SSD (Solid State Drive), или твердотельный накопитель

Определение и история SSD

SSD (Solid State Drive) или твердотельный накопитель - устройство для постоянного хранения данных с использованием твердотельной (обычно - флэш) памяти. SSD логически эмулирует обычный жёсткий диск (HDD) и теоретически везде может применяться вместо него. SSD, использующие динамическую память (DRAM), а не флэш-память, часто называются RAM-drive и имеют ограниченное применение, например, в качестве выделенного диска для файла подкачки ОС.

Оригинальный термин "твердотельный", пришедший из физики твёрдого тела, подразумевал использование полупроводниковых устройств вместо электронно-лучевых ламп, но в настоящее время он применяется также для того, чтобы отличать целиком полупроводниковые устройства от электромеханических, которыми являются "обычные" жёсткие диски.

Первые твердотельные накопители, использующие флэш-память, появились в 1995 году и изначально были ориентированы на применение в военной и аэрокосмической технике, где исключительно высокая стоимость подобных устройств в расчёте единицу объема хранимых данных компенсировалась высокой надёжностью и уникальной способностью функционировать в условиях экстремальных температур, вибраций и перегрузок.

По сравнению с традиционными накопителями на жестких магнитных дисках, SSD имеют преимущества в виде огромной производительности, но имеются и недостатки. Сравнение основных пользовательских характеристик этих классов устройств, мы собрали в таблицу, указав в ней лучшие значения по тому или иному параметру за все время тестирования SSD накопителей. Каждый из параметров относится к разным устройствам.

Оптимальный выбор по соотношению цена/производительность:

*результат самого быстрого устройства за всю историю тестирования в НИКС на момент написания статьи

Все современные SSD накопители различаются по производительности, объему, интерфейсу и, конечно же, по области применения. На производительность твердотельных накопителей в первую очередь влияет контроллер, на базе которого построен SSD. На данный момент наиболее производительными являются следующие контроллеры (отсортированы в порядке уменьшения производительности согласно результатам тестирования НИКС):

• OCZ Barefoot 3 M00
• Marvell 88SS9189
• OCZ Barefoot 3 M10
• Toshiba TC58NC5HA9
• Marvell 88SS9187
• Toshiba TC358790XBG
• Samsung MDX
• Marvell 88SS9188
• Intel PC29AS21CA0
• Marvell 88SS9183
• SiliconMotion SM2246
• SandForce SF-2281

Долгое время ограничивающим фактором на повсеместное использование SSD, в том числе в серверах с огромной нагрузкой на дисковую подсистему являлся ресурс чипов памяти, которые при серьезной нагрузке, а именно операциях записи/стирания, относительно быстро приходили в негодность. Сейчас такой проблемы практически нет, при условии, что выбираются накопители соответствующие задачам, которые будут на них возложены.

Для SSD в настоящее время применяются четыре типа NAND-Flash памяти:

1. SLC (Single Level Cell)

Наибольшим ресурсом обладают чипы SLC, однако они довольно ограниченны по применению из-за высокой цены за гигабайт хранимой информации.

2. eMLC (Enterprise Multi Level Cell)

Для использования в серверных системах рекомендуются накопители построенные на базе eMLC чипов, имеющих ресурс не сильно меньше SLC, но при этом цена конечных устройств и их объем не сильно отличаются от SSD накопителей для дома.

3. MLC (Multi Level Cell)
4. TLC (Three Level Cel), отличающиеся плотностью хранения информации и ресурсом Program/Erase.

Накопители на MLC и TLC чипах предназначены для домашнего использования, но и они позволяют записывать до 40-50 Гб каждый день в течение 5 лет, что, согласитесь, является довольно большим объемом. Подробнее о типах NAND-Flash памяти можно прочитать тут.

Немаловажную роль в надежности SSD накопителей играют различные вспомогательные технологии, благодаря которым износ ячеек памяти происходит равномерно, поэтому накопители работают значительно дольше. Прочитать об этих технологиях вы можете в соответствующих статьях: RAIN, Over-Provisioning, Write Amplification Factor, Digital Signal Processing и Adaptive Endurance Code.

Помимо типа контроллера ещё одним чрезвычайно значимым для быстродействия SSD критерием является тип интерфейса между контроллером и микросхемами NAND Flash, подробнее этот аспект внутреннего устройства SSD освещён в отдельной статье Типы интерфейса NAND-флэш памяти в SSD.

Статистические данные

Твердотельные накопители (SSD) действительно очень быстро совершенствуются. Для тех кто все еще не верит в то, что SSD в ближайшем времени сможет стать основным типом накопителей для компьютеров и мобильных компьютерных систем (ноутбуков, планшетов и т.п.), предлагаем ознакомимся с некоторыми статистическими данными, подготовленными департаментом маркетинговых исследований Компьютерного Супермаркета НИКС.

График демонстрирует стабильное снижение цены на SSD-накопители, начиная с 2009 года и заканчивая сегодняшним днем. Исключением являются накопители объемом 512 Гб, так как впервые в нашем ассортименте они появились в 2010 году, он него и пойдет отсчет. Естественно, использовался общепринятый показатель - цена за гигабайт. В каждом году было найдено по три максимально дешевых SSD разной емкости и вычислена цена за каждый гигабайт объема этих накопителей. Вот что получилось:

Обратите внимание, что цены на SSD неуклонно снижаются, причем за последние годы динамика снижения цены стала значительно ниже. Это связано с тем, что все риски на брак обычно закладываются в стоимость устройств, а с развитием технологий производства, и, соответственно, уменьшением процента брака цена изделия снижается.

Применение SSD накопителей

Повсеместное применение SSD накопителей в современных условиях происходит по нескольким причинам. Во-первых, цены на современные SSD стали гораздо ниже, по сравнению с первыми серийными SSD. Во-вторых, твердотельные накопители выпускаются во всех форм-факторах, присущих жестким дискам. В третьих, любой HDD можно заменить на SSD - необходимо только, чтобы совпадал интерфейс подключения накопителя. И, кстати, для пользователя, при замене HDD на SSD, абсолютно ничего не меняется, то есть такие манипуляции как форматирование, деление на разделы, установку и переустановку операционной системы можно проводить точно также, как обычно это делалось с использованием жесткого диска. Последняя причина, пожалуй, является самым важным условием быстрого внедрения SSD на рынок компьютерной техники.

В настольных компьютерах SSD применяют в качестве накопителя для операционной системы и критичных к скорости работы накопителя приложений, а дополнительный жесткий диск большого объема используют в качестве хранилища. Такая схема позволяет создать недорогую, но быструю дисковую подсистему.

В некоторых ноутбуках применяется такая же схема, однако все чаще можно встретить модели ноутбуков, где используется только SSD накопитель. Кстати владельцы ноутбуков могут легко поменять HDD ноутбука на любой 2.5″ SSD для увеличения общей скорости работы ноутбука. Для этой цели некоторые производители выпускают наборы из SSD и коробочек или кабелей для возможности подключения жесткого диска из ноутбука к любому компьютеру по шине USB.

Поскольку самым распространенным для SSD является форм-фактор 2.5″, а соответствующие отсеки в системных блоках чаще всего отсутствуют, многие производители включают в комплект поставки своих SSD переходник 2.5″ → 3.5″. Для тех 2.5″ SSD, которые не имеют переходника в комплекте, всегда можно приобрести адаптер 2.5″ → 3.5″ стороннего производителя.

Отличным показателем скорости работы современных SSD можно считать 450 - 550 Мб/с на чтение и запись, что соответствует верхнему порогу пропускной способности интерфейса SATA 6 Gb/s. Такую скорость сегодня способны обеспечить достаточно большое количество современных твердотельных накопителей, при этом цена этого класса накопителей продолжает снижаться. Именно в этом сегменте находятся накопители, являющиеся идеальными или близкими к идеальному решениями с точки зрения соотношения цена/производительность.

SSD с более низкими скоростными показателями, а значит с устаревшими контроллерами и интерфейсом SATA II, все еще популярны благодаря сравнительно невысокой цене. При этом они все еще быстрее любого HDD для настольных ПК, и поэтому тоже имеют право на существование.

Максимальным быстродействием для SSD с интерфейсом SATA 6 Gb/s сегодня обладают сразу несколько серий SSD:

Такие SSD способны обеспечить непревзойденную производительность вашему компьютеру или ноутбуку. Самым быстрым из указанных выше твердотельных накопителей является SSD OCZ Vector 150. Несмотря на сравнительно скромные заявленные скорости на чтение и запись, SSD данной серии оказались лучшими по результатам независимого тестирования в лаборатории Компьютерного Супермаркета НИКС.

С реальными показателями производительности того или иного SSD вы можете ознакомиться в постоянно обновляемой сводной таблице "Тестирование быстродействия SSD", составленной по результатам независимого тестирования SSD-накопителей, проводящегося в Компьютерном Супермаркете НИКС.

Существуют также SSD, выполненные в форм-факторе PC Card, подключаемые к компьютеру по интерфейсу PCIe. Такие устройства изначально являлись набором из RAID контроллера и нескольких SSD, объединенных в массив, с той лишь разницей, что все это уместилось на PCB самого контроллера. Сейсас же все большую популярность набирают PCI-E SSD поддерживающие логический протокол передачи данных NVM Express, созданный специально для подобного класса устройств. По понятным причинам, такие SSD являются самыми быстрыми среди всех твердотельных накопителей. Отдельно следует сказать о популярной некогда серии SSD OCZ IBIS, представлявшей собой 3.5″ накопители с интерфейсом HSDL – нестандартным интерфейсом разработанным компанией OCZ. Для подключения к компьютеру используется входящий в комплект поставки адаптер HSDLаPCIe.

SSD накопители заняли не только быстрорастущую часть рынка жестких дисков, но также применяются в качестве внешних накопителей, т.е. используются как внешние жесткие диски или флешки. Такому развитию событий способствовало повсеместное распространение интерфейса USB 3.0, пропускная способность которого выросла почти в 10 раз по сравнению с USB 2.0 и стала достаточной для использования быстрых SSD накопителей. Так же начали появляться накопители с новейшим интерфейсом Thunderbolt, которые быстрее USB 3.0 почти в 2 раза. Кстати, создать SSD с интерфейсом USB 3.0 самостоятельно очень легко - для этого потребуется любой 2.5" SSD с SATA-интерфейсом и внешний бокс для 2.5" накопителей. Однако следует понимать, что в 99% внешних боксов используются конвертеры SATA 3Gb/s -> USB 3.0, а не SATA 6Gb/s -> USB 3.0, поэтому при установке быстрого SSD с интерфейсом SATA 6 Gb/s скорость будет ограничена пропускной способностью интерфейса SATA 3Gb/s, то есть, приблизительно, до 250 МБ/с.

В серверостроении традиционно применялись дорогостоящие SSD накопители на основе SLC чипов памяти, ввиду их большей надежности и долговечности, являющихся важными факторами для серверов. Сегодня MLC чипы памяти ни в чем не уступают SLC чипам, поэтому даже серверные SSD сегодня производятся с применением данного типа чипов памяти. В целях экономии, а также благодаря таким технологиям, как MaxIQ (Adaptec) и Cash Cade (LSI), реализованных в RAID контроллерах некоторых производителей, SSD можно использовать в качестве кэш памяти массива из сравнительно дешевых и емких HDD. Также контроллеры компании Adaptec предлагают возможность создания специфического RAID массива, под названием HybridRAID, позволяя тем самым создавать массив уровня RAID1 или RAID10 из одного или нескольких SSD и соответствующего количества HDD. При этом скорость чтения при работе с таким массивом будет равна скорости чтения SSD, а скорость записи – скорости записи жесткого диска.

Из тех же соображений (в целях экономии) в современных настольных компьютерах также применяются технологии совместного использования HDD и SSD. Одной из таких технологий является Intel Smart Response, реализованная во всех материнских платах с чипсетом Intel 6, 7, 8, и девятой серии с поддержкой RAID. Для реализации технологии Intel Smart Response подойдут SSD, выполненные в форм-факторе mSATA, если материнская плата оснащена соответствующим портом mSATA. Эта технология позволит использовать SSD в качестве кэш-памяти винчестера, что существенно повысит скорость работы дисковой подсистемы. В материнских платах с вышеуказанными чипсетами, не оснащенных разъемом mSATA, можно использовать любой другой SSD с интерфейсом SATA, что со временем еще больше популяризирует эту технологию.

Преимущества и недостатки

Преимущества SSD над HDD.

• Более быстрый запуск от включения до перехода в рабочее состояние, поскольку не требуется раскрутка шпинделя.
• Очень быстрый случайный доступ к данным (особенно для чтения), из-за отсутствия необходимости перемещать блок головок, и, вследствие этого, более быстрые загрузка системы и запуск приложений, поскольку лимитирующим фактором времени выполнения этих операций, как правило, является время поиска данных на диске.
• Отсутствие шума, хотя большие промышленные SSD могут иметь внутренние вентиляторы для охлаждения.
• Более низкое энегопотребление (и следовательно, тепловыделение) для SSD небольших объёмов, твердотельные накопители большой ёмкости таким преимуществом перед жёсткими дисками не обладают.
• Высокая механическая надёжность - отсутствие движущихся частей полностью устраняет вероятность отказа по причине поломки механики.
• Лучшая способность переносить экстремальные внешние условия - перегрузки, вибрации, перепады давления и температуры, что, помимо специальных областей применения, очень хорошо для применения в ноутбуках и прочей мобильной электронике.
• Относительно предсказуемая производительность - в отличие от жёстких дисков, производительность SSD практически постоянна и одинакова по всему объёму хранения данных. Подобное объясняется постоянным временем доступа поиска и ничтожным влиянием фрагментации на производительность.
• Относительно низкий вес и размеры для SSD низкой ёмкости - несмотря на то, что удельная ёмкость на единицу веса и объёма лучше у "традиционных" HDD, для накопителей объёмом менее 256Гб преимущество в весе и габаритах остаётся за SSD.

Недостатки:

• Цена. В среднем стоимость хранения одного гигабайта на SSD пока ещё несколько выше таковой для обычных жёстких дисков.
Сколько стоит 1 Гб на SSD накопителе? Сколько стоит 1 Гб на диске?
• Ёмкость – хотя сейчас максимальная ёмкость серийно выпускаемых SSD значительно ниже таковой у жёстких дисков, она имеет тенденцию к быстрому увеличению, и достигла уже 1 ТБ для устройств пользовательского класса. SSD накопители корпоративного класса имеют объем 2 и более терабайта.
• Большая уязвимость к ряду негативных факторов, включая внезапное отключение питания, магнитные поля и статическое электричество.
• Ограниченное число циклов записи для SSD на базе флэш-памяти - обычная флэш-память выдерживает 300.000 - 500.000 операций стирания/записи в одну и ту же ячейку, у некоторых специальных типов флэш-памяти этот параметр декларируется на уровне полутора миллиона операций.
Специальные файловые системы или алгоритмы работы контроллера устройства могут смягчить эту проблему путём динамического распределения часто перезаписываемых кластеров равномерно по диску (так называемое "выравнивание износа"). Комплекс мер позволяет современным SSD теоретически выдержать до 20 лет ежедневной обычной эксплуатации в персональном компьютере.

В нашем прайс-листе в настоящее время вы можете найти ноутбуки с SSD.

Традиционно в конце года мы выбираем лучший SSD накопитель по среди устройств текущего поколения. При выборе такого накопителя мы смотрим не только на производительность, но и на популярность среди наших покупателей и по такому не маловажному параметру как надежность, согласно обращениям с устройствами в гарантийный отдел.