Твердотельный накопитель

Твердотельный накопитель

2,5-дюймовый твердотельный накопитель Serial ATA
Использование флеш-памяти
Представлен:	SanDisk
Дата введения:	1991 ; 30 лет назад ( 1991 )
Емкость:	20 МБ (форм-фактор 2,5 дюйма)
Оригинальная концепция
К:	Корпорация технологий хранения
Задумано:	1978 ; 43 года назад ( 1978 )
Емкость:	45 МБ
По состоянию на 2019 год[Обновить]
Емкость:	До 60–100 ТБ

MSATA SSD с внешним корпусом

Твердотельный накопитель Samsung 960 PRO NVMe M.2 512 ГБ

Твердотельный накопитель ( SSD ) представляет собой твердотельный хранения устройство , которое использует интегральных схем сборки для хранения данных постоянно , как правило , с использованием флэш - памяти , а также функционирует в качестве вторичного хранения в иерархии памяти ЭВМ . Он также иногда называют твердотельным устройством или твердотельным диском , ^[1] , даже если SSD - накопители не имеют физические вращающиеся диски и подвижные головки для чтения и записи , используемых в жестких дисках (HDD) и гибких диски . ^[2]

По сравнению с электромеханическими накопителями твердотельные накопители обычно более устойчивы к физическим ударам, работают бесшумно, имеют более быстрое время доступа и меньшую задержку . ^[3] SSD хранят данные в полупроводниковых ячейках. По состоянию на 2019 год ^{[Обновить]}ячейки могут содержать от 1 до 4 бит данных. Устройства хранения SSD различаются по своим свойствам в зависимости от количества битов, хранящихся в каждой ячейке, при этом однобитовые ячейки («SLC»), как правило, являются наиболее надежными, долговечными, быстрыми и дорогими типами по сравнению с 2- и 3-битными ячейками. ячейки («MLC» и «TLC») и, наконец, четырехбитовые ячейки («QLC»), используемые для потребительских устройств, которые не требуют таких экстремальных свойств и являются самыми дешевыми из четырех. Кроме того,3D XPointпамять (продается Intel под брендом Optane) хранит данные путем изменения электрического сопротивления ячеек вместо хранения электрических зарядов в ячейках, а твердотельные накопители, изготовленные из ОЗУ, могут использоваться для высокой скорости, когда сохранение данных после потери питания не требуется, или может использовать аккумуляторную батарею для сохранения данных, когда его обычный источник питания недоступен. ^[4] Гибридные диски или твердотельные гибридные диски (SSHD), такие как Apple Fusion Drive , объединяют функции твердотельных и жестких дисков в одном устройстве, используя как флэш-память, так и жесткий диск, чтобы повысить производительность часто используемых данных. ^{[5] [6] [7]}

Твердотельные накопители на основе флэш-памяти NAND со временем будут медленно пропускать заряд, если их оставить на длительное время без питания. Это приводит к тому, что изношенные диски (которые превысили свой предел прочности) начинают терять данные, как правило, через год (при хранении при 30 ° C) до двух лет (при 25 ° C) хранения; для новых дисков требуется больше времени. ^[8] Следовательно, твердотельные накопители не подходят для архивного хранения . 3D XPoint - возможное исключение из этого правила; это относительно новая технология с неизвестными характеристиками долговременного хранения данных.

Твердотельные накопители могут использовать традиционные интерфейсы и форм-факторы жестких дисков или более новые интерфейсы и форм-факторы, которые используют определенные преимущества флэш-памяти в твердотельных накопителях. 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, ^{[9] [10]} XFMEXPRESS ^[11] и EDSFF (ранее известный как Ruler SSD ) ^{[12] [13]} и интерфейсы с более высокой скоростью, такие как NVM Express (NVMe) болееPCI Express может еще больше повысить производительность по сравнению с производительностью жесткого диска. ^[4]

Твердотельные накопители имеют ограниченное количество операций записи и медленны по мере достижения емкости хранилища.

Развитие и история [ править ]

Ранние твердотельные накопители с использованием ОЗУ и аналогичной технологии [ править ]

Ранним - если не первым - полупроводниковым запоминающим устройством, совместимым с интерфейсом жесткого диска (например, твердотельным накопителем, как определено), был StorageTek STC 4305 1978 года . STC 4305 , изначально предназначенный для замены дисковода с фиксированной головкой IBM 2305, совместимый с разъемами использовала устройства с зарядовой связью (CCD) для хранения и, следовательно, сообщалось, что она была в семь раз быстрее, чем продукт IBM примерно за половину цены (400 000 долларов за емкость 45 МБ) ^[14]. Позже он перешел на DRAM . До StorageTek SSD было много продуктов DRAM и ядер (например, DATARAM BULK Core, 1976) ^[15], которые продавались как альтернативы жестким дискам, но эти продукты обычно имели интерфейсы памяти и не были твердотельными накопителями, как определено.

В конце 1980-х Zitel предложил семейство продуктов SSD на основе DRAM под торговым названием RAMDisk для использования в системах UNIVAC и Perkin-Elmer, среди прочих.

SSD-накопители на основе флэш-памяти [ править ]

Основа для SSD на основе флеш-памяти, флеш-память, была изобретена Фудзио Масуока в Toshiba в 1980 году ^[36] и коммерциализирована Toshiba в 1987 году. ^{[37] [38]} Основатели SanDisk Corporation (тогда SanDisk) Эли Харари и Санджай Мехротра , а также 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. ^[39] Первый коммерческий твердотельный накопитель на основе флэш-памяти был поставлен SanDisk в 1991 году. ^[36] Это был твердотельный накопитель емкостью 20 МБ в конфигурации PCMCIA , который продавался OEM-производителем примерно за 1000 долларов и использовался IBM в ноутбуке ThinkPad.^[40] В 1998 году SanDisk представила твердотельные накопители в форм-факторах 2½ и 3½синтерфейсами PATA . ^[41]

В 1995 году компания STEC, Inc. начала производство флэш-памяти для бытовых электронных устройств. ^[42]

В 1995 году M-Systems представила твердотельные накопители на основе флэш-памяти ^{[43] в} качестве замены жестких дисков для военной и аэрокосмической промышленности, а также для других критически важных приложений. Для этих приложений требуется способность твердотельного накопителя выдерживать экстремальные удары, вибрацию и температурные диапазоны. ^[44]

В 1999 году компания BiTMICRO сделала ряд представлений и объявлений о твердотельных накопителях на основе флэш-памяти, включая 3,5-дюймовый твердотельный накопитель объемом 18  ГБ ^[45] . ^[46] В 2007 году Fusion-io анонсировала твердотельный накопитель на базе PCIe с производительностью 100 000  операций ввода-вывода в секунду (IOPS) на одной карте с емкостью до 320 ГБ. ^[47]

На выставке Cebit 2009 компания OCZ Technology продемонстрировала флэш-SSD емкостью 1  ТБ ^[48] с использованием интерфейса PCI Express × 8. Он достиг максимальной скорости записи 0,654 гигабайт в секунду ( ГБ / с ) и максимальной скорости чтения 0,712 ГБ / с. ^[49] В декабре 2009 года Micron Technology анонсировала SSD, использующий интерфейс SATA со скоростью 6  гигабит в секунду ( Гбит / с ) . ^[50]

В 2016 году Seagate продемонстрировала скорость последовательного чтения и записи 10 ГБ / с с 16-полосного твердотельного накопителя PCIe 3.0, а также продемонстрировала твердотельный накопитель емкостью 60 ТБ в 3,5-дюймовом форм-факторе. Samsung также выпустила на рынок твердотельный накопитель емкостью 15,36 ТБ по цене 10 000 долларов США с использованием интерфейса SAS, форм-фактора 2,5 дюйма, но с толщиной 3,5-дюймовых дисков. Это был первый случай, когда коммерчески доступный SSD имел большую емкость, чем самый большой из доступных в настоящее время HDD. ^{[51] [52] [53] [54] [55]}

В 2018 году и Samsung, и Toshiba представили на рынке твердотельные накопители емкостью 30,72 ТБ в том же форм-факторе 2,5 дюйма, но с толщиной диска 3,5 дюйма и интерфейсом SAS. Nimbus Data анонсировала и, как сообщается, поставила диски емкостью 100 ТБ с использованием интерфейса SATA, емкость жестких дисков не ожидается до 2025 года. Samsung представила твердотельный накопитель M.2 NVMe со скоростью чтения 3,5 ГБ / с и скорости записи 3,3 ГБ / с. ^{[56] [57] [58] [59] [60] [61] [62]} Новая версия твердотельного накопителя емкостью 100 ТБ была выпущена в 2020 году по цене 40 000 долларов США, а версия на 50 ТБ - 12 500 долларов США. ^{[63] [64]}

В 2019 году компания Gigabyte Technology продемонстрировала на Computex 2019 16-полосный твердотельный накопитель PCIe 4.0 емкостью 8 ТБ со скоростью последовательного чтения 15,0 ГБ / с и последовательной записи 15,2 ГБ / с. В его состав входит вентилятор , так как новые высокоскоростные твердотельные накопители работают при высоких температурах. ^[65] 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 их высокой скорости работы в этих твердотельных накопителях используются большие радиаторы, и, если они не получают достаточного охлаждающего потока воздуха, обычно происходит термическое дросселирование после примерно 15 минут непрерывной работы на полной скорости. ^[66]Samsung также представила твердотельные накопители, обеспечивающие скорость последовательного чтения и записи 8 ГБ / с и 1,5 миллиона операций ввода-вывода в секунду, способные перемещать данные с поврежденных микросхем на неповрежденные микросхемы, чтобы твердотельный накопитель продолжал нормально работать, хотя и с меньшей емкостью. ^{[67] [68] [69]}

Корпоративные флэш-накопители [ править ]

Корпоративные флэш-накопители ( EFD ) предназначены для приложений, требующих высокой производительности ввода-вывода ( IOPS ), надежности, энергоэффективности и, в последнее время, стабильной производительности. В большинстве случаев EFD - это SSD с более высоким набором характеристик по сравнению с SSD, которые обычно используются в ноутбуках. Этот термин впервые был использован EMC в январе 2008 года, чтобы помочь им определить производителей твердотельных накопителей, которые будут предоставлять продукты, соответствующие этим более высоким стандартам. ^[70] Нет органов по стандартизации, которые контролировали бы определение EFD, поэтому любой производитель SSD может заявить, что производит EFD, хотя на самом деле продукт может фактически не соответствовать каким-либо конкретным требованиям. ^[71]

Примером может служить серия жестких дисков Intel DC S3700, представленная в четвертом квартале 2012 года и ориентированная на достижение стабильной производительности - области, которая ранее не привлекала особого внимания, но которая, по утверждениям Intel, является важной для корпоративного рынка. В частности, Intel утверждает, что в устойчивом состоянии диски S3700 не изменят свои IOPS более чем на 10–15% и что 99,9% всех 4-килобайтных случайных операций ввода-вывода обслуживаются менее чем за 500 мкс. ^[72]

Другим примером является серия корпоративных SSD Toshiba PX02SS, анонсированная в 2016 году, которая оптимизирована для использования на платформах серверов и хранилищ, требующих высокой надежности от приложений с интенсивной записью, таких как кэширование записи, ускорение ввода-вывода и онлайн-обработка транзакций (OLTP). Серия PX02SS использует интерфейс SAS 12 Гбит / с с 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). ^[73]

Твердотельные накопители на основе 3D XPoint имеют более высокую скорость случайного чтения (более высокий IOPS), но более низкую скорость последовательного чтения / записи, чем их аналоги на флэш-памяти NAND. У них может быть до 2,5 миллионов операций ввода-вывода в секунду. ^{[74] [75]}

Диски, использующие другие технологии постоянной памяти [ править ]

В 2017 году под брендом Intel Optane были выпущены первые продукты с памятью 3D XPoint . 3D Xpoint полностью отличается от флэш-памяти NAND и хранит данные с использованием других принципов.

Архитектура и функции [ править ]

Ключевыми компонентами твердотельного накопителя являются контроллер и память для хранения данных. Основным компонентом памяти в твердотельных накопителях традиционно была энергозависимая память DRAM , но с 2009 года это чаще всего является энергонезависимой флэш -памятью NAND . ^{[76] [4]}

Контроллер [ править ]

Каждый SSD включает в себя контроллер, который включает в себя электронику, соединяющую компоненты памяти NAND с главным компьютером . Контроллер - это встроенный процессор, который выполняет код на уровне прошивки и является одним из наиболее важных факторов производительности SSD. ^[77] Некоторые из функций, выполняемых контроллером, включают: ^{[78] [79]}

• Плохое отображение блоков
• Чтение и запись кеширования
• Шифрование
• Крипто-измельчение
• Обнаружение и исправление ошибок с помощью кода исправления ошибок (ECC), такого как код BCH ^[80]
• Вывоз мусора
• Прочтите очистку и прочтите управление тревогами
• Выравнивание износа

Производительность SSD может масштабироваться с количеством параллельных микросхем флэш-памяти NAND, используемых в устройстве. Один чип NAND является относительно медленным из-за узкого (8/16 бит) интерфейса асинхронного ввода-вывода и дополнительной высокой задержки базовых операций ввода-вывода (типично для SLC NAND, ~ 25  мкс для выборки страницы размером 4  КиБ из массив в буфер ввода-вывода при чтении, ~ 250 мкс для фиксации страницы 4 КиБ из буфера ввода-вывода в массив при записи, ~ 2 мс для стирания блока 256 КиБ). Когда несколько устройств NAND работают параллельно внутри твердотельного накопителя, пропускная способность масштабируется, а высокие задержки могут быть скрыты до тех пор, пока не завершено достаточное количество невыполненных операций и нагрузка равномерно распределяется между устройствами. ^[81]

Micron и Intel изначально сделали более быстрые твердотельные накопители, реализовав чередование данных (аналогично RAID 0 ) и чередование в своей архитектуре. Это позволило создать сверхбыстрые твердотельные накопители с эффективной скоростью чтения / записи 250 МБ / с с интерфейсом SATA 3 Гбит / с в 2009 году. ^[82] Два года спустя SandForce продолжила использовать эту возможность параллельного подключения флеш-памяти, выпустив потребительский класс. Контроллеры SATA 6 Гбит / с SSD, поддерживающие скорость чтения / записи 500 МБ / с. ^[83] Контроллеры SandForce сжимают данные перед их отправкой во флэш-память. Этот процесс может привести к меньшему количеству записи и более высокой логической пропускной способности, в зависимости от сжимаемости данных. ^[84]

Выравнивание износа [ править ]

Если конкретный блок программируется и стирается неоднократно без записи в какие-либо другие блоки, этот блок изнашивается раньше всех других блоков, тем самым преждевременно заканчивая срок службы SSD. По этой причине контроллеры SSD используют метод, называемый выравниванием износа, для максимально равномерного распределения операций записи по всем блокам флэш-памяти в SSD.

В идеальном сценарии это позволило бы каждому блоку быть записанным до его максимального срока службы, чтобы все они выходили из строя одновременно. Процесс равномерного распределения записей требует перемещения ранее записанных и неизменяемых данных (холодные данные), чтобы в эти блоки можно было записать данные, которые изменяются чаще (горячие данные). Перемещение данных увеличивает усиление записи и увеличивает износ флэш-памяти. Дизайнеры стремятся минимизировать и то, и другое. ^{[85] [86]}

Память [ править ]

Флэш-память [ править ]

Большинство производителей твердотельных накопителей используют энергонезависимую флэш-память NAND при создании своих твердотельных накопителей из-за более низкой стоимости по сравнению с DRAM и возможности сохранять данные без постоянного источника питания, обеспечивая сохранение данных при внезапных отключениях электроэнергии. ^{[88] [89]} SSD-накопители с флэш-памятью изначально были медленнее, чем решения DRAM, а некоторые ранние разработки были даже медленнее, чем жесткие диски после продолжительного использования. Эта проблема была решена контроллерами, выпущенными в 2009 году и позже. ^[90]

Твердотельные накопители на основе флэш-памяти хранят данные в микросхемах интегральных схем металл-оксид-полупроводник (MOS), которые содержат энергонезависимые ячейки памяти с плавающим затвором . ^[91] Решения на основе флэш-памяти обычно выпускаются в стандартных форм-факторах дисковых накопителей (1,8-, 2,5- и 3,5-дюймовые), а также в меньших и более компактных форм-факторах, таких как форм-фактор M.2. малым размером флеш-памяти.

В более дешевых дисках обычно используется флэш-память с трехуровневыми ячейками (TLC) или многоуровневыми ячейками (MLC), которая работает медленнее и менее надежна, чем флэш-память с одноуровневой ячейкой (SLC). ^{[92] [93]} Это может быть смягчено или даже отменено внутренней структурой твердотельного накопителя, такой как чередование, изменение алгоритмов записи, ^[93] и более высокая избыточная подготовка (большая избыточная емкость), с помощью которой выравнивается износ алгоритмы могут работать. ^{[94] [95] [96]}

Были представлены твердотельные накопители, основанные на технологии V-NAND , в которой слои ячеек уложены вертикально. ^[97]

DRAM [ править ]

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

Твердотельные накопители на основе DRAM обычно включают в себя либо внутреннюю батарею, либо внешний адаптер переменного / постоянного тока и системы резервного хранения данных, чтобы гарантировать постоянство данных, когда на накопитель не подается питание от внешних источников. При отключении питания аккумулятор обеспечивает питание, в то время как вся информация копируется из оперативной памяти (RAM) в резервное хранилище. Когда питание восстанавливается, информация копируется обратно в ОЗУ из резервного хранилища, и SSD возобновляет нормальную работу (аналогично функции гибернации, используемой в современных операционных системах). ^{[98] [99]}

Твердотельные накопители этого типа обычно оснащены модулями DRAM того же типа, что и на обычных ПК и серверах, которые могут быть заменены более крупными модулями. ^[100] Такие как i-RAM , HyperOs HyperDrive , DDRdrive X1 и т. Д. Некоторые производители твердотельных накопителей DRAM припаивают чипы DRAM непосредственно к накопителю и не предполагают замену чипов, например ZeusRAM, Aeon Drive и т. Д. . ^[101]

Пульт, косвенная диск доступа к памяти (RIndMA Disk) использует вторичный компьютер с высокоскоростной сетью или (прямой) Infiniband соединения действовать как RAM на основе SSD, но на основе нового, быстрее флэш-памяти, SSD - накопители уже доступны 2009 год делает этот вариант не таким рентабельным. ^[102]

В то время как цена DRAM продолжает падать, цена флэш-памяти падает еще быстрее. Точка кроссовера «Flash становится дешевле DRAM» произошла примерно в 2004 году. ^{[103] [104]}

3D XPoint [ править ]

В 2015 году Intel и Micron анонсировали 3D XPoint как новую технологию энергонезависимой памяти . ^[105] 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 серии P4800X, а затем с клиентской версией - Intel® Optane ™ SSD серии 900P в октябре 2017 года. Оба продукта работают быстрее и долговечнее, чем твердотельные накопители на базе NAND, а плотность записи сопоставима - 128 гигабит на чип. ^{[106] [107] [108] [109]} По цене за бит 3D XPoint дороже NAND, но дешевле DRAM. ^{[110] [самостоятельно опубликованный источник? ]}

Другое [ править ]

Фактическая точность этого раздела может быть нарушена из-за устаревшей информации . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Декабрь 2018 г. )

Некоторые твердотельные накопители, называемые устройствами NVDIMM или Hyper DIMM , используют как DRAM, так и флэш-память. Когда питание отключается, SSD копирует все данные из DRAM во флеш-память; когда питание снова включается, SSD копирует все данные со своей флеш-памяти в DRAM. ^[111] В некоторой степени похожим образом в некоторых твердотельных накопителях используются форм-факторы и шины, фактически разработанные для модулей DIMM, при этом используется только флэш-память и создается впечатление, что это DRAM. Такие твердотельные накопители обычно называют устройствами ULLtraDIMM . ^[112]

В дисках, известных как гибридные диски или твердотельные гибридные диски (SSHD), используется гибрид вращающихся дисков и флэш-памяти. ^{[113] [114]} Некоторые твердотельные накопители используют магниторезистивную память с произвольным доступом (MRAM) для хранения данных. ^{[115] [116]}

Кэш или буфер [ править ]

SSD на основе флэш-памяти обычно использует небольшой объем DRAM в качестве энергозависимого кеша, аналогично буферам на жестких дисках. Каталог размещения блоков и данных выравнивания износа также сохраняется в кэше во время работы накопителя. ^[81] Один производитель контроллеров SSD, SandForce , не использует внешний кэш DRAM в своих конструкциях, но все же обеспечивает высокую производительность. Такое устранение внешней DRAM снижает энергопотребление и позволяет еще больше уменьшить размер твердотельных накопителей. ^[117]

Батарея или суперконденсатор [ править ]

Другим компонентом высокопроизводительных твердотельных накопителей является конденсатор или батарея некоторой формы, 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, пока питание не будет возобновлено. ^{[117] [118]} В случае флэш-памяти MLC проблема, называемая повреждением нижней страницы, может возникнуть, когда флэш-память MLC теряет питание во время программирования верхней страницы. В результате данные, записанные ранее и считающиеся безопасными, могут быть повреждены, если память не поддерживается суперконденсатором в случае внезапной потери мощности. Эта проблема не существует с флэш-памятью SLC. ^[79]

Большинство SSD потребительского класса не имеют встроенных батарей или конденсаторов; ^[119] Среди исключений - серии Crucial M500 и MX100, ^[120] серии Intel 320, ^[121] и более дорогие серии Intel 710 и 730. ^[122] Твердотельные накопители корпоративного класса, такие как серия Intel DC S3700, ^[123] обычно имеют встроенные батареи или конденсаторы.

Хост-интерфейс [ править ]

Хост-интерфейс физически представляет собой разъем с сигнализацией, управляемой контроллером SSD . Чаще всего это один из интерфейсов жестких дисков. Они включают:

• SCSI с последовательным подключением (SAS-3, 12,0 Гбит / с) - обычно встречается на серверах ^[125]
• Вариант Serial ATA и mSATA (SATA 3.0, 6.0 Гбит / с) ^[126]
• PCI Express (PCIe 3.0 × 4, 31,5 Гбит / с) ^[127]
• M.2 (6,0 Гбит / с для интерфейса логических устройств SATA 3.0, 31,5 Гбит / с для PCIe 3.0 × 4)
• U.2 (PCIe 3.0 × 4)
• Fibre Channel (128 Гбит / с) - почти исключительно на серверах
• USB (10 Гбит / с) ^[128]
• Параллельный ATA (UDMA, 1064 Мбит / с) - в основном заменен на SATA ^{[129] [130]}
• (Параллельный) SCSI (40 Мбит / с - 2560 Мбит / с) - обычно встречается на серверах, в основном заменяется SAS ; последний SSD на базе SCSI был представлен в 2004 году ^[131]

SSD поддерживают различные интерфейсы логических устройств, такие как Advanced Host Controller Interface (AHCI) и NVMe. Интерфейсы логических устройств определяют наборы команд, используемые операционными системами для связи с твердотельными накопителями и адаптерами главной шины (HBA).

Конфигурации [ править ]

Размер и форма любого устройства во многом определяются размером и формой компонентов, используемых для его изготовления. Традиционные жесткие диски и оптические приводы сконструированы вокруг вращающегося диска ( дисков ) или оптического диска вместе с двигателем шпинделя внутри. Если SSD состоит из различных взаимосвязанных интегральных схем (ИС) и интерфейсного разъема, то его форма больше не ограничивается формой вращающихся носителей. Некоторые твердотельные системы хранения данных поставляются в корпусе большего размера, который может быть даже в форм-факторе для монтажа в стойку с многочисленными твердотельными накопителями внутри. Все они будут подключаться к общей шине внутри шасси и подключаться вне коробки с помощью одного разъема. ^[4]

Для общего использования на компьютерах наиболее популярным является форм-фактор 2,5 дюйма (обычно используется в ноутбуках). Для настольных компьютеров со слотами для 3,5-дюймовых жестких дисков можно использовать простую переходную пластину, чтобы такой диск подходил. Другие типы форм-факторов чаще встречаются в корпоративных приложениях. SSD также может быть полностью интегрирован в другую схему устройства, как в Apple MacBook Air (начиная с модели осенью 2010 года). ^[132] В 2014 ^{[Обновить]}году форм-факторы mSATA и M.2 также стали популярными, в первую очередь в ноутбуках.

Стандартные форм-факторы жестких дисков [ править ]

Преимущество использования нынешнего форм-фактора жесткого диска будет заключаться в использовании уже существующей обширной инфраструктуры для монтажа и подключения дисков к хост-системе. ^{[4] [133]} Эти традиционные форм-факторы известны размером вращающегося носителя (например, 5,25 дюйма, 3,5 дюйма, 2,5 дюйма или 1,8 дюйма), а не размерами корпуса привода. ^[134]

Стандартные форм-факторы карты [ править ]

Для приложений с ограниченным пространством, например для ультрабуков или планшетных компьютеров , несколько компактных форм-факторов были стандартизированы для твердотельных накопителей на основе флэш-памяти.

Существует форм-фактор mSATA, который использует физическую схему 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 используемого mSATA и физической компоновки к более удобному и продвинутому форм-фактору. В то время как mSATA использует преимущества существующего форм-фактора и разъема, M.2 был разработан для максимального использования пространства карты при минимизации занимаемой площади. Стандарт M.2 позволяет устанавливать твердотельные накопители SATA и PCI Express в модули M.2. ^[135]

Форм-факторы диска на модуле [ править ]

Диск-на-модуле ( DOM ) представляет собой флэш - диск или с 40/44 выводами Parallel ATA (PATA) или SATA интерфейс, предназначенный для подключения непосредственно к материнской плате и используется как компьютерный жесткий диск (HDD) , . Устройства DOM имитируют традиционный жесткий диск, поэтому не требуются специальные драйверы или поддержка другой операционной системы. DOM обычно используются во встроенных системах , которые часто развертываются в суровых условиях, когда 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 ^{[Обновить]}емкость хранилища варьируется от 4 МБ до 128 ГБ с различными вариантами физической компоновки, включая вертикальную или горизонтальную ориентацию. ^{[ необходима цитата ]}

Форм-факторы коробки [ править ]

Во многих решениях на основе DRAM используется коробка, которая часто предназначена для установки в систему для монтажа в стойку. Количество компонентов DRAM, необходимых для получения достаточной емкости для хранения данных вместе с резервными источниками питания, требует большего места, чем традиционные жесткие диски. ^[136]

Форм-факторы без платы [ править ]

• Многоуровневые твердотельные накопители Viking Technology SATA Cube и AMP SATA Bridge

• SSD-накопитель Viking Technology на базе SATADIMM

• Форм-фактор SSD MO-297 SATA drive-on-a-module (DOM)

• Твердотельный накопитель SATA с нестандартным разъемом

Форм-факторы, которые были более общими для модулей памяти, теперь используются твердотельными накопителями, чтобы воспользоваться их гибкостью при компоновке компонентов. Некоторые из них включают PCIe , mini PCIe , mini-DIMM , MO-297 и многие другие. ^[137] SATADIMM от Viking Technology использует пустой слот DDR3 DIMM на материнской плате для подачи питания на SSD с отдельным разъемом SATA для передачи данных обратно на компьютер. В результате получается простой в установке твердотельный накопитель емкостью, равной емкости дисков, которые обычно занимают полный 2,5-дюймовый отсек для дисков . ^[138] По крайней мере, один производитель, Innodisk., выпустила диск, который устанавливается непосредственно на разъем SATA (SATADOM) на материнской плате без какого-либо кабеля питания. ^[139] Некоторые твердотельные накопители основаны на форм-факторе PCIe и подключают к хосту интерфейс данных и питание через разъем PCIe. Эти диски могут использовать либо прямые контроллеры флэш-памяти PCIe ^[140], либо мостовое устройство PCIe-SATA, которое затем подключается к контроллерам флэш-памяти SATA. ^[141]

Форм-факторы массива шариковой сетки [ править ]

В начале 2000 - х годов, несколько компаний представила SSD - накопители в Болл Grid Array (BGA) форм - факторы, такие как M-Systems' ( в настоящее время SanDisk ) DiskOnChip ^[142] и кремния Технология хранения «NANDrive s ^{[143] [144]} ( в настоящее время производятся от Greenliant Systems ) и Memoright M1000 ^[145] для использования во встроенных системах. Основными преимуществами твердотельных накопителей BGA являются их низкое энергопотребление, небольшой размер корпуса микросхемы, позволяющий помещаться в компактные подсистемы, и то, что их можно припаять непосредственно к системной материнской плате, чтобы уменьшить неблагоприятные эффекты от вибрации и ударов. ^[146]

Такие встроенные диски часто соответствуют стандартам eMMC и eUFS .

Сравнение с другими технологиями [ править ]

Жесткие диски [ править ]

Сравнивать твердотельные накопители с обычными (вращающимися) жесткими дисками сложно. Традиционные тесты жестких дисков, как правило, сосредотачиваются на характеристиках производительности, которые плохи для жестких дисков, таких как задержка вращения и время поиска . Поскольку твердотельным накопителям не нужно вращать или искать данные, они могут оказаться значительно превосходящими жесткие диски в таких тестах. Однако у SSD есть проблемы со смешанными операциями чтения и записи, и их производительность со временем может снизиться. Тестирование SSD должно начинаться с (используемого) полного диска, так как новый и пустой (свежий, готовый) диск может иметь гораздо лучшую производительность записи, чем это было бы после нескольких недель использования. ^[147]

Большинство преимуществ твердотельных накопителей по сравнению с традиционными жесткими дисками связано с их способностью получать доступ к данным полностью электронным способом, а не электромеханическим, что приводит к превосходной скорости передачи и механической прочности. ^[148] С другой стороны, жесткие диски предлагают значительно большую емкость по своей цене. ^{[3] [149]}

Некоторые показатели частоты отказов на месте указывают на то, что твердотельные накопители значительно более надежны, чем жесткие диски ^{[150] [151],} а другие - нет. Однако твердотельные накопители исключительно чувствительны к внезапным сбоям питания, что приводит к прерыванию записи или даже случаям полной потери диска. ^[152] Надежность жестких дисков и твердотельных накопителей сильно различается в зависимости от модели. ^[153]

Как и в случае с жесткими дисками, существует компромисс между стоимостью и производительностью различных твердотельных накопителей. Твердотельные накопители с одноуровневой ячейкой (SLC), хотя и значительно дороже, чем многоуровневые (MLC) твердотельные накопители, предлагают значительное преимущество в скорости. ^[89] В то же время твердотельное хранилище на основе DRAM в настоящее время считается самым быстрым и дорогим со средним временем отклика 10 микросекунд вместо 100 микросекунд, как у других SSD. Корпоративные флэш-устройства (EFD) предназначены для удовлетворения требований приложений уровня 1 с производительностью и временем отклика, аналогичными менее дорогим твердотельным накопителям. ^[154]

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 разные ячейки NAND с целью выравнивания износа . Алгоритмы выравнивания износа сложны и их трудно полностью протестировать; в результате одной из основных причин потери данных на твердотельных накопителях являются ошибки прошивки. ^{[155] [156]}

В следующей таблице представлен подробный обзор преимуществ и недостатков обеих технологий. Сравнения отражают типичные характеристики и могут не выполняться для конкретного устройства.

Карты памяти [ править ]

Хотя и карты памяти, и большинство твердотельных накопителей используют флэш-память, они служат для самых разных рынков и целей. 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. ^[219]

Изначально SSD были разработаны для использования в компьютерных системах. Первые устройства предназначались для замены или расширения жестких дисков, поэтому операционная система распознала их как жесткие диски. Первоначально твердотельные накопители даже имели форму и устанавливались в компьютере как жесткие диски. Позднее твердотельные накопители стали меньше и компактнее, в результате чего были разработаны собственные уникальные форм-факторы, такие как форм-фактор M.2 . SSD был разработан для постоянной установки внутри компьютера. ^[219]

Напротив, карты памяти (такие как Secure Digital (SD), CompactFlash (CF) и многие другие) изначально были разработаны для цифровых фотоаппаратов, а позже нашли свое применение в сотовых телефонах, игровых устройствах, устройствах GPS и т.д. физически меньше, чем твердотельные накопители, и предназначен для многократной вставки и извлечения. ^[219]

Ошибка SSD [ править ]

Режимы отказа твердотельных накопителей сильно отличаются от традиционных магнитных жестких дисков. Поскольку твердотельные накопители не содержат движущихся частей, они обычно не подвержены механическим сбоям. 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, и если чип выходит из строя, все данные на нем теряются, 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. ^[220]

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

• либо n DW / D ( n записей на диск в день )
• или m TBW ( максимальное количество записанных терабайт ), короткое TBW . ^[221]

Так, например, SSD-накопитель Samsung 970 EVO NVMe M.2 (2018) емкостью 1 ТБ имеет ресурс 600 ТБВт. ^[222]

Надежность и режимы отказа SSD [ править ]

Раннее расследование Techreport.com, которое проводилось с 2013 по 2015 год, включало ряд твердотельных накопителей на основе флэш-памяти, которые проверялись на разрушение, чтобы определить, как и в какой момент они вышли из строя. Веб-сайт обнаружил, что все накопители «превзошли свои официальные характеристики выносливости, записав без проблем сотни терабайт» - объемы этого порядка превышают типичные потребности потребителей. ^[223] Первый отказавший твердотельный накопитель был основан на технологии TLC, и на этот накопитель удалось записать более 800 ТБ. Три твердотельных накопителя в тесте записали втрое больше (почти 2,5 ПБ), прежде чем тоже вышли из строя. ^[223] Тест продемонстрировал замечательную надежность даже SSD на потребительском рынке.

Полевое исследование 2016 года, основанное на данных, собранных за шесть лет в центрах обработки данных Google и охватывающих "миллионы" дисковых дней, показало, что доля твердотельных накопителей на основе флэш-памяти, требующих замены в первые четыре года использования, колебалась от 4% до 10%. в зависимости от модели. Авторы пришли к выводу, что твердотельные накопители выходят из строя значительно реже, чем жесткие диски. ^[220] (Напротив, оценка 71940 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%.) ^[224] Исследование также показало обратную сторону , что на твердотельных накопителях значительно выше количество неисправимых ошибок (которые приводят к потере данных), чем на жестких дисках. Это также привело к некоторым неожиданным результатам и последствиям:

• В реальном мире конструкции на основе MLC, которые считаются менее надежными, чем конструкции SLC , часто столь же надежны, как и SLC. (В выводах говорится, что «SLC [в целом] не более надежен, чем MLC».) Но обычно говорят, что выносливость записи следующая:
  • SLC NAND: 100000 стираний на блок
  • MLC NAND: от 5000 до 10000 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 объем считываемых или записываемых данных, который измеряется записанными терабайтами или записью на диск в день. Это говорит о том, что действуют другие механизмы старения, такие как «кремниевое старение». Корреляция значимая (около 0,2–0,4).
• Частота необработанных битовых ошибок (RBER) медленно растет с износом - и не экспоненциально, как это часто предполагается. RBER не является хорошим предиктором других ошибок или отказа SSD.
• Коэффициент неисправимых битовых ошибок (UBER) широко используется, но также не является хорошим предиктором сбоя. Однако скорость SSD UBER выше, чем у жестких дисков, поэтому, хотя они не предсказывают сбой, они могут привести к потере данных из-за того, что нечитаемые блоки чаще встречаются на твердотельных накопителях, чем на жестких дисках. В заключении говорится, что, хотя в целом он более надежен, количество неисправимых ошибок, которые могут повлиять на пользователя, выше.
• «Плохие блоки в новых твердотельных накопителях являются обычным явлением, и диски с большим количеством сбойных блоков с гораздо большей вероятностью потеряют сотни других блоков, скорее всего, из-за отказа кристалла флэш-памяти или микросхемы. У 30–80% твердотельных накопителей возникает хотя бы один неисправный block и 2–7% разработали хотя бы один неисправный чип в первые четыре года развертывания ».
• После достижения ожидаемого срока службы резкого увеличения ошибок не происходит.
• Большинство твердотельных накопителей развивают не более нескольких плохих блоков, возможно, 2–4. Твердотельные накопители, на которых образуется много плохих блоков, часто развиваются гораздо больше (возможно, сотни) и могут быть подвержены сбоям. Однако большинство дисков (99% +) поставляются с дефектными блоками при производстве. В целом было обнаружено, что сбойные блоки являются обычным явлением, и у 30–80% накопителей будет хотя бы один при использовании, но даже несколько сбойных блоков (2–4) являются предиктором появления до сотен сбойных блоков в более позднее время. Количество сбойных блоков при изготовлении коррелирует с более поздней разработкой других сбойных блоков. В заключении отчета добавлено, что твердотельные накопители, как правило, имеют «меньше горстки» сбойных блоков или «большое количество», и предполагается, что это может быть основой для прогнозирования возможного отказа.
• Примерно 2–7% твердотельных накопителей разовьют неисправные микросхемы в первые четыре года использования. Более двух третей этих микросхем будут нарушать допуски и спецификации своих производителей, которые обычно гарантируют, что не более 2% блоков на микросхеме выйдут из строя в течение ожидаемого срока службы записи.
• 96% твердотельных накопителей, нуждающихся 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 [ править ]

Твердотельные накопители поставили новые задачи перед компаниями, занимающимися восстановлением данных , поскольку способ хранения данных нелинейный и намного более сложный, чем у жестких дисков. Стратегия внутренней работы накопителя может сильно различаться в зависимости от производителя, и команда TRIM обнуляет весь диапазон удаленного файла. Выравнивание износа также означает, что физический адрес данных и адрес, доступный для операционной системы, различаются.

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

Показатели надежности [ править ]

Ассоциация JEDEC Solid State Technology Association (JEDEC) опубликовала стандарты для показателей надежности: ^[225]

• Коэффициент неустранимых битовых ошибок (UBER)
• Записанных терабайт (TBW) - количество терабайт, которое может быть записано на диск в рамках гарантии.
• Записей на диск в день (DWPD) - количество раз, когда общая емкость диска может быть записана в день в рамках его гарантии.

Приложения [ править ]

Из-за их в целом непомерно высокой стоимости по сравнению с жесткими дисками в то время, до 2009 года твердотельные накопители в основном использовались в тех аспектах критически важных приложений, где скорость системы хранения должна была быть как можно более высокой. Поскольку флэш-память стала обычным компонентом твердотельных накопителей, падение цен и увеличение плотности сделали ее более рентабельной для многих других приложений. Например, в распределенной вычислительной среде твердотельные накопители могут использоваться в качестве строительного блока для распределенного кеша.слой, который временно поглощает большой объем пользовательских запросов к более медленной серверной системе хранения на основе жестких дисков. Этот уровень обеспечивает гораздо более высокую пропускную способность и меньшую задержку, чем система хранения, и им можно управлять в различных формах, таких как распределенная база данных «ключ-значение» и распределенная файловая система . На суперкомпьютерах этот уровень обычно называют буфером пакетов . Благодаря этому быстрому уровню у пользователей часто сокращается время отклика системы. Организации, которые могут получить выгоду от более быстрого доступа к системным данным, включают компании, торгующие акциями , телекоммуникационные корпорации, а также потоковое мультимедиа и редактирование видео.фирмы. Список приложений, которым может помочь более быстрое хранение, огромен. ^[4]

Твердотельные накопители на основе флеш-памяти могут использоваться для создания сетевых устройств из аппаратного обеспечения персональных компьютеров общего назначения . Защищен от записи флэш - диск , содержащий операционную систему и прикладное программное обеспечение может заменить более крупными, менее надежных жестких дисков или CD-ROM. Построенные таким образом устройства могут стать недорогой альтернативой дорогостоящим маршрутизаторам и брандмауэрам. ^{[ необходима цитата ]}

Твердотельные накопители на основе SD-карты с действующей операционной системой SD легко блокируются от записи . В сочетании с облачной вычислительной средой или другим записываемым носителем, чтобы поддерживать постоянство , ОС загружается с записью автоподстройкой SD карты является надежным, прочным, надежным и невосприимчивым к постоянной коррупции. Если работающая ОС деградирует, простое выключение и последующее включение машины возвращает ее в исходное неповрежденное состояние и, таким образом, делает ее особенно надежной. ОС с установленной SD-картой не требует удаления поврежденных компонентов, поскольку она была заблокирована от записи, хотя любой записанный носитель может потребовать восстановления.

Кэш жесткого диска [ править ]

В 2011 году Intel представила механизм кэширования для своего набора микросхем Z68 (и мобильных производных) под названием Smart Response Technology , который позволяет использовать твердотельный накопитель SATA в качестве кэша (настраиваемый как сквозная запись или обратная запись ) для обычного магнитного жесткого диска. дисковод. ^[226] Аналогичная технология доступна на плате HighPoint RocketHybrid PCIe . ^[227]

Твердотельные гибридные диски (SSHD) основаны на том же принципе, но включают в себя некоторый объем флэш-памяти на борту обычного накопителя вместо использования отдельного SSD. К уровню флэш-памяти в этих дисках можно получить доступ независимо от магнитного хранилища с помощью хоста с помощью команд ATA-8 , что позволяет операционной системе управлять им. Например, технология ReadyDrive от Microsoft явно сохраняет части файла гибернации в кэше этих дисков, когда система переходит в спящий режим, что ускоряет последующее возобновление работы. ^[228]

Гибридные системы с двумя дисками объединяют использование отдельных устройств SSD и HDD, установленных на одном компьютере, с общей оптимизацией производительности, управляемой пользователем компьютера или программным обеспечением операционной системы компьютера. Примерами систем этого типа являются bcache и dm-cache в Linux , ^[229] и Apple Fusion Drive .

Поддержка файловой системы для SSD [ править ]

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 теперь 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 SSD, 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 циклов чтения-изменения-записи . Типичная практика для персональных компьютеров заключается в том, чтобы каждый раздел был выровнен так, чтобы он начинался с отметки в 1  МиБ (= 1048576 байт), которая охватывает все распространенные сценарии страницы SSD и размера блока, так как он делится на все обычно используемые размеры - 1 МиБ, 512 КиБ, 128 КиБ, 4 КиБ и 512 Б. Современное программное обеспечение для установки операционной системы и дисковые инструменты справляются с этим автоматически.

Linux [ править ]

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

Ext4 , Btrfs , XFS , JFS и f2fs файловые системы включают поддержку отбрасывание функции (TRIM или Unmap).

Поддержка операции TRIM ядром была представлена ​​в версии 2.6.33 основной ветки ядра Linux, выпущенной 24 февраля 2010 года. ^[230] Чтобы использовать ее, файловая система должна быть смонтирована с использованием discardпараметра. Разделы подкачки Linux по умолчанию выполняют операции сброса, когда базовый диск поддерживает TRIM, с возможностью их отключения или выбора между одноразовыми или непрерывными операциями сброса. ^{[231] [232] [233]} Поддержка TRIM с очередями , которая представляет собой функцию SATA 3.1, которая позволяет командам TRIM не нарушать очереди команд, была представлена ​​в ядре Linux 3.12, выпущенном 2 ноября 2013 г. ^[234]

Альтернативой операции TRIM на уровне ядра является использование служебной программы пользовательского пространства под названием Fstrim который просматривает все неиспользуемые блоки в файловой системе и отправляет команды TRIM для этих областей. FstrimУтилита обычно запускается cron по расписанию. По состоянию на ноябрь 2013 ^{[Обновить]}года он используется в дистрибутиве Ubuntu Linux , в котором он включен только для твердотельных накопителей Intel и Samsung из соображений надежности; проверку поставщика можно отключить, отредактировав файл/etc/cron.weekly/fstrimиспользуя инструкции, содержащиеся в самом файле. ^[235]

С 2010 года стандартные утилиты для работы с дисками Linux по умолчанию позаботились о правильном выравнивании разделов. ^[236]

Соображения по поводу производительности Linux [ править ]

Во время установки дистрибутивы Linux обычно не настраивают установленную систему на использование TRIM, поэтому /etc/fstabфайл требует внесения изменений вручную. ^[237] Это связано с тем, что текущая реализация команды TRIM в Linux может быть неоптимальной. ^[238] Доказано, что при определенных обстоятельствах он вызывает снижение производительности вместо увеличения производительности. ^{[239] [240]} С января 2014 года ^{[Обновить]}Linux отправляет отдельную команду TRIM каждому сектору вместо векторизованного списка, определяющего диапазон TRIM, как рекомендовано спецификацией TRIM. ^[241]

По соображениям производительности рекомендуется переключить планировщик ввода-вывода с CFQ по умолчанию (полностью справедливая организация очереди) на NOOP или крайний срок . CFQ был разработан для традиционных магнитных носителей и требует оптимизации, поэтому многие из этих усилий по планированию ввода-вывода тратятся впустую при использовании с твердотельными накопителями. В рамках своей конструкции твердотельные накопители предлагают гораздо более высокие уровни параллелизма для операций ввода-вывода, поэтому предпочтительнее оставить решения о планировании их внутренней логике - особенно для высокопроизводительных твердотельных накопителей. ^{[242] [243]}

Масштабируемый уровень блоков для высокопроизводительного хранилища SSD, 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 высокой скорости отправки операций ввода-вывода. В этом новом дизайне блочного уровня ядра Linux внутренние очереди разделены на два уровня (очереди для каждого процессора и аппаратные очереди), что устраняет узкие места и обеспечивает гораздо более высокие уровни распараллеливания ввода-вывода. Начиная с версии 4.0 ядра Linux, выпущенной 12 апреля 2015 года, блочный драйвер VirtIO , SCSIслой (который используется драйверами Serial ATA), структура сопоставления устройств, драйвер устройства цикла, драйвер несортированных блочных образов (UBI) (который реализует уровень управления стиранием блока для устройств флэш-памяти) и драйвер RBD (который экспортирует объекты Ceph RADOS как блочные устройства). ) были изменены для фактического использования этого нового интерфейса; другие драйверы будут перенесены в следующих выпусках. ^{[244] [245] [246] [247] [248]}

macOS [ править ]

Версии, начиная с Mac OS X 10.6.8 (Snow Leopard), поддерживают TRIM, но только при использовании с твердотельным накопителем, приобретенным Apple. ^[249] TRIM не включается автоматически для сторонних накопителей, хотя его можно включить с помощью сторонних утилит, таких как Trim Enabler . Состояние TRIM можно проверить в приложении «Информация о системе» или в system_profilerинструменте командной строки.

Версии, начиная с OS X 10.10.4 (Yosemite), включают sudo trimforce enableв себя команду терминала, которая включает TRIM на твердотельных накопителях сторонних производителей. ^[250] Существует также метод включения TRIM в версиях, предшествующих Mac OS X 10.6.8, хотя остается неясным, действительно ли TRIM используется должным образом в этих случаях. ^[251]

Microsoft Windows [ править ]

До версии 7 Microsoft Windows не принимала никаких конкретных мер для поддержки твердотельных накопителей. Начиная с Windows 7 стандартная файловая система NTFS поддерживает команду TRIM. (Другие файловые системы в Windows не поддерживают TRIM.) ^[252]

По умолчанию Windows 7 и более новые версии автоматически выполняют команды TRIM, если устройство определено как твердотельный накопитель. Однако, поскольку TRIM необратимо сбрасывает все освобожденное пространство, может быть желательно отключить поддержку, когда включение восстановления данных предпочтительнее выравнивания износа. ^[253] Для того, чтобы изменить поведение, в реестре ключHKEY_LOCAL_MACHINE \ SYSTEM \ CurrentControlSet \ Control \ FileSystemзначение DisableDeleteNotification можно установить на1. Это предотвращает выдачу драйвером запоминающего устройства команды TRIM.

Windows реализует команду TRIM не только для операций удаления 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 моментальный снимок тома). ^[254]

Windows Vista [ править ]

В Windows Vista обычно используются жесткие диски, а не твердотельные накопители. ^{[255] [256]} Windows Vista включает ReadyBoost для использования характеристик флеш-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 большинство систем основаны на секторах по 512 байт, а их настройки разделов по умолчанию не совпадают с границами 4 КиБ. ^[257] Правильное выравнивание не способствует увеличению срока службы твердотельного накопителя; однако некоторые операции Vista, если их не отключить, могут сократить срок службы SSD.

Drive дефрагментация должна быть отключена , потому что расположение компонентов файлов на SSD с существенно не влияет на его производительность, но перемещение файлов , чтобы сделать их смежными с использованием программы для Windows Defrag приведет к ненужному износу записи на ограниченном числе циклов P / E на SSD. Функция Superfetch не приведет к существенному повышению производительности системы и вызовет дополнительные накладные расходы в системе и SSD, хотя и не вызывает износа. ^[258] Windows Vista не отправляет команду TRIM твердотельным дискам, но некоторые сторонние утилиты, такие как SSD Doctor, будут периодически сканировать диск и ОБРЕЗАТЬ соответствующие записи. ^[259]

Windows 7 [ править ]

Windows 7 и более поздние версии имеют встроенную поддержку SSD. ^{[254] [260]} Операционная система определяет наличие SSD и соответствующим образом оптимизирует работу. Для устройств SSD Windows отключает SuperFetch и ReadyBoost , операции загрузки и предварительной выборки приложений. ^{[ необходима цитата ]} Несмотря на первоначальное заявление Стивена Синофски перед выпуском Windows 7, ^[254], однако, дефрагментация не отключена, хотя ее поведение на SSD отличается. ^[190] Одна из причин - низкая производительность службы теневого копирования томов на фрагментированных твердотельных накопителях. ^[190]Вторая причина состоит в том, чтобы не достичь практического максимального количества фрагментов файла, которое может обработать том. Если этот максимум будет достигнут, последующие попытки записи на диск завершатся ошибкой с сообщением об ошибке. ^[190]

Windows 7 также включает поддержку команды TRIM для уменьшения объема сборки мусора для данных, которые операционная система уже определила как недопустимые. Без поддержки TRIM SSD не будет знать о том, что эти данные недействительны, и будет без необходимости продолжать переписывать их во время сборки мусора, вызывая дальнейший износ SSD. Полезно внести некоторые изменения, которые не позволяют обращаться с твердотельными накопителями больше как с жесткими дисками, например, отменить дефрагментацию, не заполнять их более чем примерно на 75% емкости, не хранить на них часто записываемые файлы, такие как журнал и временные файлы, если жесткий диск доступен и позволяет процессу TRIM. ^{[261] [262]}

Windows 8.1 [ править ]

Windows 8.1 и более поздние версии Системы Windows, такие как Windows 10, также поддерживают автоматическую TRIM для твердотельных накопителей PCI Express на основе NVMe. Для Windows 7 требуется обновление KB2990941 для этой функции и его необходимо интегрировать в программу установки Windows с помощью DISM, если Windows 7 должна быть установлена ​​на твердотельный накопитель NVMe. Windows 8 / 8.1 также поддерживает команду SCSI unmap для твердотельных накопителей, подключенных к USB, или корпусов SATA-to-USB. SCSI Unmap - это полный аналог команды SATA TRIM. Он также поддерживается по протоколу USB Attached SCSI (UASP).

Графическое средство дефагментации 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 поддерживает автоматическую TRIM для внутренних твердотельных накопителей SATA, Windows 8.1 и Windows 10 поддерживают ручную TRIM (с помощью функции «Оптимизировать» в дефрагментации диска), а также автоматическую TRIM для SATA, NVMe и SSD, подключенных к USB.

ZFS [ править ]

Solaris начиная с версии 10 Update 6 (выпущенной в октябре 2008 г.) и недавней ^{[ когда? ]} версии OpenSolaris , Solaris Express Community Edition , Illumos , Linux с ZFS на Linux и FreeBSD могут использовать твердотельные накопители для повышения производительности ZFS . SSD с малой 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 кэша замены уровня 2.(L2ARC), который используется для кэширования данных для чтения. При использовании по отдельности или в комбинации обычно наблюдается значительное увеличение производительности. ^[263]

FreeBSD [ править ]

ZFS для FreeBSD представила поддержку TRIM 23 сентября 2012 г. ^[264] Код строит карту областей данных, которые были освобождены; при каждой записи код сверяется с картой и в конечном итоге удаляет диапазоны, которые ранее были освобождены, но теперь перезаписаны. Существует поток с низким приоритетом, который TRIMs ограничивает, когда приходит время.

Также файловая система Unix (UFS) поддерживает команду TRIM. ^[265]

Поменять разделы [ править ]

• По словам бывшего президента подразделения Microsoft Windows Стивена Синофски , «есть несколько файлов лучше, чем файл подкачки для размещения на SSD». ^[266] Согласно собранным телеметрическим данным, Microsoft обнаружила, что pagefile.sys идеально подходит для хранения SSD. ^[266]
• Разделы подкачки Linux по умолчанию выполняют операции TRIM, когда базовое блочное устройство поддерживает TRIM, с возможностью их отключения или выбора между одноразовыми или непрерывными операциями TRIM. ^{[231] [232] [233]}
• Если операционная система не поддерживает использование TRIM на дискретных разделах подкачки , вместо этого можно использовать файлы подкачки внутри обычной файловой системы. Например, OS X не поддерживает разделы подкачки; он меняет местами только файлы в файловой системе, поэтому он может использовать TRIM, когда, например, удаляются файлы подкачки. ^{[ необходима цитата ]}
• DragonFly BSD позволяет использовать своп, настроенный на SSD, в качестве кеша файловой системы. ^[267] Это можно использовать для повышения производительности как рабочих нагрузок настольных компьютеров, так и серверов. Bcache , дй-кэш , и Flashcache проекты предоставляют подобную концепцию для ядра Linux. ^[268]

Организации по стандартизации [ править ]

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

Коммерциализация [ править ]

Доступность [ править ]

Технология твердотельных накопителей продается на военном и промышленном рынках с середины 1990-х годов. ^[269]

Наряду с развивающимся корпоративным рынком твердотельные накопители стали появляться в ультрамобильных ПК и в нескольких легких портативных системах, что значительно увеличивает стоимость ноутбука в зависимости от емкости, форм-фактора и скорости передачи данных. Для приложений начального уровня можно приобрести USB-накопитель по цене от 10 до 100 долларов или около того, в зависимости от емкости и скорости; в качестве альтернативы карта CompactFlash может быть сопряжена с преобразователем CF-to-IDE или CF-to-SATA по аналогичной цене. Любой из этих способов требует решения проблем, связанных с длительностью цикла записи, либо путем отказа от хранения часто записываемых файлов на диске, либо путем использования файловой системы флэш-памяти . Стандартные карты CompactFlash обычно имеют скорость записи от 7 до 15 МБ / с, в то время как более дорогие карты высшего качества требуют скорости до 60 МБ / с.

Первым ПК на базе твердотельных накопителей с флэш-памятью стал Sony Vaio UX90, предварительный заказ которого был объявлен 27 июня 2006 г., а поставки в Японию начались 3 июля 2006 г. с жестким диском с флэш-памятью на 16 ГБ. ^[270] В конце сентября 2006 года Sony увеличила объем твердотельного накопителя в Vaio UX90 до 32 ГБ. ^[271]

Одним из первых массовых выпусков SSD стал ноутбук XO , созданный в рамках проекта One Laptop Per Child . Массовое производство этих компьютеров, предназначенных для детей в развивающихся странах, началось в декабре 2007 года. В этих машинах используется флэш-память SLC NAND объемом 1024 Мбайт в качестве основного хранилища, которое считается более подходящим для более суровых, чем обычно, условий, в которых они будут использоваться. Dell начала поставки ультрапортативных ноутбуков с твердотельными накопителями SanDisk 26 апреля 2007 года. ^[272] Asus выпустила субноутбук Eee PC 16 октября 2007 года с 2, 4 или 8 гигабайтами флэш-памяти. ^[273] 31 января 2008 г. Apple выпустилаMacBook Air , тонкий ноутбук с дополнительным твердотельным накопителем на 64 ГБ. В Apple Store этот вариант стоил на 999 долларов больше, чем жесткий диск на 80 ГБ со скоростью 4200 об / мин. ^[274] Другой вариант, Lenovo ThinkPad X300 с 64-гигабайтным SSD-накопителем, был анонсирован Lenovo в феврале 2008 года. ^[275] 26 августа 2008 года Lenovo выпустила ThinkPad X301 с 128-гигабайтным SSD-накопителем, что добавило примерно 200 долларов США. ^[276]

В 2008 году появились бюджетные нетбуки с твердотельными накопителями. В 2009 году SSD начали появляться в ноутбуках. ^{[272] [274]}

14 января 2008 г. корпорация EMC (EMC) стала первым поставщиком корпоративных систем хранения данных, включившим в свой портфель продуктов твердотельные накопители на базе флэш-памяти, когда объявила о выборе твердотельных накопителей Zeus-IOPS от STEC, Inc. для своих систем Symmetrix DMX. ^[277] В 2008 году Sun выпустила унифицированные системы хранения Sun Storage 7000 (кодовое название 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, предлагаемыми обычными жесткими дисками. ^[278]

Dell начала предлагать дополнительные твердотельные накопители емкостью 256 ГБ для некоторых моделей ноутбуков в январе 2009 года. ^{[279] [280]} В мае 2009 года Toshiba выпустила ноутбук с твердотельным накопителем на 512 ГБ. ^{[281] [282]}

С октября 2010 года в линейке MacBook Air от Apple в стандартной комплектации используются твердотельные накопители. ^[283] В декабре 2010 г. был доступен твердотельный накопитель OCZ RevoDrive X2 PCIe емкостью от 100 до 960 ГБ с последовательной скоростью более 740 МБ / с и произвольной записью небольших файлов со скоростью до 120 000 операций ввода-вывода в секунду. ^[284] В ноябре 2010 года Fusion-io выпустила свой самый производительный SSD-накопитель под названием ioDrive Octal, использующий интерфейс PCI-Express x16 Gen 2.0 с объемом памяти 5,12 ТБ, скоростью чтения 6,0 ГБ / с, скоростью записи 4,4 ГБ / с и низкая задержка 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. ^[285]

В 2011 году стали доступны компьютеры на базе спецификаций Intel Ultrabook . Эти спецификации требуют, чтобы в ультрабуках использовался твердотельный накопитель. Это устройства потребительского уровня (в отличие от многих предыдущих предложений флэш-памяти, нацеленных на корпоративных пользователей), и они представляют собой первые широко доступные потребительские компьютеры, использующие твердотельные накопители, помимо MacBook Air. ^[286] На выставке CES 2012 компания OCZ Technology продемонстрировала твердотельные накопители R4 CloudServ PCIe, обеспечивающие скорость передачи 6,5 ГБ / с и 1,4 миллиона операций ввода-вывода в секунду. ^[287] Также был анонсирован Z-Drive R5, доступный емкостью до 12 ТБ, способный достигать скорости передачи 7,2 ГБ / с и 2,52 миллиона операций ввода-вывода в секунду с использованием PCI Express x16 Gen 3.0. ^[288]

В декабре 2013 года Samsung представила и выпустила первый в отрасли твердотельный накопитель mSATA емкостью 1 ТБ . ^[289] В августе 2015 года Samsung анонсировала твердотельный накопитель емкостью 16 ТБ, который в то время был единственным устройством хранения с самой высокой емкостью в мире. ^[290]

В то время как ряд компаний предлагают устройства SSD, по состоянию на 2018 год, только пять компаний, которые предлагают их, фактически производят устройства Nand Flash ^[291], которые являются элементом хранения в SSD.

Качество и производительность [ править ]

В общем, производительность любого конкретного устройства может значительно различаться в разных условиях эксплуатации. Например, количество параллельных потоков, обращающихся к запоминающему устройству, размер блока ввода-вывода и количество оставшегося свободного места могут резко изменить производительность (то есть скорость передачи) устройства. ^[292]

Технология SSD быстро развивается. Большинство измерений производительности, используемых на дисковых накопителях с вращающимися носителями, также используются на твердотельных накопителях. Производительность твердотельных накопителей на основе флеш-памяти сложно измерить из-за большого количества возможных условий. В тесте, проведенном в 2010 году Xssist с использованием IOmeter , 4 КБ случайных 70% чтения / 30% записи, глубина очереди 4, IOPS, обеспечиваемый Intel X25-E 64 ГБ G1, составил около 10 000 операций ввода-вывода в секунду и резко упал через 8 минут. до 4000 операций ввода-вывода в секунду и продолжала постепенно снижаться в течение следующих 42 минут. IOPS варьируется от 3000 до 4000 примерно от 50 минут и далее для оставшейся части 8+ часового тестового прогона. ^[293]

Разработчики флэш-накопителей корпоративного уровня стараются продлить срок службы за счет увеличения избыточности ресурсов и использования функции выравнивания износа . ^[294]

Продажи [ править ]

Этот раздел необходимо обновить . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Апрель 2018 г. )

Поставки SSD составили 11 миллионов единиц в 2009 году ^[295] 17,3 миллиона единиц в 2011 году ^[296] на общую сумму 5 миллиардов долларов США ^[297] 39 миллионов единиц в 2012 году и, как ожидается, вырастут до 83 миллионов единиц в 2013 году ^{[298] ]} до 201,4 миллиона единиц в 2016 году ^[296] и до 227 миллионов единиц в 2017 году. ^[299]

Выручка мирового рынка твердотельных накопителей (включая недорогие решения для ПК) в 2008 году составила 585 миллионов долларов, увеличившись более чем на 100% с 259 миллионов долларов в 2007 году. ^[300]

См. Также [ править ]

• Плата твердотельного накопителя
• Список производителей твердотельных накопителей
• Привод жесткого диска
• RAID
• Модуль Flash Core

Ссылки [ править ]