D-NAND и аналогичные для типов памяти.
Такое обозначение говорит о том, что ячейки флеш-памяти размещены на чипах в несколько слоев (в простых чипах ячейки размещены в одном слое, подробнее — на Википедии), при этом это та же память TLC или MLC, только не везде это обозначается явно: например, для SSD от Samsung вы увидите только то, что используется V-NAND память, однако информация о том, что в линейке EVO применена V-NAND TLC, а в линейке PRO — V-NAND MLC не всегда указывается. Также уже сейчас появились накопители QLC 3D NAND.
Лучше ли 3D NAND чем «плоская» (planar) память? Она дешевле в производстве и тесты говорят о том, что на сегодняшний день для памяти TLC вариант с многослойным размещением обычно более эффективен и надежен (более того, Samsung заявляет о том, что в устройствах их производства память V-NAND TLC обладает лучшими характеристиками производительности и срока службы, чем planar MLC). Однако, для памяти MLC, в том числе в рамках устройств одного производителя это может быть не так. Т.е. опять же, всё зависит от конкретного устройства, вашего бюджета и других параметров, которые следует изучить перед покупкой SSD.
Я бы рад рекомендовать Samsung 970 Pro хотя бы на 1 Тб как неплохой вариант для домашнего компьютера или ноутбука, но обычно приобретаются более дешевые диски, для которых приходится внимательно изучать весь набор характеристик и сопоставлять их с тем, что именно требуется от накопителя.
Отсюда и отсутствие четкого ответа, а какой тип памяти лучше. Конечно, ёмкий SSD с MLC 3D NAND по набору характеристик будет выигрывать, но лишь до тех пор, пока эти характеристики рассматриваются в отрыве от цены накопителя. Если же учитывать и этот параметр, то не исключаю, что для некоторых пользователей будут предпочтительнее QLC диски, ну а «золотая середина» — память TLC. И, какой бы SSD вы не выбрали, рекомендую серьезно относиться к резервному копированию важных данных.
А вдруг и это будет интересно:
24.05.2020 в 14:14
1. По поводу последнего предложения «И, какой бы SSD вы не выбрали, рекомендую серьезно относиться к резервному копированию важных данных». Это актуально для SSD больше, чем для HDD? Ведь вторые тоже выходят из строя, и даже вроде бы как более неожиданно, чем первые. Или эта фраза становится актуальной под конец срока службы SSD?
2. Правда ли, что когда SSD отработал свой ресурс, то на него просто нельзя будет записывать информацию, но то, что есть на диске не пропадет? Или все же не все так гладко?
3. Если взять SSD на 500 гб и под диск D на хранение файлов выделить половину, допустим, и хранить там медиа, записывать туда нечасто, а в основном читать файлы, то это будет плюс минус одно и то же, чем если взять SSD под систему на 250 а на хранение файлов HDD? Одинаковый ли примерно износ SSD будет и больше ли риск потерять медиа?
Спасибо.
25.05.2020 в 10:30
Здравствуйте.
1. В целом, что для SSD что для HDD при прочих равных наблюдаемая со стороны «рядового пользователя» надежность будет почти одинаковой сегодня (иначе говоря, раньше заменит, чем столкнется с проблемами), разве что про QLC пока так сказать нельзя, они менее долговечны. Но: SSD в редких (но столкнуться теоретически можно) случаях выходят из строя внезапно без видимых предпосылок и конца срока службы. И выходы из строя бывают разными, часто делают восстановление данных почти невозможным (в отличие от HDD, где и с заевшими шпинделями и с посыпавшимися блинами мы что-то можем вытащить — т.к. данные аккуратно разложены по дорожкам, на SSD — хаос байтов, порядок в которых прослеживает/задает контроллер, иногда только вот этот конкретный, который только что вышел из строя).
2. Не всегда и не на любых SSD, к сожалению. Сейчас чаще всего поведение именно такое (опять же, при исправном контроллере), но тоже не всегда. Иногда он просто «исчезает».
3. Тут нельзя уверенно ответить про износ SSD, нужно считать исходя из количества данных (не только медиа, но и ОС, временных, прочих).
Условно: если предположить, что у вас ровно 250 Гб будут занимать ваши данные, которые всегда будут лежать на диске SSD (почти без записи), то по сути этим мы превратим диск на 500 Гб в диск на 250 Гб (при условии, что остальные характеристики SSD идентичны), причем и показатели TBW на нем тоже придут к тем же, что и на диске SSD меньшего объема — ведь перезаписывать он будет только оставшиеся в доступе ячейки памяти. И, если одну ячейку можно перезаписать N раз, то когда он поперезаписывает много ячеек по N раз в динамично используемых 250 Гб мы придем к концу срока службы, несмотря на то, что на другой части данные только читались.
А вот если таких данных будет лишь 100 Гб, то числа срока службы уже будут в пользу 500 Гб SSD накопителя.
Так или иначе, если данные действительно важны и не подлежат восстановлению (нет резервных копий в облаке, на внешних дисках и т.п.), я бы не полагался на хранение только на SSD, рискованно. Пусть риск и не велик, но когда сталкиваешься с подобным уже об этом не думаешь.
31.07.2020 в 06:36
БЫ ставим после глагола.
31.07.2020 в 10:08
Внимательно почитал, и еще в нескольких источниках. И смотрю, не все так однозначно) Есть варианты применения, где «после глагола» — не обязательно. Причем все три случая использования частицы в статье выше именно к таким вариантам и относятся:
Я бы рад рекомендовать (здесь у нас подразумевается глагол «был» после я).
хотя бы на (здесь у нас и глаголов нет, хотя бы — устойчивое).
какой бы SSD вы не выбрали (здесь у нас устойчивое «какой бы не»)
При этом я не исключаю, что где-то в других статьях я мог эту же частицу не оптимальным способом использовать, сам иногда натыкаюсь, когда перечитываю статьи. Абсолютно не уверен в своей грамотности. Стараюсь, чтобы все было гладко и правильно, но прекрасно осознаю, что не везде мне это удается.
21.08.2020 в 10:25
Здравствуйте.
Помогите, пожалуйста, разобраться.
В ноуте HP EliteBook 820 G2 есть разъем M2
под SSD формфакторов 2242 и 2260.
Удалось найти такую информацию:
(информация с сайта)
1. Правильно ли я понимаю, что в этот разъем
можно установить и SSD M2 SATA объемом
до 120 ГБ, и SSD M2 PCIe объемом до 256 ГБ?
2. Что произойдет, если я установлю SSD
M2 SATA 128 ГБ? Определится только 120 ГБ,
или вообще не определится?
3. Почему SSD формфактора 2260 невозможно
найти? Этот формфактор более предпочтителен,
чем 2242 (надежность? тепловыделение?) при
одинаковом объеме?
21.08.2020 в 15:14
Здравствуйте.
1. Насколько я понял, там речь идет о готовых конфигурациях, в которых этот ноутбук можно купить. То есть вряд ли будет такое, что диск на 512 не заведется.
2. Должно определиться. Причем я так понял, если вы найдете документ Maintenance and Service Guide для этого ноутбука, то на 23-24-й странице увидите (сам документ не видел, видел, что на него ссылаются), какие еще диски можно поставить, то есть мое первое предположение, похоже верно.
3. Думаю, их просто перестали производить/поставлять, раньше были. То есть либо полноразмерный, либо 2242, а средний — незачем (ведь можем и меньший поставить в случае чего). Что касается предпочтительности, думаю, что наблюдаемой разницы не будет и площадь/количество чипов при прочих равных будут совпадать.
22.08.2020 в 10:23
Спасибо
А насчет SATA и PCIe я верно понял, что можно установить и тот и другой?
256-GB, M.2. PCIe, solid-state drive
120-GB, SATA-3, M.2, solid-state drive
32-GB, SATA-3, M.2, solid-state drive
(остальные перечисленные в таблице SSD —
с разъемом SATA-3)
Это как раз стр. 24 Maintenance and Service Guide для этого ноутбука
на стр. 23 перечислены HDD.
SSD Firmware Development — Part 2 — NAND Basics
Before we dive straight into SSD firmware development, let’s in simple terms, define what an SSD is. An SSD is simply a digital storage device that mainly uses flash memory as the primary storage medium. The flash memory used is most predominately NAND flash. An SSD will also have a controller, which at a minimum includes one or more CPU’s, specialized hardware to work with flash memory, volatile memory (RAM), and hardware to interface with host protocols such as SATA, USB, and NVMe. Other hardware components may be available on more advanced controllers.
Figure 1 — Simple SSD architecture
NAND Flash Memory
Since NAND flash memory is the cornerstone of an SSD, an understanding of NAND flash and how they work is essential to develop firmware and understand why firmware is even necessary. NAND flash technology changes and progresses with newer innovations, but they all possess some basic characteristics and operations in which we can explore.
NOTE: We’ll first cover typical 2D NAND. With 3D NAND, things are a bit different.
NAND devices are typically organized in arrays of bit cells. With single-level cell (SLC), each cell can store 1 bit of information. The cells are arranged in rows and columns.
Figure 2 — NAND flash memory cell
In common terms, a row of memory cells is called a page. A group of pages is then arranged into a block. And in turn, multiple blocks are grouped into a die, and multiple dice into a chip, and multiple chips into a device.
Figure 3 — NAND memory block
These arrangement structures have significance in terms of their operations. These are the basic NAND flash memory operations: read, write or program, and erase. Let’s briefly go over the characteristics of these operations.
A read operation is performed on a page level. When the controller requests a read operation on the NAND device, it would specify the chip select (CE) and provide the row address. The NAND device will read an entire page from the NAND cells and typically places it in an internal memory buffer to be transferred out into the controller’s memory.
Как работает SSD, Flash-память (NAND)
SSD очень быстрое запоминающее устройство и если разобрать его, то можно увидеть что он представляет собой печатную плату, с множеством чипов Flash памяти, типа NAND, именно они хранят информацию, а рядом с ними распаиваются контроллер и dram память.
Контроллер отвечает за связь накопителя с компьютером и осуществляет операции чтения/записи, а DRAM служит как небольшой кэш и ускоряет доступ к данным.
В некоторых SSD на обратной стороне или на отдельной плате размещаются дополнительные чипы памяти и ряд ёмких конденсаторов, они позволяют безопасно выключить устройство при резком отключении питания. (Аппаратный PLP)
Другие твердотельные накопители, такие как USB-накопители и карты памяти имеют похожее строение, только в них нет DRAM, меньше чипов памяти и устанавливается менее производительный контроллер.
Чтобы более детальней понять их работу, нужно рассмотреть как работает чип Flash памяти. Разобрав его, видно что состоит он из множества кристаллов,
если подробней рассмотреть один из них, то видно что большую часть кристалла занимает массив ячеек и лишь небольшая область отводится под буфер и логику.
Если проникнуть внутрь кристалла, то видно что он имеет трёхмерную структуру, состоящую из рядов вертикально уложенных ячеек Флеш памяти,
если разобрать одну отдельную ячейку, то её строение покажется запутанным, к тому же у разных производителей, принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтения данных из ячейки.
Так что лучше представить её в виде схемы, так легче понять что ячейка представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и «плавающим». Плавающий затвор способен удерживать внутри себя электроны, тем самым делая из транзистора ячейку памяти.
Чтобы записать информацию, на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение, это позволяет электронам пройти сквозь диэлектрик и остаться на плавающем затворе.
Для удаления заряда, на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, а на исток — положительное.
Каждый такой цикл записи и стирания разрушает слой диэлектрика, так что число перезаписи на ячейку ограничено.
Считывание не приводит к этому эффекту и проверять что записано в ячейке, ноль или единица, можно сколько угодно раз для этого, на управляющий затвор подаётся напряжение и проверяется, может ли идти ток по транзистору:
Если на плавающем затворе много электронов, то ток идти не будет, значит это единица. Если их немного, то ток пойдет, значит это ноль.
(У некоторых производителей, ячейка может считываться наоборот)
Так считываются одноуровневые ячейки SLC, если же материал плавающего затвора способен захватить много электронов, а электроника способна размещать на плавающем затворе разные уровни зарядов и распознать несколько пороговых напряжений, то такая ячейка может хранить несколько бит информации. Например QLC ячейки могут хранить 4 бита информации, но для этого нужно различать 16 пороговых напряжений.
(Информация с SLC ячеек считывается и отправляется на контроллер почти без задержек. Чипы с QLC ячейками имеют внутреннею задержку в связи с необходимостью формирования специального сигнала для каждой ячейки и распознавания его)
Ко всему этому, чтобы уместить на кристалл как можно больше ячеек, их группируют соединяя последовательно и с обоих сторон подключают обычные транзисторы, принципиальная схема массива выглядит примерно так,
но в самом кристалле, массив имеет трёхмерную структуру. Ячейки, находящиеся на одной разрядной линии, образуют страницу размером в 4 килобайта, это минимальная область с которой можно считать или записать данные.
Множество страниц формируют блок, размером 512 килобайт, это минимальная область которая может быть стёрта. То есть, если нужно переписать информацию всего лишь одной страницы, придётся стирать данные аж с целого блока и потом снова записывать.
Такие ограничения существует из-за архитектуры nand памяти, а так как таких блоков очень много, всеми операциями чтения записи руководит контроллер, он управляет структурой размещения данных и контролирует состояние ячеек, распределяя данные так чтобы одни ячейки не использовались чаще других, тем самым увеличивая срок службы накопителя.
Если посмотреть на блок схему типичного контроллера, то видно что он состоит из 32 битного RISC процессора который выполняет инструкции микропрограммы и может иметь до 4 ядер. Так же есть DDR-контроллер отвечающий за работу с внешним DRAM-буфером, есть блок ecc, отвечающий за обнаружение и коррекцию ошибок, есть блоки интерфейсов отвечающие за обмен данными с чипами памяти и внешними интерфейсами и есть блоки отвечающие за шифрование и другие функции, которые могут меняться в зависимости от необходимого функционала.
Помимо контроллера, на скорость накопителя влияет интерфейс подключения. Существует множество форм-факторов SSD с разными интефейсами подключения и разной скоростью, но чаще всего в обычных компьютерах используются 2,5-дюймовые SSD или формата M.2.
2,5-дюймовые SSD имеют интерфейс SATA, третьего поколения, такой интерфейс обеспечивает пропускную способность до 600 Мбайт/с. Накопители mSATA (mini-SATA) имеют такой же интерфейс.
В SSD M.2 используется один из двух интерфейсов: SATA3 или PCIe. В зависимости от количества выделенных линий и версии PCIe скорость может отличаться. Например PCI-E третей версии и с четырьмя выделенными линиями имеет пропускную способность до 4ГБ/с.
Так же такие накопители имеют несколько вариантов ключей. Есть накопители с B, M и B+M коннекторами.
В SSD M.2 используется один из двух интерфейсов: SATA3 или PCIe. В зависимости от количества выделенных линий и версии PCIe скорость может отличаться. Например PCI-E третей версии и с четырьмя выделенными линиями имеет пропускную способность до 4ГБ/с.
Так же есть SSD в виде платы расширения которые подключаются напрямую в PCI-Express слот материнской платы. Некоторые модели таких накопителей могут использовать 8 и даже 16 линий слота PCIe, что даёт пропускную способность выше 6ГБ/с.
Кроме этого есть ещё много разных форм факторов, например U2, U3, NF1, и другие (EDSFF, 1.8 дюймовые), но ничем серьёзным, кроме размеров и коннекторов они не отличаются, да и используются они в основном в серверах и рабочих станциях.
Так же, хочется сказать что существует ещё один вид SSD накопителей, в которых вместо чипов Flash памяти используются чипы с технологией 3D crosspoint, в них в качестве ячеек не используются транзисторы с плавающим затвором и такие накопители быстрей обычных, но к сожалению у меня мало информации про эту технологию, так что на этом у меня всё.