Как работает SSD?

При планировании этой статьи в памяти всплыл не слишком веселый, но достаточно поучительный случай. Одна моя знакомая в спешке вытащила из USB-разъема недавно приобретенный внешний винчестер, головки чтения не успели запарковаться и повредили хрупкую поверхность магнитного диска. В результате диск перестал определяться системой, а чинить его в сервисном центре отказались, мотивируя это тем, что ремонту носитель не подлежит. В итоге барышне пришлось раскошелиться на сумму порядка 4 тыс. грн для восстановления данных, а также приобрести новый внешний винчестер.

Наверняка, с подобными ситуациями поломок винчестеров сталкивались многие пользователи. К сожалению, несмотря на развитие технологий, жесткие диски до сих пор остаются весьма хрупкими средствами для хранения данных. В отличие от привычных магнитных жестких дисков, SSD-накопители не имеют движимых частей и теоретически более надежны. Так ли это на самом деле и какие еще преимущества новая технология несет пользователям, мы и расскажем в этой статье.

По сути, SSD (Solid State Drive) — это полупроводниковый накопитель, состоящий из микросхем памяти и контроллера (подобно флеш-памяти). Существуют два вида SSD-накопителей — основанные на использовании энергозависимой памяти (RAM SSD) и энергонезависимой (NAND или Flash SSD). Первые характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации и используются в основном для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость. Вторые же имеют гораздо более низкую стоимость (от $2 за ГБ) и характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением, и именно они являются наиболее перспективной разработкой.

Существует две технологии, которые применяются для производства NAND SSD — SLC и MLC. SLC (Single Level Cell) — технология, при которой данные хранятся в одноуровневых ячейках памяти; это означает, что каждая ячейка используется для хранения одного бита данных. В свою очередь MLC (Multi Layer Cell) позволяет хранить в ячейке 4 бита данных. Понятно, что на основе MLC можно создавать более вместительные SSD-диски. Но при этом они проигрывают в скорости чтения/записи по сравнению с технологией SLC (приблизительно в 2/4 раза). Поэтому, как и во многих других областях, пользователям предстоит делать выбор между скоростью и вместительностью. Также будет различаться и цена, так как MLC-микросхемы стоят более чем в два раза дешевле SLC-микросхем одинаковой вместительности. Справедливости ради стоит отметить, что MLC SSD также уступают SLC и в продолжительности жизни — количество циклов перезаписи ячеек у «мультиселлов» меньше примерно в десять раз.

Первое и самое очевидное преимущество SSD перед привычными жесткими дисками заключается в его монолитности. Если HDD-винчестеры имеют движущиеся части (вращающиеся на скорости в 7200 оборотов магнитные «блины» и головки записи/чтения), то в SSD их нет. Что, в свою очередь, гарантирует более высокую надежность последних — ведь чем меньше движущихся деталей, тем надежнее устройство. Кстати, отсутствие движущихся частей гарантирует полную бесшумность флеш-дисков.

К чертям дефрагментацию!

Помимо очевидных, SSD имеет также ряд других преимуществ. В частности, стоит отметить выгодность использования таких дисков в мобильных устройствах. По сравнению с классическими винчестерами, твердотельные накопители имеют в 2—3 раза меньший вес. Но что наиболее важно, SSD-диски имеют на порядок меньшее энергопотребление, что хоть и не слишком существенно (все-таки накопитель «съедает» не самую большую часть от суммарного потребления девайса), но все же повышает время автономной работы устройств. А наличие стандартных интерфейсов (ATA и Serial ATA) позволяет использовать такие накопители как в новых, так и в старых моделях ноутбуков и другой портативной техники.

Кроме чисто физических плюсов, вроде тишины и надежности, у SSD-накопителей есть свои преимущества при передаче данных. Например, огромный прирост производительности при одновременном чтении множества файлов.

Это особенно актуально в корпоративных окружениях, где важны высокие показатели по числу операций ввода/вывода в секунду.

Что же касается скорости чтения/записи информации, то и здесь SSD-диски выигрывают у традиционных HDD. Как уже отмечалось выше, твердотельные накопители работают на совершенно одинаковых физических элементах — ячейках памяти. При считывании файла, занимающего несколько блоков, весь процесс фактически занимает время, требуемое для доступа к одному блоку, поскольку SSD может работать параллельно с несколькими ячейками памяти. Магнитная головка обычного диска будет последовательно проходить блоки и читать с них информацию. Скорость от таких метаний достаточно сильно падает, ведь HDD тратит в среднем 12—13 мс на позицирование головки и докрутку диска до нужного места. У SSD же на весь процесс уходит около 0,01 мс.

Немного об SSD и Windows

Как это обычно и происходит, в большой бочке меда невозможно без ложки дегтя. Хотя преимуществ у SSD несколько больше, нежели недостатков, последние все же имеются, и они весьма существенны. Серьезной проблемой является жизненный цикл твердотельных накопителей. Так, время жизни ячейки в среднем составляет около 10 тыс. перезаписей (хотя некоторые производители заявляют о большем числе). Отсюда, кстати, выплывает один нюанс, касающийся записи информации на носители. При записи данных на обычный жесткий диск файлы просто пишутся поверх в свободное место безо всяких предварительных действий. С SSD ситуация несколько иная: чтобы записать какие-то данные в ячейки, необходимо сначала стереть то, что в них находится. При заполнении 50—60 % емкости носителя особых проблем не возникает, а вот в дальнейшем приходится прибегать к вынужденной процедуре стирания блоков, что приводит к износу ячеек памяти. В современных SSD-накопителях за эти процессы отвечает контроллер, который заботится о равномерном распределении данных по всему носителю. В результате получается, что отдельные ячейки не «убиваются» раньше других, но происходит более медленный износ всего носителя.

Второй серьезный недостаток, который и является определяющим для конечного пользователя — высокая цена SSD-накопителей. Так, например, носитель объемом 4 ГБ обойдется в $120—170. Нужно также учитывать, что цена на SSD-диски растет прямо пропорционально их объему. В то же время при увеличении объема HDD-винчестеров соотношение стоимости за гигабайт объема существенно снижается.

Конечно, прогнозы многих специалистов на протяжении нескольких последних лет сходились на том, что в этом году себестоимость производства флеш-памяти типа NAND существенно снизится, что приведет к снижению цены на накопители — порой озвучиваются цифры вплоть до «доллара за гигабайт». Однако, судя по всему, говорить о таком снижении цены пока что явно преждевременно.

Вполне очевидно, что на данный момент SSD-накопители вряд ли могут считаться полноценной заменой «классическим» винчестерам, не говоря уже о том, что в пользовательских настольных системах такое решение и вовсе пока не является рациональным. Вместе с тем, уже сейчас они используются в топовых ноутбуках, а также некоторых других портативных устройствах. Также очень интересными выглядят гибридные системы хранения данных, когда быстрый SSD комбинируется с емким жестким диском. В таких накопителях массив энергонезависимой флеш-памяти используется в качестве промежуточного звена между ОЗУ и магнитным винчестером, входящим в «гибрид». Гибридные накопители демонстрируют повышенное быстродействие при определенных типах операций чтения/записи, позволяют ускорить процесс первоначальной загрузки и уменьшить энергопотребление.

И все же есть все предпосылки, что уже в ближайшие годы твердотельные накопители займут свою нишу на рынке. Понятно, что сперва новые накопители приживутся в UMPC и ноутбуках. А там, глядишь, и до десктопов доберутся — но это наверняка произойдет еще нескоро.