Твердотельный накопитель

«SSD» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. SSD (значения) .

«Электронный диск» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. 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
Задумано:	1978 год ( 1978 )
Емкость:	45 МБ
По состоянию на 2024 год
Емкость:	До 200 ТБ

Твердотельный накопитель Intel mSATA

Samsung M.2 NVMe Твердотельный накопитель

( 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.

По сравнению с жесткими дисками и аналогичными электромеханическими магнитными накопителями , имеющими движущиеся части, твердотельные накопители обычно бесшумны, устойчивы к физическим ударам и (в значительной степени из-за более низкой задержки ) имеют более высокую скорость ввода-вывода .

SSD хранит данные в полупроводниковых ячейках, а свойства SSD варьируются в зависимости от количества битов, хранящихся в каждой ячейке, которое варьируется от 1 до 4. Однобитовые ячейки («одноуровневые ячейки» или «SLC») обычно являются наиболее надежными. долговечный, быстрый и дорогой тип по сравнению с 2- и 3-битными ячейками («Многоуровневые ячейки/MLC» и «Трехуровневые ячейки/TLC») и, наконец, четырехбитными ячейками («QLC»). используется для потребительских устройств, которые не требуют таких экстремальных свойств и являются самыми дешевыми на единицу хранения. Кроме того, память 3D XPoint (продаваемая Intel под брендом Optane) хранит данные за счет изменения электрического сопротивления ячеек вместо сохранения электрических зарядов в ячейках, а твердотельные накопители, изготовленные из оперативной памяти, можно использовать для обеспечения высокой скорости, когда данные сохраняются после потери питания. не требуется или может использовать энергию аккумулятора для сохранения данных, когда обычный источник питания недоступен. Гибридные диски или твердотельные гибридные диски (SSHD), такие как Intel Hystor. и от Apple Fusion Drive , объединяют функции SSD и HDD в одном устройстве, используя как флэш-память , так и вращающиеся магнитные диски, чтобы повысить производительность часто используемых данных. Bcache достигает аналогичного эффекта исключительно программно, используя комбинацию выделенных обычных твердотельных накопителей и жестких дисков.

Твердотельные накопители на основе флэш-памяти NAND медленно теряют заряд, когда они не подключены к питанию. Часто используемые потребительские накопители (у которых превышен предел выносливости) могут начать терять данные, как правило, через год (при хранении при 30 °C) или два года (при 25 °C) хранения; для новых дисков это может занять больше времени. Корпоративные диски могут потерять данные уже через 3 месяца отсутствия питания при температуре 40 °C. Поэтому SSD-накопители не подходят для архивного хранения .

Твердотельные накопители могут использовать традиционные интерфейсы и форм-факторы жестких дисков или более новые интерфейсы и форм-факторы, которые используют особые преимущества флэш-памяти твердотельных накопителей. Традиционные интерфейсы (например, SATA и SAS ) и стандартные форм-факторы жестких дисков позволяют использовать такие твердотельные накопители в качестве замены жестких дисков в компьютерах и других устройствах. Новые форм-факторы, такие как mSATA , M.2 , U.2 , NF1 / M.3 / NGSFF , XFM Express ( кроссоверная флэш-память , форм-фактор XT2) и EDSFF (ранее известный как Ruler SSD ) а более высокоскоростные интерфейсы, такие как NVM Express (NVMe) через PCI Express (PCIe), могут еще больше повысить производительность по сравнению с производительностью жесткого диска. SSD-накопители имеют ограниченное количество операций записи в течение всего срока службы, а также замедляются по мере достижения полной емкости хранилища.

Развитие и история

Исторически самые низкие розничные цены на компьютерную память и хранилище

Ранние твердотельные накопители, использующие ОЗУ и аналогичные технологии

Ранним, если не первым, полупроводниковым запоминающим устройством, совместимым с интерфейсом жесткого диска (например, твердотельным накопителем, как определено), было StorageTek STC 4305 1978 года, совместимая с разъемами замена IBM 2305 фиксированного жесткого диска . Первоначально в качестве хранилища использовались устройства с зарядовой связью (CCD) (позже перешли на DRAM ), и, как следствие, сообщалось, что он в семь раз быстрее, чем продукт IBM , и стоит примерно вдвое дешевле (400 000 долларов за емкость 45 МБ). До SSD StorageTek было много DRAM и ядер (например, DATARAM BULK Core, 1976 г.). продукты, продаваемые как альтернатива жестким дискам, но обычно они имеют интерфейсы памяти и не являются твердотельными накопителями в соответствии с определением.

В конце 1980-х годов компания Zitel предложила семейство твердотельных накопителей на базе DRAM под торговой маркой «RAMDisk» для использования, среди прочего, в системах UNIVAC и Perkin-Elmer.

SSD-накопители с использованием Flash

Эволюция твердотельных накопителей

Параметр	Началось с	Разработано для	Улучшение
Емкость	20 МБ (Сандиск, 1991 г.)	100 ТБ (Enterprise Nimbus Data DC100, 2018 г.) (По состоянию на 2024 год потребителям доступно до 16 ТБ)	5 миллионов к одному (800 000 к одному )
Скорость последовательного чтения	49,3 МБ/с (Samsung MCAQE32G5APP-0XA, 2007 г.)	15 ГБ/с (демонстрация Gigabyte, 2019 г.) (По состоянию на июнь 2024 г. для потребителей доступно до 14,5 ГБ/с)	304,25 к одному (294 к одному)
Скорость последовательной записи	80 МБ/с (Samsung Enterprise SSD, 2008 г.)	15,200 ГБ/с (демонстрация Gigabyte, 2019 г.) (По состоянию на июнь 2024 г. для потребителей доступно до 12,7 ГБ/с)	190 к одному (159 к одному)
операций ввода-вывода в секунду	79 (Самсунг MCAQE32G5APP-0XA, 2007 г.)	2 500 000 (Предприятие Micron X100, 2019 г.) (По состоянию на июнь 2024 г. для потребителей доступно до 1 550 000 операций ввода-вывода в секунду при чтении и 1 800 000 операций ввода-вывода в секунду при записи)	31 645,56 к одному (Потребитель: прочтите IOPS: 19 620 к одному, напишите IOPS: 22785-к-одному)
Время доступа (в миллисекундах, мс)	0,5 (Самсунг MCAQE32G5APP-0XA, 2007 г.)	0,045 чтение, 0,013 запись (минимальные значения, WD Black SN850 1 ТБ, 2020 г.)	Читать: 11 к одному, Напишите: 38 к одному
Цена	50 000 долларов США за гигабайт (Sandisk, 1991 г.)	0,05 доллара США за гигабайт (Silicon Power A60, июль 2020 г.)	10 000 000 к одному

Основа твердотельных накопителей на основе флэш-памяти — флэш-память — была изобретена Фудзио Масуокой из Toshiba в 1980 году. и коммерциализирован Toshiba в 1987 году. Основатели SanDisk Corporation (тогда SunDisk) Эли Харари и Санджай Мехротра вместе с Робертом Д. Норманом увидели потенциал флэш-памяти как альтернативы существующим жестким дискам и подали патент на твердотельный накопитель на основе флэш-памяти в 1989 году. Первый коммерческий твердотельный накопитель на базе флэш-памяти был выпущен компанией SanDisk в 1991 году. Это был твердотельный накопитель емкостью 20 МБ в конфигурации PCMCIA , который продавался OEM по цене около 1000 долларов и использовался IBM в ноутбуке ThinkPad. 2,5 и 3,5 дюйма В 1998 году SanDisk представила твердотельные накопители форм-фактора с PATA . интерфейсами

В 1995 году компания STEC, Inc. начала заниматься производством флэш-памяти для бытовых электронных устройств.

В 1995 году компания M-Systems представила твердотельные накопители на базе флэш-памяти. в качестве замены жестких дисков в военной и аэрокосмической промышленности, а также для других критически важных приложений. Эти приложения требуют, чтобы твердотельный накопитель выдерживал экстремальные удары, вибрацию и температурные диапазоны.

В 1999 году BiTMICRO представила и анонсировала ряд SSD-накопителей на базе флэш-памяти, в том числе SSD на 18 ГБ. 3,5-дюймовый твердотельный накопитель. В 2007 году Fusion-io анонсировала твердотельный накопитель на базе PCIe с производительностью 100 000 операций ввода-вывода в секунду (IOPS) на одной карте и емкостью до 320 ГБ.

На выставке Cebit 2009 компания OCZ Technology продемонстрировала процессор емкостью 1 ТБ. флэш-накопитель SSD с использованием интерфейса PCI Express ×8. Он достиг максимальной скорости записи 0,654 гигабайта в секунду ( ГБ/с ) и максимальной скорости чтения 0,712 ГБ/с. В декабре 2009 года Micron Technology анонсировала твердотельный накопитель с 6 гигабит в секунду ( Гбит/с ) интерфейсом SATA .

В 2016 году компания Seagate продемонстрировала скорость последовательного чтения и записи 10 ГБ/с у 16-канального твердотельного накопителя PCIe 3.0 и твердотельного накопителя емкостью 60 ТБ в форм-факторе 3,5 дюйма. Samsung также выпустила на рынок твердотельный накопитель емкостью 15,36 ТБ по цене 10 000 долларов США с интерфейсом SAS, форм-фактором 2,5 дюйма, но толщиной с 3,5-дюймовые диски. Это был первый случай, когда коммерчески доступный твердотельный накопитель имел большую емкость, чем самый большой из доступных в настоящее время жестких дисков.

В 2018 году и Samsung, и Toshiba выпустили твердотельные накопители емкостью 30,72 ТБ с тем же форм-фактором 2,5 дюйма, но с толщиной диска 3,5 дюйма и с интерфейсом SAS. Nimbus Data анонсировала и, как сообщается, поставила диски емкостью 100 ТБ с интерфейсом SATA. Ожидается, что жесткие диски достигнут такой емкости не раньше 2025 года. Samsung представила твердотельный накопитель M.2 NVMe со скоростью чтения 3,5 ГБ/с и скоростью записи 3,3 ГБ/с. Новая версия твердотельного накопителя емкостью 100 ТБ была выпущена в 2020 году по цене 40 000 долларов США, а версия на 50 ТБ стоила 12 500 долларов США.

В 2019 году компания Gigabyte Technology 2019 16-канальный твердотельный накопитель PCIe 4.0 емкостью 8 ТБ со скоростью последовательного чтения 15,0 ГБ/с и последовательной записи 15,2 ГБ/с. продемонстрировала на выставке Computex Он включал в себя вентилятор , поскольку новые высокоскоростные твердотельные накопители работают при высоких температурах. . Также в 2019 году были выпущены твердотельные накопители NVMe M.2 с интерфейсом PCIe 4.0. Эти твердотельные накопители имеют скорость чтения до 5,0 ГБ/с и скорость записи до 4,4 ГБ/с. Из-за высокой скорости работы в этих твердотельных накопителях используются большие радиаторы, и без достаточного потока охлаждающего воздуха они обычно термически снижаются примерно через 15 минут непрерывной работы на полной скорости. Samsung также представила твердотельные накопители со скоростью последовательного чтения и записи 8 ГБ/с и 1,5 миллиона операций ввода-вывода в секунду, способные перемещать данные с поврежденных чипов на неповрежденные, что позволяет твердотельным накопителям продолжать нормально работать, хотя и с меньшей емкостью.

в 2021 году было объявлено о выпуске NVMe 2.0 с зональными пространствами имен (ZNS), которые позволяют сопоставлять данные непосредственно с их физическим местоположением в памяти для прямого доступа к ним на SSD без уровня трансляции флэш-памяти.

В 2024 году Samsung анонсировала первый в мире твердотельный накопитель с гибридным интерфейсом PCIe — Samsung 990 EVO. Гибридный интерфейс работает либо в режимах x4 PCIe 4.0, либо в режимах x2 PCIe 5.0, впервые для твердотельных накопителей M.2.

Корпоративные флешки

Виды сверху и снизу 2,5-дюймовой модели Intel DC S3700 с экраном 100 ГБ SATA 3.0 (6 Гбит/с)

Корпоративные флэш-накопители ( EFD ) предназначены для приложений, требующих высокой производительности ввода-вывода ( IOPS ), надежности, энергоэффективности и, с недавних пор, стабильной производительности. В большинстве случаев EFD — это твердотельный накопитель с более высоким набором характеристик по сравнению с твердотельными накопителями, которые обычно используются в ноутбуках. Этот термин был впервые использован EMC в январе 2008 года для обозначения производителей твердотельных накопителей, которые будут предоставлять продукты, соответствующие этим более высоким стандартам. Не существует органов по стандартизации, которые контролируют определение EFD, поэтому любой производитель твердотельных накопителей может заявлять, что производит EFD, хотя на самом деле продукт может не соответствовать каким-либо конкретным требованиям.

Примером может служить серия накопителей Intel DC S3700, представленная в четвертом квартале 2012 года, в которой основное внимание уделяется достижению стабильной производительности — области, которой не уделялось особого внимания, но которая, по утверждению Intel, важна для корпоративного рынка; В частности, Intel утверждает, что в устойчивом состоянии накопители S3700 не будут изменять свои операции ввода-вывода более чем на 10–15% и что 99,9% всех произвольных операций ввода-вывода размером 4 КБ обслуживаются менее чем за 500 мкс.

Другим примером является серия корпоративных твердотельных накопителей Toshiba PX02SS, анонсированная в 2016 году, оптимизированная для использования в серверных платформах и платформах хранения данных, требующих высокой надежности от приложений с интенсивными операциями записи, таких как кэширование записи, ускорение ввода-вывода и онлайн-обработка транзакций (OLTP). Серия PX02SS использует интерфейс SAS 12 Гбит/с, оснащен флэш-памятью MLC NAND и обеспечивает скорость произвольной записи до 42 000 операций ввода-вывода в секунду, скорость произвольного чтения до 130 000 операций ввода-вывода в секунду и рейтинг выносливости 30 операций записи на диск в день (DWPD).

Диски, использующие другие технологии постоянной памяти

В 2017 году первые продукты с памятью 3D XPoint были выпущены под Intel брендом Optane; 3D Xpoint полностью отличается от флэш-памяти NAND и хранит данные, используя другие принципы. SSD-накопители на базе 3D XPoint имеют более высокие показатели IOPS (до 2,5 миллионов), но более низкую скорость последовательного чтения/записи, чем их аналоги на NAND-флэш-памяти.

Архитектура и функции

Ключевыми компонентами SSD являются контроллер и память для хранения данных. Основным компонентом памяти твердотельного накопителя традиционно была DRAM энергозависимая память , но с 2009 года чаще используется флэш-память NAND энергонезависимая .

Контроллер

Каждый твердотельный накопитель включает в себя контроллер , в состав которого входит электроника, соединяющая компоненты памяти NAND с главным компьютером . Контроллер представляет собой встроенный процессор, выполняющий код уровня прошивки и являющийся одним из наиболее важных факторов производительности SSD. Некоторые из функций, выполняемых контроллером, включают в себя:

• Плохое сопоставление блоков
• Кэширование чтения и записи
• Шифрование
• Крипто-измельчение
• Обнаружение и исправление ошибок с помощью кода исправления ошибок (ECC), такого как код BCH .
• Сбор мусора
• Прочитайте очистку и прочитайте управление нарушениями
• Выравнивание износа

Производительность твердотельного накопителя может масштабироваться в зависимости от количества параллельных микросхем флэш-памяти NAND, используемых в устройстве. Одиночный чип NAND может работать относительно медленно из-за узкого асинхронного интерфейса ввода-вывода (типичен для SLC NAND, 8/16-битного асинхронного интерфейса ввода-вывода) и дополнительной высокой задержки основных операций ввода-вывода (типичен для SLC NAND, ~25 мкс для извлечения страницы размером 4 КиБ из массива в буфер ввода-вывода при чтении, ~250 мкс для фиксации страницы размером 4 КиБ из буфера ввода-вывода в массив при записи, ~2 мс для стирания страницы размером 256 КиБ блокировать). Когда несколько микросхем NAND работают параллельно внутри твердотельного накопителя, пропускная способность и долговечность масштабируются, а высокие задержки могут быть уменьшены, пока выполняется достаточное количество ожидающих операций и нагрузка равномерно распределяется между устройствами.

Micron и Intel изначально создавали более быстрые твердотельные накопители, реализуя чередование данных (аналогично RAID 0 ) и чередование в своей архитектуре. Это позволило в 2009 году создать твердотельные накопители с эффективной скоростью чтения/записи 250 МБ/с и интерфейсом SATA 3 Гбит/с. Два года спустя SandForce продолжила использовать это параллельное подключение флэш-памяти, выпустив SSD-контроллеры потребительского уровня SATA 6 Гбит/с, которые поддерживали скорость чтения/записи 500 МБ/с. Контроллеры SandForce сжимают данные перед отправкой во флэш-память. Этот процесс может привести к меньшему объему записи и более высокой логической пропускной способности, в зависимости от сжимаемости данных.

Выравнивание износа

Основные статьи: Выравнивание износа и усиление записи

Если определенный блок программируется и стирается неоднократно без записи в какие-либо другие блоки, этот блок изнашивается раньше всех остальных блоков, что приводит к преждевременному прекращению срока службы SSD. По этой причине контроллеры SSD используют метод, называемый выравниванием износа , для максимально равномерного распределения операций записи по всем флэш-блокам SSD. В идеальном сценарии это позволило бы записать каждый блок до максимального срока его службы, чтобы все они вышли из строя одновременно.

Процесс равномерного распределения записей требует перемещения данных, ранее записанных и не изменяющихся (холодные данные), чтобы данные, которые изменяются чаще (горячие данные), могли быть записаны в эти блоки. Перемещение данных увеличивает скорость записи и увеличивает износ флэш-памяти, поэтому необходимо найти баланс между этими соображениями производительности и эффективностью выравнивания износа.

Память

Флэш-память

Сравнение архитектур

Сравнительные характеристики	МЛК : СЛК	НЕ- : НО
Коэффициент стойкости	1 : 10	1 : 10
Коэффициент последовательной записи	1 : 3	1 : 4
Коэффициент последовательного чтения	1 : 1	1 : 5
Соотношение цен	1 : 1.3	1 : 0.7

Большинство производителей твердотельных накопителей используют энергонезависимую NAND флэш-память в конструкции своих твердотельных накопителей из-за более низкой стоимости по сравнению с DRAM и способности сохранять данные без постоянного источника питания, обеспечивая сохранность данных даже при внезапных отключениях электроэнергии. SSD-накопители с флэш-памятью изначально были медленнее, чем решения DRAM, а некоторые ранние конструкции после длительного использования были даже медленнее, чем жесткие диски. Эту проблему решили контроллеры, вышедшие в 2009 году и позже.

SSD-накопители на основе флэш-памяти хранят данные в микросхемах металл-оксид-полупроводник (МОП) интегральных , которые содержат энергонезависимые с плавающим затвором ячейки памяти . Решения на основе флэш-памяти обычно выпускаются в стандартных форм-факторах дисков (1,8-, 2,5- и 3,5-дюймовых), а также в более компактных форм-факторах, таких как форм-фактор M.2 , что стало возможным благодаря небольшому размеру. размер флэш-памяти.

В более дешевых накопителях обычно используется флэш-память с четырехуровневыми ячейками (QLC), трехуровневыми ячейками (TLC) или, реже, с многоуровневыми ячейками (MLC), которая медленнее и менее надежна, чем флэш-память с одноуровневыми ячейками (SLC). память. Это можно смягчить или даже обратить вспять с помощью внутренней структуры SSD, например, чередования, изменений в алгоритмах записи и т. д. и более высокий уровень избыточного выделения ресурсов (больше избыточной мощности), с которым могут работать алгоритмы выравнивания износа.

Были представлены твердотельные накопители, основанные на технологии V-NAND , в которой слои ячеек расположены вертикально.

ДРАМ

См. Также: I-RAM и HyperOs HyperDrive.

Твердотельные накопители на основе энергозависимой памяти, такой как DRAM, характеризуются очень быстрым доступом к данным, обычно менее 10 микросекунд , и используются в первую очередь для ускорения приложений, которые в противном случае сдерживались бы задержкой флэш -накопителей или традиционных жестких дисков.

Твердотельные накопители на базе DRAM обычно включают в себя либо внутреннюю батарею, либо внешний адаптер переменного/постоянного тока и резервные системы хранения для обеспечения сохранности данных, когда на диск не подается питание из внешних источников. В случае пропадания питания батарея обеспечивает питание, в то время как вся информация копируется из оперативной памяти (ОЗУ) в резервное хранилище. При восстановлении электропитания информация копируется обратно в оперативную память из резервного хранилища, и SSD возобновляет нормальную работу (аналогично функции гибернации, используемой в современных операционных системах).

Твердотельные накопители этого типа обычно оснащены модулями DRAM того же типа, которые используются в обычных ПК и серверах, которые можно заменять модулями большего размера. Такие как i-RAM , HyperOs HyperDrive , DDRdrive X1 и т. д. Некоторые производители твердотельных накопителей DRAM припаивают чипы DRAM непосредственно к диску и не планируют заменять чипы, например ZeusRAM, Aeon Drive и т. д.

Удаленный диск с непрямым доступом к памяти (RIndMA Disk) использует дополнительный компьютер с быстрой сетью или (прямым) соединением Infiniband и действует как твердотельный накопитель на базе ОЗУ, но новые, более быстрые твердотельные накопители на основе флэш-памяти уже доступны в 2009 делают этот вариант не таким экономически эффективным.

В то время как цена DRAM продолжает падать, цена флэш-памяти падает еще быстрее. Точка пересечения «Flash становится дешевле, чем DRAM» произошла примерно в 2004 году.

3D XPoint

В 2015 году Intel и Micron анонсировали 3D XPoint как новую технологию энергонезависимой памяти . Корпорация Intel выпустила первый накопитель на базе 3D XPoint (под торговой маркой Intel Optane SSD) в марте 2017 года, начиная с продукта для центров обработки данных Intel Optane SSD DC P4800X Series и клиентской версии Intel Optane SSD 900P Series в октябре 2017 года. Оба продукта работают быстрее и долговечнее, чем твердотельные накопители на базе NAND, при этом плотность записи сопоставима и составляет 128 гигабит на чип. По цене за бит 3D XPoint дороже, чем NAND, но дешевле, чем DRAM.

Другой

Некоторые твердотельные накопители, называемые устройствами NVDIMM или Hyper DIMM , используют как DRAM, так и флэш-память. При отключении питания SSD копирует все данные из своей DRAM во флэш-память; когда питание возобновляется, SSD копирует все данные из флэш-памяти в DRAM. Подобным образом некоторые твердотельные накопители используют форм-факторы и шины, фактически предназначенные для модулей DIMM, при этом используют только флэш-память и создают впечатление, будто это DRAM. Такие твердотельные накопители обычно называются устройствами ULLtraDIMM .

Диски, известные как гибридные диски или твердотельные гибридные диски (SSHD), используют гибрид вращающихся дисков и флэш-памяти. Некоторые твердотельные накопители используют магниторезистивную память с произвольным доступом (MRAM) для хранения данных.

Кэш или буфер

SSD-накопитель на основе флэш-памяти может использовать небольшой объем DRAM в качестве энергозависимого кэша, аналогично буферам на жестких дисках. Каталог размещения блоков и данных нивелировки износа также сохраняется в кэше во время работы накопителя. Один из производителей SSD-контроллеров, SandForce , не использует в своих конструкциях внешний кэш DRAM, но при этом добивается высокой производительности. Такое исключение внешней DRAM снижает энергопотребление и позволяет еще больше уменьшить размер твердотельных накопителей. На MLC твердотельных накопителях кэширования SLC может использоваться механизм . На NVMe твердотельных накопителях буфера памяти хоста может использоваться механизм . Клиентские твердотельные накопители могут использовать небольшой объем DRAM для кэширования таблиц FTL; Серверные SSD-накопители могут использовать больший объем DRAM для кэширования таблиц FTL и записанных данных, чтобы уменьшить усиление записи .

Батарея или суперконденсатор

Еще одним компонентом высокопроизводительных твердотельных накопителей является конденсатор или какая-либо батарея, которые необходимы для поддержания целостности данных , чтобы данные в кэше могли быть сброшены на диск при отключении питания; некоторые могут даже удерживать питание достаточно долго, чтобы сохранять данные в кэше до возобновления подачи питания. В случае флэш-памяти MLC может возникнуть проблема, называемая повреждением нижней страницы , когда флэш-память MLC теряет питание во время программирования верхней страницы. В результате данные, записанные ранее и предположительно безопасные, могут быть повреждены, если память не поддерживается суперконденсатором в случае внезапного отключения питания. Эта проблема не существует с флэш-памятью SLC.

Многие твердотельные накопители потребительского класса имеют встроенные конденсаторы, позволяющие сохранить хотя бы таблицу сопоставления FTL на случай неожиданной потери питания; среди примеров — серии Crucial M500 и MX100, серия Intel 320, и более дорогие Intel 710 и 730 серий. Твердотельные накопители корпоративного класса, такие как серия Intel DC S3700, обычно имеют встроенные батареи или суперконденсаторы.

Хост-интерфейс

адаптеру USB Твердотельный накопитель (SSD) M.2 (2242), подключенный к 3.0 и подключенный к компьютеру.

SSD с 1,2 ТБ MLC NAND, использующий PCI Express в качестве хост-интерфейса.

Хост-интерфейс физически представляет собой разъем, сигнализация которого управляется контроллером SSD . Чаще всего это один из интерфейсов жестких дисков. Они включают в себя:

• SCSI с последовательным подключением (SAS-3, 12,0 Гбит/с) – обычно встречается на серверах.
• Варианты Serial ATA и mSATA (SATA 3.0, 6,0 Гбит/с)
• PCI Express (PCIe 3.0 ×4, 31,5 Гбит/с)
• M.2 (6,0 Гбит/с для интерфейса логического устройства SATA 3.0, 31,5 Гбит/с для PCIe 3.0 ×4)
• U.2 (PCIe 3.0 ×4)
• Fibre Channel (128 Гбит/с) – встречается почти исключительно на серверах.
• USB (10 Гбит/с)
• Параллельный ATA (UDMA, 1064 Мбит/с) – в основном заменен на SATA.
• (Параллельный) SCSI (40–2560 Мбит/с) – обычно встречается на серверах, в основном заменяется SAS ; последний SSD на базе SCSI был представлен в 2004 году.

Твердотельные накопители поддерживают различные интерфейсы логических устройств, такие как расширенный интерфейс хост-контроллера (AHCI) и NVMe. Интерфейсы логических устройств определяют наборы команд, используемые операционными системами для связи с твердотельными накопителями и адаптерами главной шины (HBA).

Конфигурации

Размер и форма любого устройства во многом определяются размером и формой компонентов, из которых оно изготовлено. Традиционные жесткие диски и оптические приводы сконструированы вокруг вращающегося диска (дисков) или оптического диска вместе со шпиндельным двигателем внутри. Поскольку твердотельный накопитель состоит из различных взаимосвязанных интегральных схем (ИС) и интерфейсного разъема, его форма больше не ограничивается формой вращающихся носителей. Некоторые твердотельные решения для хранения данных имеют корпус большего размера, который может даже представлять собой форм-фактор для установки в стойку с многочисленными твердотельными накопителями внутри. Все они будут подключаться к общей шине внутри корпуса и подключаться снаружи коробки с помощью одного разъема.

Для общего использования компьютера наиболее популярным является форм-фактор 2,5 дюйма (обычно встречающийся в ноутбуках и используемый для большинства твердотельных накопителей SATA). Для настольных компьютеров со слотами для 3,5-дюймовых жестких дисков можно использовать простую переходную пластину для установки такого диска. Другие типы форм-факторов более распространены в корпоративных приложениях. SSD также может быть полностью интегрирован в другую схему устройства, как в Apple MacBook Air (начиная с модели осени 2010 года). По состоянию на 2014 год , форм-факторы mSATA и M.2 также завоевали популярность, прежде всего в ноутбуках.

Стандартные форм-факторы жестких дисков

Твердотельный накопитель форм-фактора 2,5-дюймового жесткого диска, открытый для демонстрации твердотельной электроники. Пустые места рядом с микросхемами NAND предназначены для дополнительных микросхем NAND, что позволяет использовать одну и ту же конструкцию печатной платы на нескольких моделях накопителей разной емкости; другие приводы вместо этого могут использовать печатную плату, размер которой увеличивается вместе с емкостью накопителя, оставляя остальную часть накопителя пустой.

Преимущество использования текущего форм-фактора жестких дисков будет заключаться в использовании уже существующей обширной инфраструктуры для установки и подключения дисков к хост-системе. Эти традиционные форм-факторы известны по размеру вращающегося носителя (т. е. 5,25 дюйма, 3,5 дюйма, 2,5 дюйма или 1,8 дюйма), а не по размерам корпуса накопителя.

Стандартные форм-факторы карт

Основные статьи: mSATA и M.2

Для приложений, где пространство ограничено, например, для ультрабуков или планшетных компьютеров , несколько компактных форм-факторов были стандартизированы для твердотельных накопителей на базе флэш-памяти.

Существует форм-фактор mSATA, в котором используется физическая компоновка карты PCI Express Mini Card . Он остается электрически совместимым со спецификацией интерфейса PCI Express Mini Card, но требует дополнительного подключения к хост-контроллеру SATA через тот же разъем.

Форм-фактор M.2 , ранее известный как форм-фактор следующего поколения (NGFF), представляет собой естественный переход от mSATA и используемой физической компоновки к более удобному и более совершенному форм-фактору. В то время как mSATA использовал преимущества существующего форм-фактора и разъема, M.2 был разработан для максимального использования пространства карты при минимальной занимаемой площади. Стандарт M.2 позволяет SATA и PCI Express на модули M.2. устанавливать твердотельные накопители

Некоторые высокопроизводительные накопители большой емкости используют стандартный PCI Express форм -фактор карты расширения для размещения дополнительных микросхем памяти, допускают использование более высоких уровней мощности и позволяют использовать большой радиатор . Существуют также платы-адаптеры, которые преобразуют накопители других форм-факторов, особенно накопители M.2 с интерфейсом PCIe, в обычные карты расширения.

Форм-факторы «диск на модуле»

Диск на модуле емкостью 2 ГБ с интерфейсом PATA.

Диск -на-модуле ( DOM ) — это флэш-накопитель с 40/44-контактным интерфейсом Parallel ATA (PATA) или SATA , предназначенный для подключения непосредственно к материнской плате и использования в качестве жесткого диска компьютера (HDD). . Устройства DOM имитируют традиционный жесткий диск, поэтому нет необходимости в специальных драйверах или другой поддержке конкретной операционной системы. DOM обычно используются во встроенных системах , которые часто развертываются в суровых условиях, где механические жесткие диски просто выходят из строя, или в тонких клиентах из-за небольшого размера, низкого энергопотребления и бесшумной работы.

По состоянию на 2016 год Емкость хранилища варьируется от 4 МБ до 128 ГБ с различными вариантами физической компоновки, включая вертикальную или горизонтальную ориентацию.

Форм-факторы коробки

Во многих решениях на основе DRAM используется корпус, который часто предназначен для установки в стойку. Количество компонентов DRAM, необходимое для получения достаточной емкости для хранения данных вместе с источниками резервного питания, требует большего пространства, чем традиционные форм-факторы жестких дисков.

Форм-факторы «голой платы»

• 
  Многослойные твердотельные накопители Viking Technology SATA Cube и AMP SATA Bridge
• 
  Твердотельный накопитель Viking Technology на базе SATADIMM
• 
  Форм-фактор твердотельного накопителя MO-297 SATA «накопитель на модуле» (DOM)
• 
  Твердотельный накопитель SATA со специальным разъемом

Форм-факторы, которые были более распространены для модулей памяти, теперь используются в твердотельных накопителях, чтобы воспользоваться их гибкостью при размещении компонентов. Некоторые из них включают PCIe , mini PCIe , mini-DIMM , MO-297 и многие другие. SATADIMM от Viking Technology использует пустой слот DDR3 DIMM на материнской плате для подачи питания на твердотельный накопитель с помощью отдельного разъема SATA для обеспечения обратного подключения данных к компьютеру. В результате получается простой в установке твердотельный накопитель емкостью, равной емкости накопителей, которые обычно занимают полный отсек для 2,5-дюймового диска . По крайней мере, один производитель, Innodisk , выпустил диск, который подключается непосредственно к разъему SATA (SATADOM) на материнской плате без необходимости использования кабеля питания. Некоторые твердотельные накопители основаны на форм-факторе PCIe и подключают интерфейс данных и питание через разъем PCIe к хосту. Эти накопители могут использовать либо контроллеры флэш-памяти Direct PCIe, либо прямые флэш-контроллеры PCIe. или мостовое устройство PCIe-to-SATA, которое затем подключается к флэш-контроллерам SATA.

Существуют также твердотельные накопители в форме карт PCIe, их иногда называют твердотельными накопителями HHHL (половинная высота и половина длины) или AIC (дополнительная карта).

Форм-факторы массива шариковых решеток

В начале 2000-х годов несколько компаний представили твердотельные накопители в форм-факторе Ball Grid Array (BGA), например от M-Systems (теперь SanDisk ). DiskOnChip и Silicon Storage Technology NANDrive от (сейчас производится Greenliant Systems ) и M1000 компании Memoright. для использования во встроенных системах. Основными преимуществами твердотельных накопителей BGA являются их низкое энергопотребление, небольшой размер корпуса микросхемы, позволяющий вписаться в компактные подсистемы, а также возможность пайки непосредственно на системную материнскую плату для снижения негативного воздействия вибрации и ударов.

Такие встроенные накопители часто соответствуют стандартам eMMC и eUFS .

Сравнение с другими технологиями

Жесткие диски

См. также: Характеристики производительности жесткого диска.

Тест SSD, показывающий скорость чтения около 230 МБ/с (синий), скорость записи 210 МБ/с (красный) и время поиска около 0,1 мс (зеленый), все независимо от местоположения диска, к которому осуществляется доступ.

Сравнивать твердотельные накопители и обычные (вращающиеся) жесткие диски сложно. Традиционные тесты HDD, как правило, фокусируются на характеристиках производительности, которые у HDD плохие, таких как задержка вращения и время поиска . Поскольку твердотельным накопителям не нужно вращаться или искать данные, в таких тестах они могут значительно превосходить жесткие диски. Однако у твердотельных накопителей возникают проблемы со смешанным чтением и записью, и их производительность может со временем ухудшиться. Тестирование твердотельного накопителя необходимо начинать с (используемого) полного диска, поскольку новый и пустой (свежий, готовый к использованию) диск может иметь гораздо лучшую производительность записи, чем он будет показывать после нескольких недель использования.

Большинство преимуществ твердотельных накопителей перед традиционными жесткими дисками обусловлено их способностью получать доступ к данным полностью электронным, а не электромеханическим способом, что приводит к превосходной скорости передачи и механической прочности. С другой стороны, жесткие диски предлагают значительно большую емкость за свою цену.

Некоторые показатели отказов на местах указывают на то, что твердотельные накопители значительно более надежны, чем жесткие диски. но другие этого не делают. Однако твердотельные накопители исключительно чувствительны к внезапному отключению питания, что приводит к прерыванию записи или даже к полной потере диска. Надежность как жестких дисков, так и твердотельных накопителей сильно различается в зависимости от модели.

Как и в случае с жесткими дисками, существует компромисс между стоимостью и производительностью различных твердотельных накопителей. SSD-накопители с одноуровневыми ячейками (SLC), хотя и значительно дороже, чем твердотельные накопители с многоуровневыми ячейками (MLC), предлагают значительное преимущество в скорости. В то же время твердотельные накопители на базе DRAM в настоящее время считаются самыми быстрыми и дорогостоящими: среднее время отклика составляет 10 микросекунд вместо средних 100 микросекунд, как у других твердотельных накопителей. Корпоративные флэш-устройства (EFD) предназначены для удовлетворения требований приложений уровня 1, обеспечивая производительность и время отклика, аналогичные менее дорогим твердотельным накопителям.

На традиционных жестких дисках перезаписанный файл обычно занимает то же место на поверхности диска, что и исходный файл, тогда как на твердотельных накопителях новая копия часто записывается в другие ячейки NAND с целью нивелировки износа . Алгоритмы выравнивания износа сложны, и их трудно полностью протестировать; в результате одной из основных причин потери данных на твердотельных накопителях являются ошибки прошивки.

В следующей таблице представлен подробный обзор преимуществ и недостатков обеих технологий. Сравнения отражают типичные характеристики и могут не соответствовать конкретному устройству.

Сравнение SSD и HDD на базе NAND

Атрибут или характеристика	Твердотельный накопитель	Жесткий диск
Цена за емкость	SSD-накопители, как правило, дороже, чем жесткие диски, и ожидается, что они останутся таковыми до 2020-х годов. Цена SSD по состоянию на первый квартал 2018 года составляет около 30 центов (США) за гигабайт для моделей емкостью 4 ТБ. Цены в целом снижались ежегодно, и по состоянию на 2018 г. ожидается, что они будут продолжать это делать.	Цена на HDD по состоянию на первый квартал 2018 года составляет около 2–3 центов (США) за гигабайт для моделей емкостью 1 ТБ. Цены в целом снижались ежегодно, и по состоянию на 2018 г. ожидается, что они будут продолжать это делать.
Емкость хранилища	В 2018 году SSD были доступны объёмом до 100 ТБ. но более распространенными были менее дорогие модели емкостью от 120 до 512 ГБ.	В 2023 году HDD до 30 ТБ были доступны.
Надежность – сохранение данных	Если оставить без питания изношенные твердотельные накопители, они могут начать терять данные уже через три месяца хранения, в зависимости от температуры и типа твердотельного накопителя. Новые диски могут сохранять данные значительно дольше в зависимости от использования до отключения питания. SSD-накопители могут не подходить для использования в архивах.	При хранении в сухой среде при низких температурах жесткие диски могут сохранять данные в течение очень длительного периода времени даже без питания. Однако механические детали со временем имеют тенденцию затвердевать, и привод перестает раскручиваться после нескольких лет хранения.
Надежность – долговечность	У твердотельных накопителей нет движущихся частей, которые могли бы выйти из строя механически, поэтому теоретически они должны быть более надежными, чем жесткие диски. Однако на практике это неясно. Каждый блок SSD-накопителя на основе флэш-памяти можно стереть (и, следовательно, записать) только ограниченное количество раз, прежде чем он выйдет из строя. Контроллеры справляются с этим ограничением, поэтому диски могут работать в течение многих лет при нормальном использовании. SSD-накопители на базе DRAM не имеют ограниченного количества операций записи. Однако выход из строя контроллера может сделать SSD непригодным для использования. Надежность значительно различается у разных производителей и моделей твердотельных накопителей, при этом процент возврата для конкретных накопителей достигает 40%. Многие твердотельные накопители критически выходят из строя при отключении электроэнергии; Исследование многих твердотельных накопителей, проведенное в декабре 2013 года, показало, что только некоторые из них способны выдержать множественные отключения электроэнергии. Исследование Facebook показало, что разреженное расположение данных в физическом адресном пространстве твердотельного накопителя (например, данные, расположенные несмежно), плотное расположение данных (например, смежные данные) и более высокая рабочая температура (которая коррелирует с мощностью, используемой для передачи данных) - все это приводит к к увеличению частоты отказов среди твердотельных накопителей. Однако твердотельные накопители претерпели множество изменений, которые сделали их более надежными и долговечными. По состоянию на 2018 год В твердотельных накопителях, представленных на рынке, используются схемы защиты от потери мощности, методы выравнивания износа и тепловое регулирование для обеспечения долговечности.	Жесткие диски имеют движущиеся части и подвержены потенциальным механическим поломкам в результате износа, поэтому теоретически они должны быть менее надежными, чем твердотельные накопители. Однако на практике это неясно. Сам носитель информации (магнитная пластина) существенно не ухудшается от операций чтения и записи. Согласно исследованию, проведенному Университетом Карнеги-Меллона , для жестких дисков как потребительского, так и корпоративного уровня средняя частота отказов составляет 6 лет, а ожидаемый срок службы — 9–11 лет. Однако риск внезапной катастрофической потери данных для жестких дисков может быть ниже. При длительном хранении в автономном режиме (без питания на полке) магнитный носитель жесткого диска сохраняет данные значительно дольше, чем флэш-память, используемая в твердотельных накопителях.
Время запуска	Почти мгновенно; никаких механических компонентов для подготовки. Для выхода из автоматического режима энергосбережения может потребоваться несколько миллисекунд.	диска Раскрутка может занять несколько секунд. Системе с большим количеством дисков может потребоваться ступенчатое ускорение, чтобы ограничить потребляемую пиковую мощность, которая кратковременно становится высокой при первом запуске жесткого диска.
Производительность последовательного доступа	В потребительских товарах максимальная скорость передачи данных обычно составляет от 200 МБ/с до 3500 МБ/с. в зависимости от привода. Корпоративные твердотельные накопители могут иметь пропускную способность в несколько гигабайт в секунду.	Когда головка расположена, при чтении или записи непрерывной дорожки современный жесткий диск может передавать данные со скоростью около 200 МБ/с. Скорость передачи данных зависит также от скорости вращения, которая может составлять от 3600 до 15 000 об/мин. а также по дорожке (чтение с внешних дорожек происходит быстрее). Скорость передачи данных может достигать 480 МБ/с (экспериментально).
Производительность с произвольным доступом	Время произвольного доступа обычно менее 0,1 мс. Поскольку данные могут быть получены непосредственно из различных мест флэш-памяти, время доступа обычно не является серьезным узким местом производительности. Производительность чтения не меняется в зависимости от того, где хранятся данные. В приложениях, где поиск на жестком диске является ограничивающим фактором, это приводит к более быстрой загрузке и запуску приложений (см. закон Амдала ). Технология SSD может обеспечить довольно стабильную скорость чтения/записи, но при доступе к множеству отдельных блоков меньшего размера производительность снижается. Флэш-память должна быть стерта, прежде чем ее можно будет перезаписать. Это требует избыточного количества операций записи сверх запланированного (феномен, известный как усиление записи ), что отрицательно влияет на производительность. Твердотельные накопители обычно демонстрируют небольшое, но устойчивое снижение производительности записи в течение всего срока службы, хотя средняя скорость записи некоторых накопителей может улучшаться с возрастом.	чтения Время задержки намного выше, чем у SSD. Время произвольного доступа составляет от 2,9 (серверный накопитель высокого класса) до 12 мс (HDD ноутбука) из-за необходимости перемещать головки и ждать, пока данные повернутся под магнитной головкой. Время чтения разное для каждого поиска, поскольку расположение данных и расположение головы, вероятно, различаются. Если необходимо получить доступ к данным из разных областей диска, как в случае с фрагментированными файлами, время ответа будет увеличено из-за необходимости поиска каждого фрагмента.
Влияние фрагментации файловой системы	Польза от последовательного чтения данных ограничена (помимо типичных размеров блоков FS, скажем, 4 КиБ ), что делает фрагментацию незначительной для твердотельных накопителей. Дефрагментация может привести к износу из-за дополнительных записей во флэш-ячейках NAND, срок службы которых ограничен. Однако даже при использовании твердотельных накопителей существует практический предел фрагментации, которую могут выдержать определенные файловые системы; как только этот предел будет достигнут, последующие выделения файлов завершатся неудачно. Следовательно, дефрагментация все же может потребоваться, хотя и в меньшей степени.	Некоторые файловые системы, такие как NTFS , со временем становятся фрагментированными, если их часто записывать; Для поддержания оптимальной производительности требуется периодическая дефрагментация. Обычно это не проблема в современных файловых системах, таких как ext4 , поскольку они реализуют такие методы, как выделение при сбросе, для уменьшения фрагментации файлов, пока остается достаточно места на диске.
Акустический шум	Твердотельные накопители не имеют движущихся частей и поэтому бесшумны, хотя на некоторых твердотельных накопителях может возникать высокий шум от генератора высокого напряжения (для стирания блоков).	Жесткие диски имеют движущиеся части ( головки , привод и двигатель шпинделя ) и издают характерные звуки жужжания и щелчков; уровни шума варьируются в зависимости от частоты вращения, но могут быть значительными (хотя часто намного ниже, чем звук охлаждающих вентиляторов). Жесткие диски ноутбуков относительно тихие.
Контроль температуры	Исследование Facebook показало, что при рабочих температурах выше 40 °C (104 °F) частота отказов твердотельных накопителей увеличивается с ростом температуры. , дело обстоит иначе, Однако с новыми дисками, использующими термическое регулирование хотя и с потенциальным ущербом для производительности. На практике твердотельные накопители обычно не требуют специального охлаждения и могут выдерживать более высокие температуры, чем жесткие диски. Некоторые твердотельные накопители, в том числе высокопроизводительные корпоративные модели, установленные в виде дополнительных карт или устройств с 2,5-дюймовым отсеком, а также высокопроизводительные модели NVMe для настольных ПК, могут поставляться с радиаторами для рассеивания выделяемого тепла, требующего для работы определенных объемов воздушного потока.	Температура окружающей среды выше 35 °C (95 °F) может сократить срок службы жесткого диска, а надежность будет снижена при температуре диска выше 55 °C (131 °F). Охлаждение вентилятором может потребоваться, если в противном случае температура превысит эти значения. На практике современные жесткие диски можно использовать без каких-либо специальных устройств для охлаждения.
Самая низкая рабочая температура	Твердотельные накопители могут работать при температуре –55 °C (–67 °F).	Большинство современных жестких дисков могут работать при температуре 0 °C (32 °F).
Максимальная высота при работе	У SSD с этим проблем нет.	Жесткие диски могут безопасно работать на высоте не более 3000 метров (10000 футов). Жесткие диски не будут работать на высоте более 12 000 метров (40 000 футов). С появлением гелиевого наполнения (запечатанных) жестких дисках, ожидается, что это будет меньшей проблемой.
Переход из холодной среды в более теплую.	У SSD с этим проблем нет. Благодаря механизму термического регулирования твердотельные накопители надежно защищены и защищены от температурного дисбаланса.	Определенное время акклиматизации может потребоваться при перемещении некоторых жестких дисков из холодной среды в более теплую перед их эксплуатацией; в зависимости от влажности на головках и/или дисках может образоваться конденсат, и немедленное включение устройства приведет к повреждению таких компонентов. Современные гелиевые жесткие диски герметичны и такой проблемы не имеют.
Дыхательное отверстие	SSD-накопителям не требуется вентиляционное отверстие.	Большинству современных жестких дисков для правильной работы требуется вентиляционное отверстие. Устройства, наполненные гелием, герметичны и не имеют отверстия.
Восприимчивость к факторам окружающей среды	Нет движущихся частей, очень устойчив к ударам , вибрации, движению и загрязнению.	Головки, летающие над быстро вращающимися дисками, подвержены ударам, вибрации, движениям и загрязнениям, которые могут повредить носитель.
Установка и монтаж	Не чувствителен к ориентации, вибрации или ударам. Обычно нет открытых схем. В устройстве в форме карты могут быть открыты электрические схемы, и их нельзя закорачивать проводящими материалами.	Схемы могут быть открытыми, и их нельзя замыкать накоротко проводящими материалами (например, металлическим корпусом компьютера). Должен быть установлен для защиты от вибрации и ударов. Некоторые жесткие диски не следует устанавливать в наклонном положении.
Восприимчивость к магнитным полям	Незначительное воздействие на флэш-память, однако электромагнитный импульс может повредить любую электрическую систему, особенно интегральные схемы .	Как правило, магниты или магнитные скачки могут привести к повреждению данных или механическому повреждению внутренних компонентов накопителя. Металлический корпус привода обеспечивает низкий уровень экранирования магнитных пластин.
Вес и размер	SSD-накопители, по сути, полупроводниковые устройства памяти, установленные на печатной плате, небольшие и легкие. Они часто имеют тот же форм-фактор, что и жесткие диски (2,5-дюймовые или 1,8-дюймовые), или представляют собой пустые печатные платы (M.2 и mSATA). Корпуса большинства основных моделей, если таковые имеются, изготовлены в основном из пластика или легкого металла. Высокопроизводительные модели часто имеют радиаторы, прикрепленные к устройству, или имеют громоздкие корпуса, которые служат радиатором, что увеличивает его вес.	Жесткие диски обычно тяжелее твердотельных накопителей, поскольку корпуса сделаны в основном из металла и содержат тяжелые предметы, такие как двигатели и большие магниты. 3,5-дюймовые накопители обычно весят около 700 граммов (1,5 фунта).
Ограничения безопасной записи	Флэш-память NAND не может быть перезаписана, ее необходимо перезаписать в ранее стертые блоки. Если программа программного шифрования шифрует данные, уже находящиеся на SSD, перезаписанные данные по-прежнему остаются незащищенными, незашифрованными и доступными (аппаратное шифрование на основе диска не имеет этой проблемы). Кроме того, данные не могут быть безопасно удалены путем перезаписи исходного файла без специальных процедур «Безопасного стирания», встроенных в диск.	Жесткие диски могут перезаписывать данные непосредственно на диске в любом конкретном секторе. Однако прошивка накопителя может заменять поврежденные блоки запасными областями, поэтому отдельные фрагменты все равно могут присутствовать. Жесткие диски некоторых производителей заполняют нулями весь диск, включая перемещенные сектора, по команде ATA Secure Erase Enhanced Erase.
Симметрия производительности чтения/записи	Менее дорогие твердотельные накопители обычно имеют скорость записи значительно ниже скорости чтения. Более производительные твердотельные накопители имеют схожие скорости чтения и записи.	Жесткие диски обычно имеют немного большее (худшее) время поиска для записи, чем для чтения.
Доступность бесплатного блока и TRIM	На производительность записи SSD существенно влияет наличие свободных программируемых блоков. Ранее записанные блоки данных, которые больше не используются, могут быть восстановлены с помощью TRIM ; однако даже при использовании TRIM меньшее количество свободных блоков приводит к снижению производительности.	На жесткие диски не влияют свободные блоки, и TRIM может не помочь им.
Потребляемая мощность	Высокопроизводительные твердотельные накопители на базе флэш-памяти обычно требуют от половины до трети мощности жестких дисков. Высокопроизводительные твердотельные накопители DRAM обычно требуют столько же энергии, что и жесткие диски, и их необходимо подключать к питанию, даже когда остальная часть системы выключена. Новые технологии, такие как DevSlp, могут минимизировать энергопотребление простаивающих дисков.	Жесткие диски с наименьшим энергопотреблением (размером 1,8 дюйма) могут потреблять всего 0,35 Вт в режиме ожидания. 2,5-дюймовые накопители обычно потребляют от 2 до 5 Вт. Самые высокопроизводительные 3,5-дюймовые накопители могут потреблять до 20 Вт.
Максимальная плотность хранения данных (терабиты на квадратный дюйм)	2.8	1.2

Карты памяти

Основная статья: Карта памяти

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 спецификации 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 твердотельных накопителя, участвовавших в тесте, записали в три раза больше данных (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).
• Частота 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 выровненными по границам 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 для обеспечения их непрерывности 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 обновлен до варианта SSD на 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 г. корпорация EMC (EMC) стала первым поставщиком корпоративных систем хранения данных, включившим твердотельные накопители на базе флэш-памяти в свой портфель продуктов, объявив, 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-памяти, 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, IOPS, обеспечиваемый Intel X25-E 64 ГБ G1, начинался с 10 000 IOPS и резко падал 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)