Твердотельный накопитель

Сюда перенаправляются «SSD» и «Электронный диск». Чтобы узнать о других значениях, см. SSD (значения) и Электронный диск (значения) .

Твердотельный накопитель

2,5-дюймовый Serial ATA. твердотельный накопитель
Использование флэш-памяти
Представлено:	СанДиск
Дата введения:	1991 год ( 1991 )
Емкость:	20 МБ (форм-фактор 2,5 дюйма)
Оригинальная концепция
К:	Корпорация технологий хранения данных
Conceived:	1978 (1978)
Capacity:	45 MB
As of 2024
Capacity:	Up to 200 TB

An Intel mSATA SSD

Samsung M.2 NVMe SSD

( Твердотельный накопитель SSD ) — это твердотельное запоминающее устройство. Он обеспечивает постоянное хранение данных без использования движущихся частей. Его иногда называют полупроводниковым запоминающим устройством или твердотельным устройством . Его также называют твердотельным диском , поскольку он часто подключается к хост-системе так же, как жесткий диск (HDD).

SSD часто используется в качестве вторичного хранилища для обеспечения относительно быстрого, постоянного и прямого подключения к компьютеру .

Атрибуты

SSD имеет богатый внутренний параллелизм для обработки данных.

In comparison to HDDs and similar electromechanical magnetic storage which have moving parts, SSDs are typically silent, resistant to physical shock, and (in large part due to lower latency) have higher input/output rates.

An SSD stores data in semiconductor cells, and an SSD's properties vary according to the number of bits stored in each cell which varies between 1 and 4. Single-bit cells ("Single Level Cells" or "SLC") are generally the most reliable, durable, fast, and expensive type, compared with 2- and 3-bit cells ("Multi-Level Cells/MLC" and "Triple-Level Cells/TLC"), and finally, quad-bit cells ("QLC") being used for consumer devices that do not require such extreme properties and are the cheapest per storage unit. In addition, 3D XPoint memory (sold by Intel under the Optane brand) stores data by changing the electrical resistance of cells instead of storing electrical charges in cells, and SSDs made from RAM can be used for high speed, when data persistence after power loss is not required, or may use battery power to retain data when its usual power source is unavailable. Hybrid drives or solid-state hybrid drives (SSHDs), such as Intel's Hystor and Apple's Fusion Drive, combine features of SSDs and HDDs in the same unit using both flash memory and spinning magnetic disks in order to improve the performance of frequently-accessed data. Bcache achieves a similar effect purely in software, using combinations of dedicated regular SSDs and HDDs.

SSDs based on NAND flash slowly leak charge when not powered. Heavily used consumer drives (that have exceeded their endurance rating) may start losing data typically after one year (if stored at 30 °C) to two years (at 25 °C) in storage; for new drives it may take longer. Enterprise drives may see data loss as early as 3 months of no power stored at 40 °C. Therefore, SSDs are not suitable for archival storage.

SSDs can use traditional HDD interfaces and form factors, or newer interfaces and form factors that exploit specific advantages of the flash memory in SSDs. Traditional interfaces (e.g. SATA and SAS) and standard HDD form factors allow such SSDs to be used as drop-in replacements for HDDs in computers and other devices. Newer form factors such as mSATA, M.2, U.2, NF1/M.3/NGSFF, XFM Express (Crossover Flash Memory, form factor XT2) and EDSFF (formerly known as Ruler SSD) and higher speed interfaces such as NVM Express (NVMe) over PCI Express (PCIe) can further increase performance over HDD performance. SSDs have a limited lifetime number of writes, and also slow down as they reach their full storage capacity.

Development and history

Historical lowest retail prices of computer memory and storage

Early SSDs using RAM and similar technology

An early—if not the first—semiconductor storage device compatible with a hard drive interface (e.g. an SSD as defined) was the 1978 StorageTek STC 4305, a plug-compatible replacement for the IBM 2305 fixed hard disk drive. It initially used charge-coupled devices (CCDs) for storage (later switched to DRAM), and consequently was reported to be seven times faster than the IBM product at about half the price ($400,000 for 45 MB capacity). Before the StorageTek SSD there were many DRAM and core (e.g. DATARAM BULK Core, 1976) products sold as alternatives to HDDs but they typically had memory interfaces and were not SSDs as defined.

In the late 1980s, Zitel offered a family of DRAM-based SSD products under the trade name "RAMDisk", for use on systems by UNIVAC and Perkin-Elmer, among others.

SSDs using Flash

SSD evolution

Parameter	Started with	Developed to	Improvement
Capacity	20 MB (Sandisk, 1991)	100 TB (Enterprise Nimbus Data DC100, 2018) (As of 2024, up to 16 TB available for consumers)	5-million-to-one (800,000-to-one)
Sequential read speed	49.3 MB/s (Samsung MCAQE32G5APP-0XA, 2007)	15 GB/s (Gigabyte demonstration, 2019) (As of June 2024 up to 14.5 GB/s available for consumers)	304.25-to-one (294-to-one)
Sequential write speed	80 MB/s (Samsung enterprise SSD, 2008)	15.200 GB/s (Gigabyte demonstration, 2019) (As of June 2024 up to 12.7 GB/s available for consumers)	190-to-one (159-to-one)
IOPS	79 (Samsung MCAQE32G5APP-0XA, 2007)	2,500,000 (Enterprise Micron X100, 2019) (As of June 2024 up to 1,550,000 read IOPS and 1,800,000 write IOPS available for consumers)	31,645.56-to-one (Consumer: read IOPS: 19,620-to-one, write IOPS: 22785-to-one)
Access time (in milliseconds, ms)	0.5 (Samsung MCAQE32G5APP-0XA, 2007)	0.045 read, 0.013 write (lowest values, WD Black SN850 1 TB, 2020)	Read:11-to-one, Write: 38-to-one
Price	US$50,000 per gigabyte (Sandisk, 1991)	US$0.05 per gigabyte (Silicon Power A60, July 2020)	10,000,000-to-one

The basis for flash-based SSDs, flash memory, was invented by Fujio Masuoka at Toshiba in 1980 and commercialized by Toshiba in 1987. SanDisk Corporation (then SunDisk) founders Eli Harari and Sanjay Mehrotra, along with Robert D. Norman, saw the potential of flash memory as an alternative to existing hard drives, and filed a patent for a flash-based SSD in 1989. The first commercial flash-based SSD was shipped by SanDisk in 1991. It was a 20 MB SSD in a PCMCIA configuration, and sold OEM for around $1,000 and was used by IBM in a ThinkPad laptop. In 1998, SanDisk introduced SSDs in 2.5-inch and 3.5-inch form factors with PATA interfaces.

In 1995, STEC, Inc. entered the flash memory business for consumer electronic devices.

In 1995, M-Systems introduced flash-based solid-state drives as HDD replacements for the military and aerospace industries, as well as for other mission-critical applications. These applications require an SSD to withstand extreme shock, vibration, and temperature ranges.

In 1999, BiTMICRO made a number of introductions and announcements about flash-based SSDs, including an 18 GB 3.5-inch SSD. In 2007, Fusion-io announced a PCIe-based Solid state drive with 100,000 input/output operations per second (IOPS) of performance in a single card, with capacities up to 320 GB.

At Cebit 2009, OCZ Technology demonstrated a 1 TB flash SSD using a PCI Express ×8 interface. It achieved a maximum write speed of 0.654 gigabytes per second (GB/s) and maximum read speed of 0.712 GB/s. In December 2009, Micron Technology announced an SSD using a 6 gigabits per second (Gbit/s) SATA interface.

In 2016, Seagate demonstrated 10 GB/s sequential read and write speeds from a 16-lane PCIe 3.0 SSD, and a 60 TB SSD in a 3.5-inch form factor. Samsung also launched to market a 15.36 TB SSD with a price tag of US$10,000 using a SAS interface, using a 2.5-inch form factor but with the thickness of 3.5-inch drives. This was the first time a commercially available SSD had more capacity than the largest currently available HDD.

In 2018, both Samsung and Toshiba launched 30.72 TB SSDs using the same 2.5-inch form factor but with 3.5-inch drive thickness using a SAS interface. Nimbus Data announced and reportedly shipped 100 TB drives using a SATA interface, a capacity HDDs are not expected to reach until 2025. Samsung introduced an M.2 NVMe SSD with read speeds of 3.5 GB/s and write speeds of 3.3 GB/s. A new version of the 100 TB SSD was launched in 2020 at a price of US$40,000, with the 50 TB version costing US$12,500.

In 2019, Gigabyte Technology demonstrated an 8 TB 16-lane PCIe 4.0 SSD with 15.0 GB/s sequential read and 15.2 GB/s sequential write speeds at Computex 2019. It included a fan, as new, high-speed SSDs run at high temperatures. Also in 2019, NVMe M.2 SSDs using the PCIe 4.0 interface were launched. These SSDs have read speeds of up to 5.0 GB/s and write speeds of up to 4.4 GB/s. Due to their high-speed operation, these SSDs use large heatsinks and, without sufficient cooling airflow, will typically thermally throttle down after roughly 15 minutes of continuous operation at full speed. Samsung also introduced SSDs capable of 8 GB/s sequential read and write speeds and 1.5 million IOPS, capable of moving data from damaged chips to undamaged chips, to allow the SSD to continue working normally, albeit at a lower capacity.

in 2021, NVMe 2.0 was announced, with Zoned Namespaces (ZNS) which allows data to be mapped directly to its physical location in memory to directly access it on an SSD without a flash translation layer.

In 2024, Samsung announced what it called the world's first SSD with a hybrid PCIe interface, the Samsung 990 EVO. The hybrid interface runs in either the x4 PCIe 4.0 or x2 PCIe 5.0 modes, a first for an M.2 SSD.

Enterprise flash drives

Top and bottom views of a 2.5-inch 100 GB SATA 3.0 (6 Gbit/s) model of the Intel DC S3700 series

Enterprise flash drives (EFDs) are designed for applications requiring high I/O performance (IOPS), reliability, energy efficiency and, more recently, consistent performance. In most cases, an EFD is an SSD with a higher set of specifications compared to SSDs that would typically be used in notebook computers. The term was first used by EMC in January 2008 to identify SSD manufacturers who would provide products meeting these higher standards. There are no standards bodies who control the definition of EFDs, so any SSD manufacturer may claim to produce EFDs when in fact the product may not meet any particular requirements.

An example is the Intel DC S3700 series of drives introduced in the fourth quarter of 2012, which focuses on achieving consistent performance, an area that had not received much attention but which Intel claimed was important for the enterprise market; In particular, Intel claims that, at a steady state, the S3700 drives would not vary their IOPS by more than 10–15%, and that 99.9% of all 4 KB random I/Os are serviced in less than 500 μs.

Another example is the Toshiba PX02SS enterprise SSD series announced in 2016, optimized for use in server and storage platforms requiring high endurance from write-intensive applications such as write caching, I/O acceleration, and online transaction processing (OLTP). The PX02SS series uses 12 Gbit/s SAS interface, featuring MLC NAND flash memory and achieving random write speeds of up to 42,000 IOPS, random read speeds of up to 130,000 IOPS, and endurance rating of 30 drive writes per day (DWPD).

Drives using other persistent memory technologies

In 2017, the first products with 3D XPoint memory were released under Intel's Optane brand; 3D Xpoint is entirely different from NAND flash and stores data using different principles. SSDs based on 3D XPoint have higher IOPS (up to 2.5 million) but lower sequential read/write speeds than their NAND-flash counterparts.

Architecture and function

The key components of an SSD are the controller and the memory to store the data. The primary memory component in an SSD was traditionally DRAM volatile memory, but since 2009, it is more commonly NAND flash non-volatile memory.

Controller

Every SSD includes a controller that incorporates the electronics that bridge the NAND memory components to the host computer. The controller is an embedded processor that executes firmware-level code and is one of the most important factors of SSD performance. Some of the functions performed by the controller include:

• Bad block mapping
• Read and write caching
• Encryption
• Crypto-shredding
• Error detection and correction via error-correcting code (ECC) such as BCH code
• Garbage collection
• Read scrubbing and read disturb management
• Wear leveling

The performance of an SSD can scale with the number of parallel NAND flash chips used in the device. A single NAND chip may be relatively slow due to its narrow asynchronous I/O interface (typical for SLC NAND, 8/16 bit asynchronous I/O interface), and additional high latency of basic I/O operations (typical for SLC NAND, ~25 μs to fetch a 4 KiB page from the array to the I/O buffer on a read, ~250 μs to commit a 4 KiB page from the IO buffer to the array on a write, ~2 ms to erase a 256 KiB block). When multiple NAND chips operate in parallel inside an SSD, the bandwidth and endurance scales, and the high latencies can be decreased, as long as enough outstanding operations are pending and the load is evenly distributed between devices.

Micron and Intel initially made faster SSDs by implementing data striping (similar to RAID 0) and interleaving in their architecture. This enabled the creation of SSDs with 250 MB/s effective read/write speeds with the SATA 3 Gbit/s interface in 2009. Two years later, SandForce continued to leverage this parallel flash connectivity, releasing consumer-grade SATA 6 Gbit/s SSD controllers which supported 500 MB/s read/write speeds. SandForce controllers compress the data before sending it to the flash memory. This process may result in less writing and higher logical throughput, depending on the compressibility of the data.

Wear leveling

Main articles: Wear leveling and Write amplification

If a particular block is programmed and erased repeatedly without writing to any other blocks, that block will wear out before all the other blocks—thereby prematurely ending the life of the SSD. For this reason, SSD controllers use a technique called wear leveling to distribute writes as evenly as possible across all the flash blocks in the SSD. In a perfect scenario, this would enable every block to be written to its maximum life so they all fail at the same time.

The process to evenly distribute writes requires data previously written and not changing (cold data) to be moved, so that data that is changing more frequently (hot data) can be written into those blocks. Relocating data increases write amplification and adds to the wear of flash memory so a balance must be struck between these performance considerations and wear leveling effectiveness.

Memory

Flash memory

Comparison of architectures

Comparison characteristics	MLC : SLC	NAND : NOR
Persistence ratio	1 : 10	1 : 10
Sequential write ratio	1 : 3	1 : 4
Sequential read ratio	1 : 1	1 : 5
Price ratio	1 : 1.3	1 : 0.7

Most SSD manufacturers use non-volatile NAND flash memory in the construction of their SSDs because of the lower cost compared with DRAM and the ability to retain the data without a constant power supply, ensuring data persistence through sudden power outages. Flash memory SSDs were initially slower than DRAM solutions, and some early designs were even slower than HDDs after continued use. This problem was resolved by controllers that came out in 2009 and later.

Flash-based SSDs store data in metal–oxide–semiconductor (MOS) integrated circuit chips which contain non-volatile floating-gate memory cells. Flash memory-based solutions are typically packaged in standard disk drive form factors (1.8-, 2.5-, and 3.5-inch), but also in smaller more compact form factors, such as the M.2 form factor, made possible by the small size of flash memory.

Lower-priced drives usually use quad-level cell (QLC), triple-level cell (TLC) or more rarely, multi-level cell (MLC) flash memory, which is slower and less reliable than single-level cell (SLC) flash memory. This can be mitigated or even reversed by the internal design structure of the SSD, such as interleaving, changes to writing algorithms, and higher over-provisioning (more excess capacity) with which the wear-leveling algorithms can work.

Solid-state drives that rely on V-NAND technology, in which layers of cells are stacked vertically, have been introduced.

DRAM

See also: I-RAM and HyperOs HyperDrive

SSDs based on volatile memory such as DRAM are characterized by very fast data access, generally less than 10 microseconds, and are used primarily to accelerate applications that would otherwise be held back by the latency of flash SSDs or traditional HDDs.

DRAM-based SSDs usually incorporate either an internal battery or an external AC/DC adapter and backup storage systems to ensure data persistence while no power is being supplied to the drive from external sources. If power is lost, the battery provides power while all information is copied from random access memory (RAM) to back-up storage. When the power is restored, the information is copied back to the RAM from the back-up storage, and the SSD resumes normal operation (similar to the hibernate function used in modern operating systems).

SSDs of this type are usually fitted with DRAM modules of the same type used in regular PCs and servers, which can be swapped out and replaced by larger modules. Such as i-RAM, HyperOs HyperDrive, DDRdrive X1, etc. Some manufacturers of DRAM SSDs solder the DRAM chips directly to the drive, and do not intend the chips to be swapped out—such as ZeusRAM, Aeon Drive, etc.

A remote, indirect memory-access disk (RIndMA Disk) uses a secondary computer with a fast network or (direct) Infiniband connection to act like a RAM-based SSD, but the new, faster, flash-memory based, SSDs already available in 2009 are making this option not as cost effective.

While the price of DRAM continues to fall, the price of Flash memory falls even faster. The "Flash becomes cheaper than DRAM" crossover point occurred approximately 2004.

3D XPoint

In 2015, Intel and Micron announced 3D XPoint as a new non-volatile memory technology. Intel released the first 3D XPoint-based drive (branded as Intel Optane SSD) in March 2017 starting with a data center product, Intel Optane SSD DC P4800X Series, and following with the client version, Intel Optane SSD 900P Series, in October 2017. Both products operate faster and with higher endurance than NAND-based SSDs, while the areal density is comparable at 128 gigabits per chip. For the price per bit, 3D XPoint is more expensive than NAND, but cheaper than DRAM.

Other

Some SSDs, called NVDIMM or Hyper DIMM devices, use both DRAM and flash memory. When the power goes down, the SSD copies all the data from its DRAM to flash; when the power comes back up, the SSD copies all the data from its flash to its DRAM. In a somewhat similar way, some SSDs use form factors and buses actually designed for DIMM modules, while using only flash memory and making it appear as if it were DRAM. Such SSDs are usually known as ULLtraDIMM devices.

Drives known as hybrid drives or solid-state hybrid drives (SSHDs) use a hybrid of spinning disks and flash memory. Some SSDs use magnetoresistive random-access memory (MRAM) for storing data.

Cache or buffer

A flash-based SSD may use a small amount of DRAM as a volatile cache, similar to the buffers in hard disk drives. A directory of block placement and wear leveling data is also kept in the cache while the drive is operating. One SSD controller manufacturer, SandForce, does not use an external DRAM cache on their designs but still achieves high performance. Such an elimination of the external DRAM reduces the power consumption and enables further size reduction of SSDs. On MLC SSDs, the SLC cache mechanism may be used. On NVMe SSDs, the Host Memory Buffer mechanism may be used. Client SSDs may use small amount of DRAM to cache FTL tables; Server SSDs may use larger DRAM to cache FTL tables and written data, to reduce write amplification.

Battery or supercapacitor

Another component in higher-performing SSDs is a capacitor or some form of battery, which are necessary to maintain data integrity so the data in the cache can be flushed to the drive when power is lost; some may even hold power long enough to maintain data in the cache until power is resumed. In the case of MLC flash memory, a problem called lower page corruption can occur when MLC flash memory loses power while programming an upper page. The result is that data written previously and presumed safe can be corrupted if the memory is not supported by a supercapacitor in the event of a sudden power loss. This problem does not exist with SLC flash memory.

Many consumer-class SSDs have built-in capacitors to save at least the FTL mapping table on unexpected power loss; among the examples are the Crucial M500 and MX100 series, the Intel 320 series, and the more expensive Intel 710 and 730 series. Enterprise-class SSDs, such as the Intel DC S3700 series, usually have built-in batteries or supercapacitors.

Host interface

An M.2 (2242) solid-state-drive (SSD) connected into USB 3.0 adapter and connected to computer

An SSD with 1.2 TB of MLC NAND, using PCI Express as the host interface

The host interface is physically a connector with the signalling managed by the SSD's controller. It is most often one of the interfaces found in HDDs. They include:

• Serial attached SCSI (SAS-3, 12.0 Gbit/s) – generally found on servers
• Serial ATA and mSATA variant (SATA 3.0, 6.0 Gbit/s)
• PCI Express (PCIe 3.0 ×4, 31.5 Gbit/s)
• M.2 (6.0 Gbit/s for SATA 3.0 logical device interface, 31.5 Gbit/s for PCIe 3.0 ×4)
• U.2 (PCIe 3.0 ×4)
• Fibre Channel (128 Gbit/s) – almost exclusively found on servers
• USB (10 Gbit/s)
• Parallel ATA (UDMA, 1064 Mbit/s) – mostly replaced by SATA
• (Parallel) SCSI ( 40 Mbit/s- 2560 Mbit/s) – generally found on servers, mostly replaced by SAS; last SCSI-based SSD was introduced in 2004

SSDs support various logical device interfaces, such as Advanced Host Controller Interface (AHCI) and NVMe. Logical device interfaces define the command sets used by operating systems to communicate with SSDs and host bus adapters (HBAs).

Configurations

The size and shape of any device are largely driven by the size and shape of the components used to make that device. Traditional HDDs and optical drives are designed around the rotating platter(s) or optical disc along with the spindle motor inside. Since an SSD is made up of various interconnected integrated circuits (ICs) and an interface connector, its shape is no longer limited to the shape of rotating media drives. Some solid-state storage solutions come in a larger chassis that may even be a rack-mount form factor with numerous SSDs inside. They would all connect to a common bus inside the chassis and connect outside the box with a single connector.

For general computer use, the 2.5-inch form factor (typically found in laptops and used for most SATA ssds) is the most popular. For desktop computers with 3.5-inch hard disk drive slots, a simple adapter plate can be used to make such a drive fit. Other types of form factors are more common in enterprise applications. An SSD can also be completely integrated in the other circuitry of the device, as in the Apple MacBook Air (starting with the fall 2010 model). As of 2014, mSATA and M.2 form factors also gained popularity, primarily in laptops.

Standard HDD form factors

An SSD with a 2.5-inch HDD form factor, opened to show solid-state electronics. Empty spaces next to the NAND chips are for additional NAND chips, allowing the same circuit board design to be used on several drive models with different capacities; other drives may instead use a circuit board whose size increases along with drive capacity, leaving the rest of the drive empty.

The benefit of using a current HDD form factor would be to take advantage of the extensive infrastructure already in place to mount and connect the drives to the host system. These traditional form factors are known by the size of the rotating media (i.e., 5.25-inch, 3.5-inch, 2.5-inch or 1.8-inch) and not the dimensions of the drive casing.

Standard card form factors

Main articles: mSATA and M.2

For applications where space is at a premium, like for ultrabooks or tablet computers, a few compact form factors were standardized for flash-based SSDs.

There is the mSATA form factor, which uses the PCI Express Mini Card physical layout. It remains electrically compatible with the PCI Express Mini Card interface specification while requiring an additional connection to the SATA host controller through the same connector.

M.2 form factor, formerly known as the Next Generation Form Factor (NGFF), is a natural transition from the mSATA and physical layout it used, to a more usable and more advanced form factor. While mSATA took advantage of an existing form factor and connector, M.2 has been designed to maximize usage of the card space, while minimizing the footprint. The M.2 standard allows both SATA and PCI Express SSDs to be fitted onto M.2 modules.

Some high performance, high capacity drives uses standard PCI Express add-in card form factor to house additional memory chips, permit the use of higher power levels, and allow the use of a large heat sink. There are also adapter boards that converts other form factors, especially M.2 drives with PCIe interface, into regular add-in cards.

Disk-on-a-module form factors

A 2 GB disk-on-a-module with PATA interface

A disk-on-a-module (DOM) is a flash drive with either 40/44-pin Parallel ATA (PATA) or SATA interface, intended to be plugged directly into the motherboard and used as a computer hard disk drive (HDD). DOM devices emulate a traditional hard disk drive, resulting in no need for special drivers or other specific operating system support. DOMs are usually used in embedded systems, which are often deployed in harsh environments where mechanical HDDs would simply fail, or in thin clients because of small size, low power consumption, and silent operation.

As of 2016, storage capacities range from 4 MB to 128 GB with different variations in physical layouts, including vertical or horizontal orientation.

Box form factors

Many of the DRAM-based solutions use a box that is often designed to fit in a rack-mount system. The number of DRAM components required to get sufficient capacity to store the data along with the backup power supplies requires a larger space than traditional HDD form factors.

Bare-board form factors

• 
  Viking Technology SATA Cube and AMP SATA Bridge multi-layer SSDs
• 
  Viking Technology SATADIMM based SSD
• 
  MO-297 SATA drive-on-a-module (DOM) SSD form factor
• 
  A custom-connector SATA SSD

Form factors which were more common to memory modules are now being used by SSDs to take advantage of their flexibility in laying out the components. Some of these include PCIe, mini PCIe, mini-DIMM, MO-297, and many more. The SATADIMM from Viking Technology uses an empty DDR3 DIMM slot on the motherboard to provide power to the SSD with a separate SATA connector to provide the data connection back to the computer. The result is an easy-to-install SSD with a capacity equal to drives that typically take a full 2.5-inch drive bay. At least one manufacturer, Innodisk, has produced a drive that sits directly on the SATA connector (SATADOM) on the motherboard without any need for a power cable. Some SSDs are based on the PCIe form factor and connect both the data interface and power through the PCIe connector to the host. These drives can use either direct PCIe flash controllers or a PCIe-to-SATA bridge device which then connects to SATA flash controllers.

There are also SSDs that are in the form of PCIe cards, these are sometimes called HHHL (Half Height Half Length), or AIC (Add in Card) SSDs.

Ball grid array form factors

In the early 2000s, a few companies introduced SSDs in Ball Grid Array (BGA) form factors, such as M-Systems' (now SanDisk) DiskOnChip and Silicon Storage Technology's NANDrive (now produced by Greenliant Systems), and Memoright's M1000 for use in embedded systems. The main benefits of BGA SSDs are their low power consumption, small chip package size to fit into compact subsystems, and that they can be soldered directly onto a system motherboard to reduce adverse effects from vibration and shock.

Such embedded drives often adhere to the eMMC and eUFS standards.

Comparison with other technologies

Hard disk drives

See also: Hard disk drive performance characteristics

SSD benchmark, showing about 230 MB/s reading speed (blue), 210 MB/s writing speed (red) and about 0.1 ms seek time (green), all independent from the accessed disk location

Making a comparison between SSDs and ordinary (spinning) HDDs is difficult. Traditional HDD benchmarks tend to focus on the performance characteristics that are poor with HDDs, such as rotational latency and seek time. As SSDs do not need to spin or seek to locate data, they may prove vastly superior to HDDs in such tests. However, SSDs have challenges with mixed reads and writes, and their performance may degrade over time. SSD testing must start from the (in use) full drive, as the new and empty (fresh, out-of-the-box) drive may have much better write performance than it would show after only weeks of use.

Most of the advantages of solid-state drives over traditional hard drives are due to their ability to access data completely electronically instead of electromechanically, resulting in superior transfer speeds and mechanical ruggedness. On the other hand, hard disk drives offer significantly higher capacity for their price.

Some field failure rates indicate that SSDs are significantly more reliable than HDDs but others do not. However, SSDs are uniquely sensitive to sudden power interruption, resulting in aborted writes or even cases of the complete loss of the drive. The reliability of both HDDs and SSDs varies greatly among models.

As with HDDs, there is a tradeoff between cost and performance of different SSDs. Single-level cell (SLC) SSDs, while significantly more expensive than multi-level (MLC) SSDs, offer a significant speed advantage. At the same time, DRAM-based solid-state storage is currently considered the fastest and most costly, with average response times of 10 microseconds instead of the average 100 microseconds of other SSDs. Enterprise flash devices (EFDs) are designed to handle the demands of tier-1 application with performance and response times similar to less-expensive SSDs.

In traditional HDDs, a rewritten file will generally occupy the same location on the disk surface as the original file, whereas in SSDs the new copy will often be written to different NAND cells for the purpose of wear leveling. The wear-leveling algorithms are complex and difficult to test exhaustively; as a result, one major cause of data loss in SSDs is firmware bugs.

The following table shows a detailed overview of the advantages and disadvantages of both technologies. Comparisons reflect typical characteristics, and may not hold for a specific device.

Comparison of NAND-based SSD and HDD

Attribute or characteristic	Solid-state drive	Hard disk drive
Price per capacity	SSDs generally are more expensive than HDDs and expected to remain so into the 2020s. SSD price as of first quarter 2018 is around 30 cents (US) per gigabyte based on 4 TB models. Prices have generally declined annually and as of 2018 are expected to continue to do so.	HDD price as of first quarter 2018 is around 2 to 3 cents (US) per gigabyte based on 1 TB models. Prices have generally declined annually and as of 2018 are expected to continue to do so.
Storage capacity	In 2018, SSDs were available in sizes up to 100 TB, but less costly, 120 to 512 GB models were more common.	In 2023, HDDs of up to 30 TB were available.
Reliability – data retention	If left without power, worn out SSDs may start to lose data as soon as three months in storage, depending on temperature and type of SSD. New drives may retain data for substantially longer depending upon usage prior to power off. SSDs may not suited for archival use.	If kept in a dry environment at low temperatures, HDDs can retain their data for a very long period of time even without power. However, the mechanical parts tend to become clotted over time and the drive fails to spin up after a few years in storage.
Reliability – longevity	SSDs have no moving parts to fail mechanically so in theory, should be more reliable than HDDs. However, in practice this is unclear. Each block of a flash-based SSD can be erased (and therefore written) only a limited number of times before it fails. The controllers manage this limitation so that drives can last for many years under normal use. SSDs based on DRAM do not have a limited number of writes. However the failure of a controller can make an SSD unusable. Reliability varies significantly across different SSD manufacturers and models with return rates reaching 40% for specific drives. Many SSDs critically fail on power outages; a December 2013 survey of many SSDs found that only some of them are able to survive multiple power outages. A Facebook study found that sparse data layout across an SSD's physical address space (e.g., non-contiguously allocated data), dense data layout (e.g., contiguous data) and higher operating temperature (which correlates with the power used to transmit data) each lead to increased failure rates among SSDs. However, SSDs have undergone many revisions that have made them more reliable and long lasting. As of 2018, SSDs in the market use power loss protection circuits, wear leveling techniques and thermal throttling to ensure longevity.	HDDs have moving parts, and are subject to potential mechanical failures from the resulting wear and tear so in theory, should be less reliable than SSDs. However, in practice this is unclear. The storage medium itself (magnetic platter) does not essentially degrade from reading and write operations. According to a study performed by Carnegie Mellon University for both consumer and enterprise-grade HDDs, their average failure rate is 6 years, and life expectancy is 9–11 years. However the risk of a sudden, catastrophic data loss can be lower for HDDs. When stored offline (unpowered on the shelf) in long term, the magnetic medium of HDD retains data significantly longer than flash memory used in SSDs.
Start-up time	Almost instantaneous; no mechanical components to prepare. May need a few milliseconds to come out of an automatic power-saving mode.	Drive spin-up may take several seconds. A system with many drives may need to stagger spin-up to limit peak power drawn, which is briefly high when an HDD is first started.
Sequential-access performance	In consumer products the maximum transfer rate typically ranges from about 200 MB/s to 3500 MB/s, depending on the drive. Enterprise SSDs can have multi-gigabyte per second throughput.	Once the head is positioned, when reading or writing a continuous track, a modern HDD can transfer data at about 200 MB/s. Data transfer rate depends also upon rotational speed, which can range from 3,600 to 15,000 rpm and also upon the track (reading from the outer tracks is faster). Data transfer speed can be up to 480 MB/s (experimental).
Random-access performance	Random access time typically under 0.1 ms. As data can be retrieved directly from various locations of the flash memory, access time is usually not a big performance bottleneck. Read performance does not change based on where data is stored. In applications, where hard disk drive seeks are the limiting factor, this results in faster boot and application launch times (see Amdahl's law). SSD technology can deliver rather consistent read/write speed, but when many individual smaller blocks are accessed, performance is reduced. Flash memory must be erased before it can be rewritten to. This requires an excess number of write operations over and above that intended (a phenomenon known as write amplification), which negatively impacts performance. SSDs typically exhibit a small, steady reduction in write performance over their lifetime, although the average write speed of some drives can improve with age.	Read latency time is much higher than SSDs. Random access time ranges from 2.9 (high end server drive) to 12 ms (laptop HDD) due to the need to move the heads and wait for the data to rotate under the magnetic head. Read time is different for every different seek, since the location of the data and the location of the head are likely different. If data from different areas of the platter must be accessed, as with fragmented files, response times will be increased by the need to seek each fragment.
Impact of file system fragmentation	There is limited benefit to reading data sequentially (beyond typical FS block sizes, say 4 KiB), making fragmentation negligible for SSDs. Defragmentation would cause wear by making additional writes of the NAND flash cells, which have a limited cycle life. However, even with SSDs there is a practical limit on how much fragmentation certain file systems can sustain; once that limit is reached, subsequent file allocations fail. Consequently, defragmentation may still be necessary, although to a lesser degree.	Some file systems, like NTFS, become fragmented over time if frequently written; periodic defragmentation is required to maintain optimum performance. This is usually not an issue in modern file systems like ext4, as they implement techniques such as allocate-on-flush to reduce file fragmentation as long as sufficient disk space is left free.
Acoustic noise	SSDs have no moving parts and therefore are silent, although, on some SSDs, high pitch noise from the high voltage generator (for erasing blocks) may occur.	HDDs have moving parts (heads, actuator, and spindle motor) and make characteristic sounds of whirring and clicking; noise levels vary depending on the RPM, but can be significant (while often much lower than the sound from the cooling fans). Laptop hard drives are relatively quiet.
Temperature control	A Facebook study found that at operating temperatures above 40 °C (104 °F), the failure rate among SSDs increases with temperature. However, this was not the case with newer drives that employ thermal throttling, albeit at a potential cost to performance. In practice, SSDs usually do not require special cooling and can tolerate higher temperatures than HDDs. Some SSDs, including high-end enterprise models installed as add-on cards or 2.5-inch bay devices, and high-end desktop NVMe models, may ship with heat sinks to dissipate generated heat, requiring certain volumes of airflow to operate.	Ambient temperatures above 35 °C (95 °F) can shorten the life of a hard disk, and reliability will be compromised at drive temperatures above 55 °C (131 °F). Fan cooling may be required if temperatures would otherwise exceed these values. In practice, modern HDDs may be used with no special arrangements for cooling.
Lowest operating temperature	SSDs can operate at −55 °C (−67 °F).	Most modern HDDs can operate at 0 °C (32 °F).
Highest altitude when operating	SSDs have no issues on this.	HDDs can operate safely at an altitude of at most 3,000 meters (10,000 ft). HDDs will fail to operate at altitudes above 12,000 meters (40,000 ft). With the introduction of helium-filled (sealed) HDDs, this is expected to be less of an issue.
Moving from a cold environment to a warmer environment	SSDs have no issues with this. Due to the thermal throttling mechanism SSDs are kept secure and prevented from the temperature imbalance.	A certain amount of acclimation time may be needed when moving some HDDs from a cold environment to a warmer environment before operating them; depending upon humidity, condensation could occur on heads and/or disks and operating it immediately will result in damage to such components. Modern helium HDDs are sealed and do not have such a problem.
Breather hole	SSDs do not require a breather hole.	Most modern HDDs require a breather hole in order to function properly. Helium-filled devices are sealed and do not have a hole.
Susceptibility to environmental factors	No moving parts, very resistant to shock, vibration, movement, and contamination.	Heads flying above rapidly rotating platters are susceptible to shock, vibration, movement, and contamination which could damage the medium.
Installation and mounting	Not sensitive to orientation, vibration, or shock. Usually no exposed circuitry. Circuitry may be exposed in a card form device and it must not be short-circuited by conductive materials.	Circuitry may be exposed, and it must not be short-circuited by conductive materials (such as the metal chassis of a computer). Should be mounted to protect against vibration and shock. Some HDDs should not be installed in a tilted position.
Susceptibility to magnetic fields	Low impact on flash memory, but an electromagnetic pulse will damage any electrical system, especially integrated circuits.	In general, magnets or magnetic surges may result in data corruption or mechanical damage to the drive internals. Drive's metal case provides a low level of shielding to the magnetic platters.
Weight and size	SSDs, essentially semiconductor memory devices mounted on a circuit board, are small and lightweight. They often follow the same form factors as HDDs (2.5-inch or 1.8-inch) or are bare PCBs (M.2 and mSATA). The enclosures on most mainstream models, if any, are made mostly of plastic or lightweight metal. High performance models often have heatsinks attached to the device, or have bulky cases that serves as its heatsink, increasing its weight.	HDDs are generally heavier than SSDs, as the enclosures are made mostly of metal, and they contain heavy objects such as motors and large magnets. 3.5-inch drives typically weigh around 700 grams (1.5 lb).
Secure writing limitations	NAND flash memory cannot be overwritten, but has to be rewritten to previously erased blocks. If a software encryption program encrypts data already on the SSD, the overwritten data is still unsecured, unencrypted, and accessible (drive-based hardware encryption does not have this problem). Also data cannot be securely erased by overwriting the original file without special "Secure Erase" procedures built into the drive.	HDDs can overwrite data directly on the drive in any particular sector. However, the drive's firmware may exchange damaged blocks with spare areas, so bits and pieces may still be present. Some manufacturers' HDDs fill the entire drive with zeroes, including relocated sectors, on ATA Secure Erase Enhanced Erase command.
Read/write performance symmetry	Less expensive SSDs typically have write speeds significantly lower than their read speeds. Higher performing SSDs have similar read and write speeds.	HDDs generally have slightly longer (worse) seek times for writing than for reading.
Free block availability and TRIM	SSD write performance is significantly impacted by the availability of free, programmable blocks. Previously written data blocks no longer in use can be reclaimed by TRIM; however, even with TRIM, fewer free blocks cause slower performance.	HDDs are not affected by free blocks and may not benefit from TRIM.
Power consumption	High performance flash-based SSDs generally require half to a third of the power of HDDs. High-performance DRAM SSDs generally require as much power as HDDs, and must be connected to power even when the rest of the system is shut down. Emerging technologies like DevSlp can minimize power requirements of idle drives.	The lowest-power HDDs (1.8-inch size) can use as little as 0.35 watts when idle. 2.5-inch drives typically use 2 to 5 watts. The highest-performance 3.5-inch drives can use up to about 20 watts.
Maximum areal storage density (Terabits per square inch)	2.8	1.2

Memory cards

Main article: Memory card

Карта CompactFlash, используемая в качестве SSD

Хотя и карты памяти , и большинство твердотельных накопителей используют флэш-память, они служат совершенно разным рынкам и целям. Каждый из них имеет ряд различных атрибутов, которые оптимизированы и настроены для наилучшего удовлетворения потребностей конкретных пользователей. Некоторые из этих характеристик включают энергопотребление, производительность, размер и надежность.

SSD-накопители изначально были разработаны для использования в компьютерных системах. Первые устройства предназначались для замены или дополнения жестких дисков, поэтому операционная система распознавала их как жесткий диск. Первоначально твердотельные накопители даже имели форму и монтировались в компьютер как жесткие диски. Позже твердотельные накопители стали меньше и компактнее, в конечном итоге разработав свои собственные уникальные форм-факторы, такие как форм-фактор M.2 . SSD был разработан для постоянной установки внутри компьютера.

Напротив, карты памяти (такие как Secure Digital (SD), CompactFlash (CF) и многие другие) изначально были разработаны для цифровых камер, а затем нашли свое применение в сотовых телефонах, игровых устройствах, устройствах GPS и т. д. Большинство карт памяти физически меньше, чем твердотельные накопители, и предназначен для многократной вставки и извлечения.

Сбой SSD

твердотельных накопителей сильно отличаются Режимы отказа от традиционных магнитных жестких дисков. Поскольку твердотельные накопители не содержат движущихся частей, они, как правило, не подвержены механическим повреждениям. Вместо этого возможны другие виды сбоев (например, неполная или неудачная запись из-за внезапного сбоя питания может быть более серьезной проблемой, чем с жесткими дисками, а если чип выйдет из строя, все данные на нем будут потеряны, сценарий неприменим к магнитные приводы). Однако в целом исследования показали, что твердотельные накопители, как правило, очень надежны и часто продолжают работать намного дольше ожидаемого срока службы, заявленного их производителем.

Срок службы твердотельного накопителя должен быть указан в его техническом паспорте в одной из двух форм:

• либо n DW/D ( n операций записи на диск в день )
• или m TBW ( максимум записанных терабайт ), короткий TBW .

Так, например, твердотельный накопитель Samsung 970 EVO NVMe M.2 (2018 г.) емкостью 1 ТБ имеет емкость 600 ТБВт.

Надежность SSD и режимы отказов

Раннее расследование Techreport.com , проводившееся с 2013 по 2015 год, включало в себя несколько твердотельных накопителей на базе флэш-памяти, которые подвергались испытаниям на уничтожение, чтобы определить, как и в какой момент они вышли из строя. Веб-сайт обнаружил, что все накопители «превзошли свои официальные характеристики долговечности, записав сотни терабайт без проблем» - объемы этого заказа превышают типичные потребительские потребности. Первый SSD, вышедший из строя, был основан на TLC: диск смог записать более 800 ТБ. Три SSD, участвовавших в тесте, записали в три раза больше памяти (почти 2,5 ПБ), прежде чем тоже вышли из строя. Тест продемонстрировал замечательную надежность даже твердотельных накопителей потребительского рынка.

Полевое исследование 2016 года, основанное на данных, собранных за шесть лет в центрах обработки данных Google и охватывающих «миллионы» дней эксплуатации, показало, что доля флэш-накопителей, требующих замены в первые четыре года использования, колеблется от 4% до 10%. в зависимости от модели. Авторы пришли к выводу, что твердотельные накопители выходят из строя значительно реже, чем жесткие диски. (Напротив, оценка 71 940 жестких дисков в 2016 году показала, что частота отказов сопоставима с таковой у твердотельных накопителей Google: у жестких дисков в среднем годовая частота отказов составляла 1,95%). Исследование также показало, что с другой стороны, у твердотельных накопителей значительно выше уровень неисправимых ошибок (которые приводят к потере данных), чем у жестких дисков. Это также привело к некоторым неожиданным результатам и последствиям:

• В реальном мире конструкции на основе MLC , которые считаются менее надежными, чем конструкции SLC , зачастую столь же надежны, как и SLC. (Результаты показывают, что «SLC, как правило, не более надежен, чем MLC».) Но обычно говорят, что устойчивость к записи следующая:
  • SLC NAND: 100 000 стираний на блок
  • MLC NAND: от 5000 до 10 000 стираний на блок для приложений средней емкости и от 1000 до 3000 для приложений высокой емкости.
  • TLC NAND: 1000 стираний на блок
• Возраст устройства, измеряемый днями использования, является основным фактором надежности SSD, а не объемом прочитанных или записанных данных, которые измеряются записанными или записанными на диск терабайтами в день. Это говорит о том, что действуют другие механизмы старения, такие как «старение кремния». Корреляция значительная (около 0,2–0,4).
• Коэффициент необработанных битовых ошибок (RBER) медленно растет с износом, а не экспоненциально, как часто предполагается. RBER не является хорошим предиктором других ошибок или сбоя SSD.
• Коэффициент неисправимых битовых ошибок (UBER) широко используется, но он также не является хорошим показателем сбоя. Однако показатели SSD UBER выше, чем у жестких дисков, поэтому, хотя они и не предсказывают сбой, они могут привести к потере данных из-за того, что нечитаемые блоки более распространены на твердотельных накопителях, чем на жестких дисках. В заключении говорится, что, хотя в целом это более надежно, количество неисправимых ошибок, которые могут повлиять на пользователя, выше.
• «Плохие блоки в новых твердотельных накопителях встречаются часто, и диски с большим количеством плохих блоков с гораздо большей вероятностью теряют сотни других блоков, скорее всего, из-за неисправности флэш-памяти или чипа. В 30–80% твердотельных накопителей образуется хотя бы один плохой блок. блокируют, а 2–7% разрабатывают как минимум один плохой чип за первые четыре года внедрения».
• После достижения ожидаемого срока службы резкого увеличения ошибок не происходит.
• У большинства твердотельных накопителей образуется не более нескольких поврежденных блоков, возможно, 2–4. SSD-накопители, на которых образуется много плохих блоков, часто создают гораздо больше (возможно, сотни) и могут быть склонны к сбоям. Однако большинство накопителей (более 99%) поставляются с заводскими дефектными блоками. В целом было обнаружено, что сбойные блоки являются обычным явлением, и на 30–80% дисков образуется хотя бы один при использовании, но даже несколько сбойных блоков (2–4) являются предиктором до сотен сбойных блоков в более позднее время. Количество плохих блоков при производстве коррелирует с последующим появлением новых плохих блоков. В заключении отчета добавлено, что твердотельные накопители, как правило, имеют либо «меньше нескольких» плохих блоков, либо «большое их количество», и предполагается, что это может быть основой для прогнозирования возможного сбоя.
• Около 2–7% твердотельных накопителей в течение первых четырех лет использования приобретают плохие микросхемы. Более двух третей этих чипов не соответствуют допускам и спецификациям своих производителей, которые обычно гарантируют, что не более 2% блоков чипа выйдут из строя в течение ожидаемого срока службы записи.
• 96% тех SSD, которые нуждаются в ремонте (гарантийном обслуживании), нуждаются в ремонте только один раз в жизни. Дни между ремонтами варьируются от «пары тысяч дней» до «почти 15 000 дней» в зависимости от модели.

Восстановление данных и безопасное удаление

Твердотельные накопители поставили новые задачи перед компаниями по восстановлению данных , поскольку метод хранения данных нелинейный и гораздо более сложный, чем у жестких дисков. Стратегия внутренней работы накопителя может сильно различаться у разных производителей, а команда TRIM обнуляет весь диапазон удаленных файлов. Выравнивание износа также означает, что физический адрес данных и адрес, доступный операционной системе, различны.

Что касается безопасного удаления данных, можно использовать команду ATA Secure Erase. такую ​​программу, как hdparm Для этой цели можно использовать .

Показатели надежности

Ассоциация твердотельных технологий JEDEC (JEDEC) опубликовала стандарты показателей надежности:

• Коэффициент неустранимых битовых ошибок (UBER)
• Terabytes Written (TBW) — количество терабайт, которое можно записать на накопитель в рамках его гарантийного обслуживания.
• Записей на диск в день (DWPD) — количество раз, когда общая емкость диска может быть записана в день в течение гарантийного обслуживания.

Приложения

По состоянию на 2009 год стоимость хранения на жестких дисках была настолько низкой, что твердотельные накопители обычно использовались только для приложений, где хранения скорость была критически важной . В то время исследователи предсказывали, что стоимость снизится, а распространение увеличится. В последнее время из-за падения цен на флэш-память SSD стали более рентабельными.

В распределенной вычислительной среде твердотельные накопители можно использовать в качестве уровня распределенного кэша , который временно поглощает большой объем пользовательских запросов к более медленной внутренней системе хранения данных на основе жестких дисков. Этот уровень обеспечивает гораздо более высокую пропускную способность и меньшую задержку, чем система хранения, и может управляться в нескольких формах, таких как распределенная база данных «ключ-значение» и распределенная файловая система . В суперкомпьютерах этот уровень обычно называют пакетным буфером . Благодаря этому быстрому уровню пользователи часто сокращают время отклика системы.

Твердотельные накопители на основе флэш-памяти можно использовать для создания сетевых устройств из аппаратного обеспечения персонального компьютера общего назначения . Флэш- накопитель с защитой от записи, содержащий операционную систему и прикладное программное обеспечение, может заменить более крупные и менее надежные дисководы или компакт-диски. Устройства, построенные таким образом, могут стать недорогой альтернативой дорогостоящему оборудованию маршрутизаторов и межсетевых экранов.

SSD-накопители на базе SD-карты с операционной системой Live SD легко блокируются от записи. . В сочетании со средой облачных вычислений или другим записываемым носителем для обеспечения устойчивости операционная система , загружаемая с SD-карты с блокировкой записи, является надежной, надежной и невосприимчивой к необратимому повреждению. Если работающая ОС ухудшается, простое выключение и последующее включение машины возвращает ее в исходное неповрежденное состояние и, таким образом, она становится особенно надежной. ОС, установленная на SD-карте, не требует удаления поврежденных компонентов, поскольку она заблокирована на запись, хотя любой записанный носитель может потребоваться восстановить.

Кэш жесткого диска

В 2011 году Intel представила механизм кэширования для своего набора микросхем Z68 (и мобильных производных) под названием Smart Response Technology , который позволяет SATA использовать твердотельный накопитель в качестве кэша (настраиваемого как со сквозной записью, так и с обратной записью ) для обычного магнитного жесткого диска. дисковод. Похожая технология доступна на карте HighPoint RocketHybrid PCIe .

Твердотельные гибридные накопители (SSHD) основаны на том же принципе, но интегрируют некоторый объем флэш-памяти на борту обычного накопителя вместо использования отдельного SSD. Доступ к флэш-слою этих накопителей может осуществляться независимо от магнитного хранилища хостом с помощью команд ATA-8 , что позволяет операционной системе управлять им. Например, технология Microsoft ReadyDrive явно сохраняет части файла гибернации в кэше этих дисков, когда система переходит в спящий режим, что ускоряет последующее возобновление работы.

Гибридные системы с двумя дисками компьютера сочетают использование отдельных устройств SSD и HDD, установленных на одном компьютере, с общей оптимизацией производительности, управляемой пользователем компьютера или программным обеспечением операционной системы . Примерами систем такого типа являются bcache и dm-cache в Linux . и Apple Fusion Drive .

Поддержка файловой системы для твердотельных накопителей

Основная статья: Файловые системы, оптимизированные для флэш-памяти, твердотельных носителей

Обычно те же файловые системы , что и на жестких дисках, можно использовать и на твердотельных накопителях. Обычно ожидается, что файловая система будет поддерживать команду TRIM, которая помогает SSD перерабатывать отброшенные данные (поддержка TRIM появилась через несколько лет после самих SSD, но сейчас она почти универсальна). Это означает, что файловой системе не нужно управлять выравниванием износа или другими характеристиками флэш-памяти, поскольку они обрабатываются внутри SSD. Некоторые файловые системы с журнальной структурой (например, F2FS , JFFS2 ) помогают уменьшить усиление записи на твердотельных накопителях, особенно в ситуациях, когда изменяются только очень небольшие объемы данных, например, при обновлении метаданных файловой системы .

Хотя операционные системы не являются встроенной функцией файловых систем, они также должны стремиться к правильному выравниванию разделов , что позволяет избежать чрезмерных чтения-изменения-записи циклов . Типичная практика для персональных компьютеров — выравнивание каждого раздела так, чтобы он начинался с отметки 1 МБ (= 1 048 576 байт), что охватывает все распространенные сценарии размеров страниц и блоков SSD, поскольку он делится на все часто используемые размеры — 1 МБ, 512. КиБ, 128 КиБ, 4 КиБ и 512 Б. Современное программное обеспечение для установки операционной системы и дисковые инструменты обрабатывают это автоматически.

Линукс

Первоначальная поддержка команды TRIM была добавлена ​​в версию 2.6.28 основной ветки ядра Linux.

Файловые системы ext4 XFS , Btrfs , . , JFS и F2FS включают поддержку функции удаления (TRIM или UNMAP)

Поддержка ядра для операции TRIM была введена в версии 2.6.33 основной ветки ядра Linux, выпущенной 24 февраля 2010 года. Чтобы использовать его, файловая система должна быть смонтирована с помощью команды discard параметр. Linux Разделы подкачки по умолчанию выполняют операции удаления, если базовый диск поддерживает TRIM, с возможностью отключить их или выбрать между однократными или непрерывными операциями удаления. Поддержка TRIM с очередями, которая представляет собой функцию SATA 3.1 , благодаря которой команды TRIM не нарушают работу очередей команд, была введена в ядре Linux 3.12, выпущенном 2 ноября 2013 года.

Альтернативой операции TRIM на уровне ядра является использование утилиты пользовательского пространства, называемой фстрим который проходит через все неиспользуемые блоки файловой системы и отправляет команды TRIM для этих областей. фстрим Утилита обычно запускается cron как запланированное задание. По состоянию на ноябрь 2013 г. он используется дистрибутивом Ubuntu Linux , в котором из соображений надежности он включен только для твердотельных накопителей Intel и Samsung; проверку поставщика можно отключить, отредактировав файл /etc/cron.weekly/fstrim используя инструкции, содержащиеся в самом файле.

С 2010 года стандартные утилиты дисков Linux по умолчанию заботятся о соответствующем выравнивании разделов.

Вопросы производительности Linux

Твердотельный накопитель, использующий NVM Express в качестве интерфейса логического устройства в виде PCI Express 3.0 ×4. карты расширения

Во время установки дистрибутивы Linux обычно не настраивают установленную систему на использование TRIM и, следовательно, /etc/fstab файл требует внесения изменений вручную. Это связано с тем, что текущая реализация команды TRIM в Linux может быть неоптимальной. Было доказано, что при определенных обстоятельствах это приводит к снижению производительности вместо увеличения производительности. По состоянию на январь 2014 г. Linux отправляет отдельную команду TRIM в каждый сектор вместо векторизованного списка, определяющего диапазон TRIM, как рекомендовано спецификацией TRIM.

По соображениям производительности рекомендуется переключить планировщик ввода-вывода с CFQ по умолчанию (полностью справедливая организация очереди) на NOOP или Deadline . CFQ был разработан для традиционных магнитных носителей и требует оптимизации, поэтому многие усилия по планированию ввода-вывода напрасны при использовании с твердотельными накопителями. В рамках своей конструкции твердотельные накопители предлагают гораздо более высокий уровень параллелизма для операций ввода-вывода, поэтому предпочтительно оставить решения по планированию их внутренней логике — особенно для высокопроизводительных твердотельных накопителей.

Масштабируемый блочный уровень для высокопроизводительного SSD-накопителя, известный как blk-multiqueue или blk-mq и разработанный в основном инженерами Fusion-io , был объединен с основной веткой ядра Linux в версии ядра 3.13, выпущенной 19 января 2014 года. производительность, обеспечиваемая твердотельными накопителями и NVMe, за счет гораздо более высоких скоростей ввода-вывода. Благодаря новому дизайну блочного уровня ядра Linux внутренние очереди разделены на два уровня (очереди для каждого процессора и очереди аппаратной отправки), что устраняет узкие места и обеспечивает гораздо более высокие уровни распараллеливания ввода-вывода. Начиная с версии 4.0 ядра Linux, выпущенной 12 апреля 2015 г., блочный драйвер VirtIO , уровень SCSI (который используется драйверами Serial ATA), структура сопоставления устройств , драйвер циклического устройства , драйвер несортированных образов блоков (UBI) (который реализует уровень управления блоками стирания для устройств флэш-памяти) и драйвер RBD (который экспортирует объекты Ceph RADOS как блочные устройства) были модифицированы для фактического использования этого нового интерфейса; другие драйверы будут перенесены в следующих выпусках.

macOS

Версии, начиная с Mac OS X 10.6.8 (Snow Leopard), поддерживают TRIM, но только при использовании с твердотельным накопителем, приобретенным Apple. TRIM не включается автоматически для накопителей сторонних производителей, хотя его можно включить с помощью сторонних утилит, таких как Trim Enabler . Статус TRIM можно проверить в приложении «Информация о системе» или в system_profiler инструмент командной строки.

Версии, начиная с OS X 10.10.4 (Yosemite), включают: sudo trimforce enable как команда терминала, которая включает TRIM на твердотельных накопителях сторонних производителей. Существует также способ включения TRIM в версиях, предшествующих Mac OS X 10.6.8, хотя остается неясным, действительно ли TRIM правильно используется в этих случаях.

Microsoft Windows

До версии 7 в Microsoft Windows не предпринималось каких-либо конкретных мер по поддержке твердотельных накопителей. Начиная с Windows 7, стандартная файловая система NTFS обеспечивает поддержку команды TRIM. (Другие файловые системы в Windows 7 не поддерживают TRIM.)

По умолчанию Windows 7 и более поздние версии автоматически выполняют команды TRIM, если устройство определяется как твердотельный накопитель. Однако, поскольку TRIM необратимо сбрасывает все освобожденное пространство, может оказаться желательным отключить поддержку там, где включение восстановления данных предпочтительнее выравнивания износа. Чтобы изменить поведение, в реестра разделе HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\FileSystem значение DisableDeleteNotification можно установить на 1 . Это предотвращает выдачу драйвером запоминающего устройства команды TRIM.

Windows реализует команду TRIM не только для операций по удалению файлов. Операция TRIM полностью интегрирована с командами уровня раздела и тома, такими как форматирование и удаление , с командами файловой системы, относящимися к усечению и сжатию, а также с функцией восстановления системы (также известной как снимок тома).

Windows Виста

Windows Vista обычно предполагает использование жестких дисков, а не твердотельных накопителей. Windows Vista включает ReadyBoost для использования характеристик флэш-устройств, подключенных через USB, но для твердотельных накопителей он только улучшает выравнивание разделов по умолчанию, чтобы предотвратить операции чтения-изменения-записи, которые снижают скорость твердотельных накопителей. Большинство твердотельных накопителей обычно разделены на сектора по 4 КиБ, в то время как более ранние системы могут основываться на секторах по 512 байт с настройками разделов по умолчанию, не согласованными с границами 4 КиБ.

Дефрагментация

Дефрагментацию следует отключить на твердотельных накопителях, поскольку расположение файловых компонентов на твердотельном накопителе существенно не влияет на его производительность, но перемещение файлов, чтобы сделать их смежными с помощью процедуры Windows Defrag, приведет к ненужному износу при записи при ограниченном количестве операций записи. циклов на SSD. Функция SuperFetch не приведет к существенному повышению производительности и приведет к дополнительным нагрузкам в системе и SSD. Windows Vista не отправляет команду TRIM на твердотельные накопители, но некоторые сторонние утилиты, такие как SSD Doctor, периодически сканируют диск и TRIM соответствующие записи.

Windows 7

Windows 7 и более поздние версии имеют встроенную поддержку твердотельных накопителей. Операционная система обнаруживает наличие SSD и соответствующим образом оптимизирует работу. Для устройств SSD Windows 7 отключает ReadyBoost и автоматическую дефрагментацию. Несмотря на первоначальное заявление Стивена Синофски перед выпуском Windows 7, однако дефрагментация не отключена, хотя ее поведение на твердотельных накопителях отличается. Одной из причин является низкая производительность службы теневого копирования томов на фрагментированных твердотельных накопителях. Вторая причина — избежать достижения практического максимального количества фрагментов файлов, которое может обрабатывать том. Если этот максимум достигнут, последующие попытки записи на диск завершатся неудачно с сообщением об ошибке.

Windows 7 также включает поддержку команды TRIM для сокращения сбора мусора для данных, которые операционная система уже определила как недействительные. Без поддержки TRIM SSD не будет знать, что эти данные недействительны, и будет без необходимости продолжать перезаписывать их во время сборки мусора, что приведет к дальнейшему износу SSD. Полезно внести некоторые изменения, которые не позволят рассматривать твердотельные накопители как жесткие диски, например, отменить дефрагментацию, не заполнять их более чем на 75% емкости, не хранить на них часто записываемые файлы, такие как журналы и временные файлы, если доступен жесткий диск и включен процесс TRIM.

Windows 8.1 и более поздние версии

Windows 8.1 и более поздние версии систем Windows также поддерживают автоматический TRIM для твердотельных накопителей PCI Express на базе NVMe. Для Windows 7 для этой функции требуется обновление KB2990941, которое необходимо интегрировать в программу установки Windows с помощью DISM, если Windows 7 необходимо установить на твердотельный накопитель NVMe. Windows 8/8.1 также поддерживает команду SCSI unmap для твердотельных накопителей, подключаемых через USB, или корпусов с интерфейсом SATA-USB. SCSI Unmap — полный аналог команды SATA TRIM. Он также поддерживается по USB Attached SCSI протоколу (UASP).

Графическая программа дефрагментации диска Windows в Windows 8.1 также распознает твердотельные накопители отдельно от жестких дисков в отдельном столбце «Тип носителя» . В то время как Windows 7 поддерживала автоматическую TRIM для внутренних твердотельных накопителей SATA, Windows 8.1 и Windows 10 поддерживают ручную TRIM (с помощью функции «Оптимизация» в дефрагментации диска), а также автоматическую TRIM для твердотельных накопителей SATA, NVMe и USB. Дефрагментация диска в Windows 10 и 11 может выполнять TRIM для оптимизации SSD.

ZFS

Solaris начиная с версии 10, обновления 6 (выпущенной в октябре 2008 г.) и последних версии OpenSolaris , Solaris Express Community Edition , Illumos , Linux с ZFS в Linux и FreeBSD могут использовать твердотельные накопители в качестве повышения производительности ZFS . SSD с низкой задержкой можно использовать для журнала намерений ZFS (ZIL), где он называется SLOG. Это используется каждый раз, когда происходит синхронная запись на диск. SSD (не обязательно с низкой задержкой) также может использоваться для адаптивного замещающего кэша уровня 2 (L2ARC), который используется для кэширования данных для чтения. При использовании отдельно или в комбинации обычно наблюдается значительное увеличение производительности.

FreeBSD

ZFS для FreeBSD представила поддержку TRIM 23 сентября 2012 г. Код строит карту областей освобожденных данных; при каждой записи код обращается к карте и в конечном итоге удаляет диапазоны, которые были освобождены раньше, но теперь перезаписаны. Существует поток с низким приоритетом, который TRIMs меняет, когда придет время.

Также файловая система Unix (UFS) поддерживает команду TRIM.

Поменять разделы местами

• По словам бывшего президента подразделения Microsoft Windows Стивена Синофски , «есть несколько файлов, которые лучше всего разместить на SSD, чем файл подкачки». Согласно собранным данным телеметрии , Microsoft обнаружила, что файл pagefile.sys идеально подходит для SSD-накопителя. Однако включение файла подкачки на SSD может увеличить скорость записи на SSD.
• Разделы подкачки Linux по умолчанию выполняют операции TRIM, когда базовое блочное устройство поддерживает TRIM, с возможностью отключить их или выбрать между однократными или непрерывными операциями TRIM.
• Если операционная система не поддерживает использование TRIM в отдельных разделах подкачки , вместо этого можно использовать файлы подкачки внутри обычной файловой системы. Например, OS X не поддерживает разделы подкачки; он заменяет файлы только внутри файловой системы, поэтому он может использовать TRIM, например, когда файлы подкачки удаляются.
• DragonFly BSD позволяет также использовать раздел подкачки, настроенный на SSD, в качестве кэша файловой системы. Это можно использовать для повышения производительности как настольных, так и серверных рабочих нагрузок. Проекты bcache и , dm-cache Flashcache предоставляют аналогичную концепцию ядра Linux.

Организации по стандартизации

Ниже перечислены известные организации и органы по стандартизации, которые работают над созданием стандартов для твердотельных накопителей (и других компьютерных устройств хранения данных). В таблице ниже также указаны организации, пропагандирующие использование твердотельных накопителей. Это не обязательно исчерпывающий список.

Организация или комитет	Подкомитет:	Цель
ИНЦИТС	—	Координирует деятельность по техническим стандартам между ANSI в США и совместными комитетами ISO/IEC по всему миру.
Т10	ИНЦИТС	SCSI
Т11	ИНЦИТС	ФК
Т13	ИНЦИТС	МИНУТЫ
ДЖЕДЕК	—	Разрабатывает открытые стандарты и публикации для отрасли микроэлектроники.
JC-64.8	ДЖЕДЕК	Основное внимание уделяется стандартам и публикациям твердотельных накопителей.
НВМХКИ	—	Предоставляет стандартные программные и аппаратные интерфейсы программирования для подсистем энергонезависимой памяти.
САТА-ИО	—	Предоставляет отрасли рекомендации и поддержку по внедрению спецификации SATA.
Комитет СФФ	—	Работает над стандартами отрасли хранения данных, требующими внимания, когда они не рассматриваются другими комитетами по стандартизации.
СНИА	—	Разрабатывает и продвигает стандарты, технологии и образовательные услуги в области управления информацией.
УОНИ	СНИА	Способствует росту и успеху твердотельных накопителей

Коммерциализация

Доступность

Технология твердотельных приводов продается на военных и нишевых промышленных рынках с середины 1990-х годов.

Наряду с развивающимся корпоративным рынком твердотельные накопители стали появляться в ультрамобильных ПК и некоторых легких ноутбуках, что значительно увеличило цену ноутбука в зависимости от емкости, форм-фактора и скорости передачи данных. Для недорогих приложений USB-накопитель можно приобрести примерно за 10–100 долларов США, в зависимости от емкости и скорости; в качестве альтернативы карта CompactFlash может быть сопряжена с преобразователем CF-IDE или CF-SATA по аналогичной цене. Любой из этих способов требует решения проблем с выносливостью цикла записи, либо воздерживаясь от хранения часто записываемых файлов на диске, либо используя флэш-файловую систему . Стандартные карты CompactFlash обычно имеют скорость записи от 7 до 15 МБ/с, в то время как более дорогие карты высокого класса требуют скорости до 60 МБ/с.

Первым доступным ПК на базе твердотельного накопителя с флэш-памятью стал Sony Vaio UX90, предварительный заказ которого был объявлен 27 июня 2006 года, а поставки в Японию начались 3 июля 2006 года с жестким диском с флэш-памятью емкостью 16 ГБ. В конце сентября 2006 года Sony увеличила объем SSD в Vaio UX90 до 32 ГБ.

Одним из первых массовых выпусков SSD стал ноутбук XO , созданный в рамках проекта One Laptop Per Child . Массовое производство этих компьютеров, созданных для детей в развивающихся странах, началось в декабре 2007 года. В этих машинах используется флэш-память SLC NAND емкостью 1024 МБ в качестве основного хранилища, которое считается более подходящим для более суровых, чем обычные, условий, в которых они будут использоваться. Dell начала поставки ультрапортативных ноутбуков с твердотельными накопителями SanDisk 26 апреля 2007 года. компания Asus выпустила Eee PC с 2, 4 или 8 гигабайтами флэш-памяти. нетбук 16 октября 2007 года В 2008 году два производителя выпустили ультратонкие ноутбуки с SSD вместо необычного 1,8-дюймового жесткого диска : это был MacBook Air , выпущенный Apple 31 января, с дополнительным твердотельным накопителем емкостью 64 ГБ (стоимость этого варианта в Apple Store составила на 999 долларов больше). по сравнению с жестким диском емкостью 80 ГБ и скоростью 4200 об/мин ), И Lenovo ThinkPad X300 с аналогичным SSD на 64 гигабайта, анонсированный в феврале 2008 года. и был обновлен до варианта SSD емкостью 128 ГБ 26 августа 2008 г. с выпуском модели ThinkPad X301 (обновление, которое добавило примерно 200 долларов США).

бюджетного класса с твердотельными нетбуки В 2008 году появились накопителями. В 2009 году SSD-накопители начали появляться в ноутбуках.

14 января 2008 года корпорация EMC (EMC) стала первым поставщиком корпоративных систем хранения данных, включившим твердотельные накопители на базе флэш-памяти в свой портфель продуктов, когда объявила, что выбрала твердотельные накопители Zeus-IOPS компании STEC, Inc. для своих систем Symmetrix DMX. В 2008 году компания Sun выпустила унифицированные системы хранения данных Sun Storage 7000 (под кодовым названием Amber Road), в которых используются как твердотельные накопители, так и обычные жесткие диски, чтобы воспользоваться преимуществами скорости, предлагаемой твердотельными накопителями, а также экономичностью и емкостью, обеспечиваемыми обычными жесткими дисками.

В январе 2009 года Dell начала предлагать дополнительные твердотельные накопители емкостью 256 ГБ для некоторых моделей ноутбуков. В мае 2009 года Toshiba выпустила ноутбук с твердотельным накопителем емкостью 512 ГБ.

С октября 2010 года в линейке Apple MacBook Air в стандартной комплектации используется твердотельный накопитель. В декабре 2010 года твердотельный накопитель OCZ RevoDrive X2 PCIe был доступен емкостью от 100 до 960 ГБ, обеспечивая скорость последовательной передачи более 740 МБ/с и скорость случайной записи небольших файлов до 120 000 операций ввода-вывода в секунду. В ноябре 2010 года Fusion-io выпустила свой самый производительный твердотельный накопитель под названием ioDrive Octal с интерфейсом PCI-Express x16 Gen 2.0, объемом памяти 5,12 ТБ, скоростью чтения 6,0 ГБ/с, скоростью записи 4,4 ГБ/с и низкой задержкой. 30 микросекунд. Он имеет 1,19 млн операций ввода-вывода в секунду при чтении 512 байт и 1,18 млн операций ввода-вывода в секунду при записи 512 байт.

В 2011 году стали доступны компьютеры на базе спецификаций Intel Ultrabook . Эти спецификации диктуют, что в ультрабуках используется SSD. Это устройства потребительского уровня (в отличие от многих предыдущих предложений флэш-накопителей, предназначенных для корпоративных пользователей) и представляют собой первые широко доступные потребительские компьютеры, использующие твердотельные накопители, помимо MacBook Air. На выставке CES 2012 компания OCZ Technology продемонстрировала твердотельные накопители R4 CloudServ PCIe, способные достигать скорости передачи данных 6,5 ГБ/с и 1,4 миллиона операций ввода-вывода в секунду. Также был анонсирован Z-Drive R5, доступный емкостью до 12 ТБ, способный достигать скорости передачи данных 7,2 ГБ/с и 2,52 миллиона операций ввода-вывода в секунду с использованием PCI Express x16 Gen 3.0.

В декабре 2013 года компания Samsung представила и выпустила первый в отрасли твердотельный накопитель mSATA емкостью 1 ТБ . В августе 2015 года Samsung анонсировала твердотельный накопитель емкостью 16 ТБ, который на тот момент был самым емким устройством хранения данных в мире любого типа.

Хотя ряд компаний предлагают SSD-устройства по состоянию на 2018 год. только пять компаний, предлагающих их, на самом деле производят флэш-устройства NAND. это элемент хранения данных в твердотельных накопителях.

Качество и производительность

Основная статья: Характеристики производительности жесткого диска

В общем, производительность любого конкретного устройства может существенно различаться в разных условиях эксплуатации. Например, количество параллельных потоков, обращающихся к устройству хранения, размер блока ввода-вывода и количество оставшегося свободного пространства — все это может существенно изменить производительность (т. е. скорость передачи данных) устройства.

Технология SSD быстро развивается. Большинство измерений производительности, используемых на дисках с вращающимися носителями, также используются и на твердотельных накопителях. Производительность твердотельных накопителей на базе флэш-памяти сложно оценить из-за широкого диапазона возможных условий. В тесте, проведенном в 2010 году компанией Xssist с использованием IOmeter , 4 КБ случайным образом, 70% чтения/30% записи, глубина очереди 4, количество операций ввода-вывода в секунду, обеспечиваемое Intel X25-E 64 ГБ G1, начиналось с 10 000 операций ввода-вывода в секунду и резко снижалось через 8 минут. до 4000 IOPS и продолжал постепенно снижаться в течение следующих 42 минут. Число операций ввода-вывода в секунду варьируется от 3000 до 4000 примерно в течение 50 минут и до конца 8-часового тестового запуска.

Разработчики флэш-накопителей корпоративного уровня пытаются продлить срок службы за счет увеличения избыточного выделения ресурсов и использования выравнивания износа .

Продажи

В 2009 году поставки твердотельных накопителей составили 11 миллионов единиц. 17,3 миллиона единиц в 2011 году на общую сумму 5 миллиардов долларов США, 39 миллионов единиц в 2012 году и, как ожидается, вырастет до 83 миллионов единиц в 2013 году. до 201,4 млн единиц в 2016 году и до 227 миллионов единиц в 2017 году.

Доходы рынка твердотельных накопителей (включая недорогие решения для ПК) во всем мире составили 585 миллионов долларов США в 2008 году, увеличившись более чем на 100% с 259 миллионов долларов США в 2007 году.

См. также

• Плата твердотельного накопителя
• Список производителей твердотельных накопителей
• Список производителей контроллеров флэш-памяти
• Жесткий диск
• Рейд
• Модуль флэш-ядра
• RAM-накопитель

Дальнейшее чтение

• «Твердотельная революция: подробно о том, как на самом деле работают SSD» . Ли Хатчинсон. Арс Техника. 4 июня 2012 г.
• Май Чжэн, Джозеф Тучек, Фэн Цинь, Марк Лиллибридж, « Понимание устойчивости твердотельных накопителей при сбоях питания », FAST'13
• Ченг Ли, Филип Шилейн, Фред Дуглис, Хён Шим, Стивен Смэлдон, Грант Уоллес, « Nitro: SSD-кэш с оптимизированной емкостью для основного хранилища », USENIX ATC'14

Внешние ссылки

Предыстория и общее

• Понимание твердотельных накопителей и новых накопителей от OCZ
• График 30-летнего роста рынка твердотельных дисков
• Расследование: ваш SSD надежнее жесткого диска? – долгосрочный обзор надежности SSD

Другой

• JEDEC продолжает усилия по стандартизации твердотельных накопителей
• Linux и NVM: проблемы файловой системы и системы хранения (PDF)
• Оптимизация Linux и SSD
• Понимание надежности твердотельных накопителей при сбоях питания (USENIX 2013, Май Чжэн, Джозеф Тучек, Фэн Цинь и Марк Лиллибридж)