Твердотельный накопитель ( SSD ) — это тип твердотельного запоминающего устройства, которое использует интегральные схемы для постоянного хранения данных . Иногда его называют полупроводниковым запоминающим устройством , твердотельным устройством и твердотельным диском . [ 1 ] [2]
SSD-накопители используют энергонезависимую память, обычно флэш-память NAND , для хранения данных в ячейках памяти. Производительность и долговечность SSD-накопителей варьируются в зависимости от количества бит, хранящихся в ячейке, от высокопроизводительных одноуровневых ячеек (SLC) до более доступных, но медленных четырехуровневых ячеек (QLC). Помимо SSD-накопителей на основе флэш-памяти, другие технологии, такие как 3D XPoint, предлагают более высокую скорость и большую долговечность за счет различных механизмов хранения данных.
В отличие от традиционных жестких дисков (HDD), твердотельные накопители не имеют движущихся частей, что позволяет им обеспечивать более высокую скорость доступа к данным, меньшую задержку, повышенную устойчивость к физическим ударам, меньшее энергопотребление и бесшумную работу.
Часто подключаемые к системе так же, как и жесткие диски, твердотельные накопители используются в различных устройствах, включая персональные компьютеры , корпоративные серверы и мобильные устройства . Однако твердотельные накопители, как правило, дороже в расчете на гигабайт и имеют конечное число циклов записи, что со временем может привести к потере данных. Несмотря на эти ограничения, твердотельные накопители все чаще заменяют жесткие диски, особенно в приложениях, где производительность критически важна, и в качестве основного хранилища во многих потребительских устройствах.
SSD-накопители поставляются в различных форм-факторах и типах интерфейсов, включая SATA , PCIe и NVMe , каждый из которых предлагает разные уровни производительности. Гибридные решения для хранения данных, такие как твердотельные гибридные диски (SSHD), объединяют технологии SSD и HDD, чтобы обеспечить улучшенную производительность по более низкой цене, чем чистые SSD.
SSD хранит данные в полупроводниковых ячейках, свойства которых зависят от количества битов, хранящихся в каждой ячейке (от 1 до 4). Одноуровневые ячейки (SLC) хранят один бит данных на ячейку и обеспечивают более высокую производительность и долговечность. Напротив, многоуровневые ячейки (MLC), трехуровневые ячейки (TLC) и четырехуровневые ячейки (QLC) хранят больше данных на ячейку, но имеют более низкую производительность и долговечность. SSD, использующие технологию 3D XPoint , такие как Optane от Intel, хранят данные, изменяя электрическое сопротивление, а не сохраняя электрические заряды в ячейках, что может обеспечить более высокую скорость и более длительное сохранение данных по сравнению с обычной флэш-памятью. [3] SSD на основе флэш-памяти NAND медленно теряют заряд, когда они не включены, в то время как интенсивно используемые потребительские диски могут начать терять данные, как правило, после одного-двух лет хранения. [4] SSD имеют ограниченное количество записей в течение срока службы, а также замедляются по мере достижения полной емкости хранения.
SSD-накопители также обладают внутренним параллелизмом, который позволяет им управлять несколькими операциями одновременно, что повышает их производительность. [5]
В отличие от HDD и подобных электромеханических магнитных хранилищ , SSD не имеют движущихся механических частей, что обеспечивает такие преимущества, как устойчивость к физическим ударам, более тихая работа и более быстрое время доступа. Их меньшая задержка приводит к более высоким скоростям ввода-вывода (IOPS), чем у HDD. [6]
Некоторые SSD-накопители объединены с традиционными жесткими дисками в гибридных конфигурациях, таких как Hystor от Intel и Fusion Drive от Apple . Эти накопители используют как флэш-память, так и вращающиеся магнитные диски для повышения производительности часто используемых данных. [7] [8]
Традиционные интерфейсы (например, SATA и SAS ) и стандартные форм-факторы HDD позволяют использовать такие SSD в качестве замены жестких дисков в компьютерах и других устройствах. Новые форм-факторы, такие как mSATA , M.2 , U.2 , NF1 / M.3 / NGSFF , [9] [10] XFM Express ( кроссоверная флэш-память , форм-фактор XT2) [11] и EDSFF [12] [13] и более скоростные интерфейсы, такие как NVM Express (NVMe) через PCI Express (PCIe), могут дополнительно повысить производительность по сравнению с производительностью HDD. [3]
Традиционные тесты HDD, как правило, фокусируются на характеристиках производительности, таких как задержка вращения и время поиска . Поскольку SSD не нужно вращать или искать данные, они значительно превосходят HDD в таких тестах. Однако SSD имеют проблемы со смешанным чтением и записью, и их производительность может ухудшаться со временем. Поэтому тестирование SSD обычно проверяет, когда полный диск используется впервые, так как новый и пустой диск может иметь гораздо лучшую производительность записи, чем он мог бы показать после нескольких недель использования. [14]
Надежность как жестких дисков, так и твердотельных накопителей значительно различается в зависимости от модели. [15] Некоторые показатели отказов в полевых условиях указывают на то, что твердотельные накопители значительно надежнее жестких дисков. [16] [17] Однако твердотельные накопители чувствительны к внезапному отключению питания, что иногда приводит к прерыванию записи или даже к полной потере диска. [18]
Большинство преимуществ твердотельных накопителей по сравнению с традиционными жесткими дисками обусловлены их способностью получать доступ к данным полностью электронным способом, а не электромеханическим, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных и механическую прочность. [19] С другой стороны, жесткие диски предлагают значительно большую емкость за свою цену. [6] [20]
В традиционных HDD перезаписанный файл обычно занимает то же место на поверхности диска, что и исходный файл, тогда как в SSD новая копия часто записывается в другие ячейки NAND с целью выравнивания износа . Алгоритмы выравнивания износа сложны и их трудно полностью протестировать. В результате одной из основных причин потери данных в SSD являются ошибки прошивки. [21] [22]
Хотя и карты памяти , и большинство SSD используют флэш-память, они имеют совершенно разные характеристики, включая энергопотребление, производительность, размер и надежность. [39] Первоначально твердотельные накопители имели форму и монтировались в компьютере как жесткие диски. [39] 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, GPS-устройствах и т. д. Большинство карт памяти физически меньше SSD и предназначены для многократной установки и извлечения. [39]
У SSD-накопителей режимы отказов отличаются от режимов отказов традиционных магнитных жестких дисков. Поскольку твердотельные накопители не содержат движущихся частей, они, как правило, не подвержены механическим отказам. Однако могут возникать и другие типы отказов. Например, неполные или неудачные записи из-за внезапного отключения питания могут быть более проблематичными, чем у HDD, а отказ одного чипа может привести к потере всех хранящихся на нем данных. Тем не менее, исследования показывают, что SSD-накопители, как правило, надежны, часто превышают заявленный производителем срок службы [40] [41] и имеют более низкие показатели отказов, чем HDD. [40] Однако исследования также отмечают, что SSD-накопители испытывают более высокие показатели неисправимых ошибок, которые могут привести к потере данных, по сравнению с HDD. [42]
Срок службы твердотельного накопителя обычно указывается в его техническом описании в одной из двух форм:
Например, твердотельный накопитель Samsung 970 EVO NVMe M.2 (2018) емкостью 1 ТБ имеет рейтинг выносливости 600 ТБ. [44]
Восстановление данных с SSD-накопителей представляет собой проблему из-за нелинейной и сложной природы хранения данных в твердотельных накопителях. Внутренние операции SSD-накопителей различаются в зависимости от производителя, при этом команды (например, TRIM и ATA Secure Erase) и программы, такие как (например, hdparm ), способны стирать и изменять биты удаленного файла.
Ассоциация твердотельных технологий JEDEC (JEDEC) установила стандарты для показателей надежности твердотельных накопителей, которые включают в себя: [45]
В распределенной вычислительной среде SSD могут использоваться в качестве распределенного кэш- слоя, который временно поглощает большой объем пользовательских запросов на более медленные системы хранения на основе HDD. Этот слой обеспечивает гораздо более высокую пропускную способность и меньшую задержку, чем система хранения, и может управляться в ряде форм, таких как распределенная база данных «ключ-значение» и распределенная файловая система . На суперкомпьютерах этот слой обычно называют буфером разрыва .
Твердотельные накопители на основе флэш-памяти могут использоваться для создания сетевых устройств из оборудования персональных компьютеров общего назначения. Защищенный от записи флэш-накопитель, содержащий операционную систему и прикладное программное обеспечение, может заменить более крупные, менее надежные дисковые накопители или CD-ROM. Устройства, созданные таким образом, могут стать недорогой альтернативой дорогостоящему оборудованию маршрутизатора и брандмауэра. [ необходима цитата ]
SSD-накопители на основе SD-карты с операционной системой Live SD легко блокируются от записи . В сочетании с облачной вычислительной средой или другим записываемым носителем ОС , загруженная с SD-карты с блокировкой от записи, надежна, устойчива и не подвержена постоянным повреждениям.
В 2011 году Intel представила механизм кэширования для своего чипсета Z68 (и мобильных производных) под названием Smart Response Technology , который позволяет использовать SATA SSD в качестве кэша (настраиваемого как сквозная запись или обратная запись ) для обычного магнитного жесткого диска. [46] Похожая технология доступна на карте RocketHybrid PCIe от HighPoint. [47]
Твердотельные гибридные диски (SSHD) основаны на том же принципе, но интегрируют некоторое количество флэш-памяти на борту обычного диска вместо использования отдельного SSD. Флэш-слой в этих дисках может быть доступен независимо от магнитного хранилища хостом 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. [48]
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 такого типа систем являются bcache и dm-cache в Linux [49] и Fusion Drive от Apple .
Основными компонентами SSD являются контроллер и память, используемая для хранения данных. Традиционно, ранние SSD использовали энергозависимую DRAM для хранения, но с 2009 года большинство SSD используют энергонезависимую флэш-память NAND , которая сохраняет данные даже при выключении. [50] [3] Флэш-память SSD хранит данные в интегральных схемах металл-оксид-полупроводник (МОП), используя энергонезависимые ячейки памяти с плавающим затвором . [51]
Каждый SSD включает контроллер, который управляет потоком данных между памятью NAND и хост-компьютером. Контроллер представляет собой встроенный процессор, который запускает прошивку для оптимизации производительности, управления данными и обеспечения целостности данных. [52] [53]
Некоторые из основных функций, выполняемых контроллером:
Общая производительность SSD может масштабироваться с числом параллельных чипов NAND и эффективностью контроллера. Например, контроллеры, которые обеспечивают параллельную обработку чипов NAND flash, могут улучшить пропускную способность и сократить задержку. [55]
Micron и Intel стали пионерами в производстве более быстрых твердотельных накопителей, внедрив такие методы, как чередование и чередование данных для повышения скорости чтения/записи. [56] Совсем недавно SandForce представила контроллеры, которые включают сжатие данных для уменьшения объема данных, записываемых во флэш-память, что потенциально увеличивает как производительность, так и долговечность. [57]
Выравнивание износа — это метод, используемый в SSD для обеспечения равномерного распределения операций записи и стирания по всем блокам флэш-памяти. Без этого определенные блоки могут преждевременно изнашиваться из-за многократного использования, что сокращает общий срок службы SSD. Процесс перемещает данные, которые редко изменяются (холодные данные), из часто используемых блоков, так что данные, которые изменяются чаще (горячие данные), могут быть записаны в эти блоки. Это помогает более равномерно распределить износ по всему SSD. Однако этот процесс вводит дополнительные записи, известные как усиление записи, которыми необходимо управлять, чтобы сбалансировать производительность и долговечность. [58] [59]
Большинство SSD используют энергонезависимую флэш-память NAND для хранения данных, в первую очередь из-за ее экономической эффективности и способности сохранять данные без постоянного источника питания. SSD на основе флэш-памяти NAND хранят данные в полупроводниковых ячейках, причем конкретная архитектура влияет на производительность, долговечность и стоимость. [61]
Существуют различные типы флэш-памяти NAND, классифицируемые по количеству бит, хранящихся в каждой ячейке:
Со временем контроллеры SSD повысили эффективность флэш-памяти NAND, внедрив такие методы, как чередование , улучшенное исправление ошибок и выравнивание износа, чтобы оптимизировать производительность и продлить срок службы накопителя. [63] [64] [65] [66] [ 67] Низкоуровневые SSD часто используют память QLC или TLC, в то время как высокоуровневые накопители для корпоративных или критически важных для производительности приложений могут использовать MLC или SLC. [68]
В дополнение к плоской (планарной) структуре NAND, многие твердотельные накопители теперь используют 3D NAND (или V-NAND), где ячейки памяти располагаются вертикально, что увеличивает плотность хранения, одновременно улучшая производительность и снижая затраты. [69]
Некоторые SSD используют энергозависимую DRAM вместо NAND flash, предлагая очень высокоскоростной доступ к данным, но требуя постоянного источника питания для сохранения данных. SSD на основе DRAM обычно используются в специализированных приложениях, где производительность имеет приоритет над стоимостью или энергонезависимостью. Многие SSD, такие как устройства NVDIMM , оснащены резервными источниками питания, такими как внутренние батареи или внешние адаптеры переменного/постоянного тока. Эти источники питания обеспечивают передачу данных в резервную систему (обычно NAND flash или другой носитель данных) в случае потери питания, предотвращая повреждение или потерю данных. [70] [71] Аналогично, устройства ULLtraDIMM используют компоненты, разработанные для модулей DIMM, но используют только флэш-память, похожую на DRAM SSD. [72]
SSD-накопители на основе DRAM часто используются для задач, где доступ к данным должен осуществляться на высокой скорости с низкой задержкой, например, в высокопроизводительных вычислениях или в определенных серверных средах. [73]
3D XPoint — это тип энергонезависимой технологии памяти, разработанной Intel и Micron, анонсированной в 2015 году. [74] Она работает за счет изменения электрического сопротивления материалов в своих ячейках, предлагая гораздо более быстрое время доступа, чем флэш-память NAND. SSD-накопители на основе 3D XPoint, такие как накопители Intel Optane, обеспечивают меньшую задержку и большую долговечность, чем накопители на основе NAND, хотя они дороже за гигабайт. [75] [76]
Накопители, известные как гибридные накопители или твердотельные гибридные накопители (SSHD), используют гибрид вращающихся дисков и флэш-памяти. [77] [78] Некоторые твердотельные накопители используют магниторезистивную память с произвольным доступом (MRAM) для хранения данных. [79] [80]
Многие флэш-накопители SSD включают в себя небольшое количество энергозависимой DRAM в качестве кэша, похожего на буферы в жестких дисках. Этот кэш может временно хранить данные, пока они записываются во флэш-память, а также он хранит метаданные, такие как сопоставление логических блоков с физическими местоположениями на SSD. [81]
Некоторые контроллеры SSD, например, SandForce, достигают высокой производительности без использования внешнего кэша DRAM. Эти конструкции полагаются на другие механизмы, такие как встроенная SRAM, для управления данными и минимизации энергопотребления. [82]
Кроме того, некоторые SSD используют механизм кэширования SLC для временного хранения данных в режиме одноуровневой ячейки (SLC), даже на SSD с многоуровневой ячейкой (MLC) или трехуровневой ячейкой (TLC). Это повышает производительность записи, позволяя записывать данные на более быстрое хранилище SLC перед перемещением на более медленное хранилище MLC или TLC с большей емкостью. [83]
В твердотельных накопителях NVMe технология Host Memory Buffer (HMB) позволяет твердотельному накопителю использовать часть системной DRAM вместо встроенного кэша DRAM, что снижает затраты и при этом сохраняет высокий уровень производительности. [82]
В некоторых высокопроизводительных потребительских и корпоративных SSD-накопителях больший объем DRAM используется для кэширования как сопоставлений файловых таблиц, так и записанных данных, что снижает усиление записи и повышает общую производительность. [84]
Высокопроизводительные SSD могут включать конденсатор или батарею, что помогает сохранить целостность данных в случае неожиданной потери питания. Конденсатор или батарея обеспечивают достаточно энергии, чтобы данные из кэша могли быть записаны в энергонезависимую память, гарантируя отсутствие потери данных. [85] [86]
В некоторых SSD, использующих флэш-память с многоуровневыми ячейками (MLC), может возникнуть потенциальная проблема, известная как «повреждение нижней страницы», если питание отключается во время программирования верхней страницы. Это может привести к повреждению ранее записанных данных. Чтобы решить эту проблему, некоторые высокопроизводительные SSD включают в себя суперконденсаторы , чтобы гарантировать, что все данные могут быть безопасно записаны при внезапном отключении питания. [87]
Некоторые потребительские SSD имеют встроенные конденсаторы для сохранения критически важных данных, таких как таблица отображения Flash Translation Layer (FTL). Примерами служат Crucial M500 и Intel 320 series. [88] Корпоративные SSD, такие как Intel DC S3700 series, часто поставляются с более надежными механизмами защиты от потери питания, такими как суперконденсаторы или батареи. [89]
Интерфейс хоста SSD относится к физическому разъему и методам сигнализации, используемым для связи между SSD и хост-системой. Этот интерфейс управляется контроллером SSD и часто похож на те, которые встречаются в традиционных жестких дисках (HDD). Общие интерфейсы включают:
SSD могут поддерживать различные логические интерфейсы, которые определяют наборы команд, используемые операционными системами для связи с SSD. Два распространенных логических интерфейса включают:
Размер и форма любого устройства в значительной степени определяются размером и формой компонентов, используемых для его изготовления. Традиционные жесткие диски и оптические приводы спроектированы вокруг вращающейся пластины (пластин) 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 поставляются в более крупном шасси, которое может быть даже стоечным форм-фактором с несколькими твердотельными накопителями внутри. Все они будут подключаться к общей шине внутри шасси и подключаться снаружи коробки с помощью одного разъема. [3]
Для общего использования на компьютерах наиболее популярен форм-фактор 2,5 дюйма (обычно встречающийся в ноутбуках и используемый для большинства твердотельных накопителей SATA), имеющий три толщины [98] (7,0 мм, 9,5 мм, 14,8 или 15,0 мм; для некоторых моделей также доступен размер 12,0 мм). Для настольных компьютеров с 3,5-дюймовыми слотами для жестких дисков можно использовать простую адаптерную пластину, чтобы такой диск подходил. Другие типы форм-факторов более распространены в корпоративных приложениях. Твердотельный накопитель также может быть полностью интегрирован в другие схемы устройства, как в Apple MacBook Air (начиная с модели осени 2010 года). [99] С 2014 года [обновлять]форм -факторы mSATA и M.2 также приобрели популярность, в первую очередь в ноутбуках.
Преимущество использования современного форм-фактора жесткого диска заключается в использовании уже существующей обширной инфраструктуры для монтажа и подключения дисков к хост-системе. [3] [100] 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 диска.
Для приложений, где пространство имеет первостепенное значение, например, для ультрабуков или планшетных компьютеров , были стандартизированы несколько компактных форм-факторов для твердотельных накопителей на основе флэш-памяти.
Существует форм-фактор mSATA, который использует физическую компоновку 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), является естественным переходом от mSATA и используемой им физической компоновки к более удобному и более продвинутому форм-фактору. В то время как mSATA использовал существующий форм-фактор и разъем, M.2 был разработан для максимального использования пространства карты, при этом минимизируя занимаемую площадь. Стандарт M.2 позволяет устанавливать как SATA, так и PCI Express SSD на модули M.2. [101]
Некоторые высокопроизводительные накопители большой емкости используют стандартный форм -фактор карты расширения PCI Express для размещения дополнительных чипов памяти, позволяют использовать более высокие уровни мощности и позволяют использовать большой радиатор . Существуют также платы адаптеров, которые преобразуют другие форм-факторы, особенно накопители M.2 с интерфейсом PCIe, в обычные карты расширения.
Диск -на-модуле ( DOM ) — это флэш-накопитель с интерфейсом 40/44-контактного параллельного ATA (PATA) или SATA , предназначенный для непосредственного подключения к материнской плате и использования в качестве жесткого диска компьютера (HDD). Устройства DOM эмулируют традиционный жесткий диск, что исключает необходимость в специальных драйверах или другой особой поддержке операционной системы. DOM обычно используются во встраиваемых системах , которые часто развертываются в жестких условиях, где механические жесткие диски просто выйдут из строя, или в тонких клиентах из-за небольшого размера, низкого энергопотребления и бесшумной работы.
По состоянию на 2016 год [обновлять]емкость хранилища варьируется от 4 МБ до 128 ГБ с различными вариантами физической компоновки, включая вертикальную или горизонтальную ориентацию. [ необходима ссылка ]
Многие решения на основе DRAM используют коробку, которая часто проектируется для установки в стойку. Количество компонентов DRAM , необходимых для получения достаточной емкости для хранения данных вместе с резервными источниками питания, требует большего пространства, чем традиционные форм-факторы HDD. [102]
Форм-факторы, которые были более распространены для модулей памяти, теперь используются SSD, чтобы воспользоваться их гибкостью в компоновке компонентов. Некоторые из них включают PCIe , mini PCIe , mini-DIMM , MO-297 и многие другие. [103] SATADIMM от Viking Technology использует пустой слот DDR3 DIMM на материнской плате для подачи питания на SSD с отдельным разъемом SATA для обеспечения подключения данных обратно к компьютеру. Результатом является простой в установке SSD с емкостью, равной дискам, которые обычно занимают полный 2,5-дюймовый отсек для дисков . [104] По крайней мере один производитель, Innodisk, выпустил диск, который устанавливается непосредственно на разъем SATA (SATADOM) на материнской плате без необходимости использования кабеля питания. [105] Некоторые SSD основаны на форм-факторе PCIe и подключают как интерфейс данных, так и питание через разъем PCIe к хосту. Эти накопители могут использовать либо прямые флэш-контроллеры PCIe [106] , либо мостовое устройство PCIe-SATA, которое затем подключается к флэш-контроллерам SATA. [107]
Существуют также твердотельные накопители в виде карт PCIe, их иногда называют HHHL (Half Height Half Length) или AIC (Add in Card). [108] [109] [110]
В начале 2000-х годов несколько компаний представили SSD в форм-факторах Ball Grid Array (BGA), такие как DiskOnChip [111] от M-Systems (теперь SanDisk ) и NANDrive [112] [113] от Silicon Storage Technology (теперь производимый Greenliant Systems ), а также M1000 [114] от Memoright для использования во встраиваемых системах. Основными преимуществами SSD BGA являются их низкое энергопотребление, небольшой размер корпуса чипа для установки в компактные подсистемы и то, что их можно припаять непосредственно к системной материнской плате, чтобы уменьшить неблагоприятные эффекты от вибрации и ударов. [115]
Такие встроенные накопители часто соответствуют стандартам eMMC и eUFS .
Первые устройства, напоминающие твердотельные накопители (SSD), использовали полупроводниковую технологию, ранним примером является StorageTek STC 4305 1978 года. Это устройство было совместимой с разъемом заменой жесткого диска IBM 2305 , изначально использовав для хранения устройства с зарядовой связью , а затем переключившись на динамическую память с произвольным доступом (DRAM). STC 4305 был значительно быстрее своих механических аналогов и стоил около 400 000 долларов за емкость 45 МБ. [116] Хотя ранние устройства, подобные SSD, существовали, они не получили широкого распространения из-за своей высокой стоимости и небольшой емкости хранения.
В конце 1980-х годов такие компании, как Zitel, начали продавать твердотельные накопители на базе DRAM под названием «RAMDisk». Эти устройства в основном использовались в специализированных системах, таких как производимые UNIVAC и Perkin-Elmer.
Флэш-память, ключевой компонент современных твердотельных накопителей, была изобретена в 1980 году Фудзио Масуокой в Toshiba. [132] [133] Флэш-накопители SSD были запатентованы в 1989 году основателями SanDisk , [134] которая выпустила свой первый продукт в 1991 году: 20-мегабайтный твердотельный накопитель для ноутбуков IBM. [135] Хотя емкость хранилища была ограничена, а цена высока (около 1000 долларов США), это ознаменовало начало перехода к флэш-памяти как альтернативе традиционным жестким дискам. [136]
В 1990-х годах появились новые производители флэш-накопителей, включая STEC, Inc. , [137] M-Systems , [138] [139] и BiTMICRO. [140] [141]
По мере развития технологий твердотельные накопители значительно улучшили свою емкость, скорость и доступность. [142] [143] [144] [145] К 2016 году коммерчески доступные твердотельные накопители имели большую емкость, чем самые большие доступные жесткие диски. [146] [147] [148] [149] [150] К 2018 году твердотельные накопители на основе флэш-памяти достигли емкости до 100 ТБ в корпоративных продуктах, а потребительские твердотельные накопители предлагали до 16 ТБ. [117] Эти достижения сопровождались значительным увеличением скорости чтения и записи, причем некоторые высококлассные потребительские модели достигли скорости до 14,5 ГБ/с. [120]
В 2021 году был анонсирован NVMe 2.0 с зонированными пространствами имен (ZNS). ZNS позволяет сопоставлять данные непосредственно с их физическим расположением в памяти, обеспечивая прямой доступ к SSD без слоя трансляции флэш-памяти. [151] В 2024 году Samsung анонсировала то, что она назвала первым в мире SSD с гибридным интерфейсом PCIe, Samsung 990 EVO. Гибридный интерфейс работает либо в режимах x4 PCIe 4.0, либо x2 PCIe 5.0, впервые для M.2 SSD. [152]
Цены на твердотельные накопители также значительно упали: стоимость за гигабайт снизилась с примерно 50 000 долларов в 1991 году до менее 0,05 доллара к 2020 году. [130]
Корпоративные флэш-накопители (EFD) предназначены для высокопроизводительных приложений, требующих быстрых операций ввода-вывода в секунду ( IOPS ), надежности и энергоэффективности. EFD часто имеют более высокие характеристики, чем потребительские SSD, что делает их подходящими для критически важных приложений. Этот термин был впервые использован EMC в 2008 году для описания SSD, созданных для корпоративных сред. [153] [154]
Одним из примеров EFD является серия Intel DC S3700, выпущенная в 2012 году. Эти диски отличались стабильной производительностью, поддерживая колебания IOPS в узком диапазоне, что имеет решающее значение для корпоративных сред. [155]
Еще одним значимым продуктом является серия Toshiba PX02SS, выпущенная в 2016 году. Эти накопители, разработанные для приложений с интенсивным использованием записи, таких как обработка онлайн-транзакций, достигли впечатляющих скоростей чтения и записи, а также высоких показателей выносливости. [156]
В 2017 году Intel представила SSD на основе технологии 3D XPoint под брендом Optane. В отличие от флэш-памяти NAND, 3D XPoint использует другой метод хранения данных, предлагая более высокую производительность IOPS, хотя последовательные скорости чтения и записи остаются медленнее по сравнению с традиционными SSD. [157]
Поскольку технология SSD продолжает совершенствоваться, они все чаще используются в сверхмобильных ПК и легких ноутбуках. Первым доступным ПК на базе флэш-памяти SSD стал Sony Vaio UX90, анонсированный для предварительного заказа 27 июня 2006 года и начавший поставки в Японию 3 июля 2006 года с жестким диском флэш-памяти объемом 16 ГБ. [158] Еще одним из первых массовых релизов SSD стал XO Laptop , созданный в рамках проекта One Laptop Per Child . Массовое производство этих компьютеров, созданных для детей в развивающихся странах, началось в декабре 2007 года. К 2009 году Dell , [159] [160] [161] Toshiba , [162] [163] Asus , [164] Apple , [165] и Lenovo [166] начали производить ноутбуки с SDD.
К 2010 году линейка MacBook Air от Apple начала использовать твердотельные накопители по умолчанию. [167] [165] В 2011 году Ultrabook от Intel стал первым широкодоступным потребительским компьютером, использующим SSD, помимо MacBook Air. [168] В настоящее время устройства SDD широко используются и распространяются рядом компаний , а небольшое количество компаний производит устройства флэш-памяти NAND внутри них. [169]
Поставки SSD составили 11 миллионов единиц в 2009 году [170] , 17,3 миллиона единиц в 2011 году [171] на общую сумму 5 миллиардов долларов США [172] , 39 миллионов единиц в 2012 году и, как ожидается, возрастут до 83 миллионов единиц в 2013 году [173], до 201,4 миллиона единиц в 2016 году [171] и до 227 миллионов единиц в 2017 году [174].
Доходы мирового рынка SSD в 2008 году составили 585 миллионов долларов, увеличившись более чем на 100% по сравнению с 259 миллионами долларов в 2007 году. [175]
Те же файловые системы, которые используются на жестких дисках, обычно можно использовать и на твердотельных накопителях. Файловые системы, которые поддерживают SSD, обычно также поддерживают команду TRIM, которая помогает SSD перерабатывать отброшенные данные. Файловой системе не нужно управлять выравниванием износа или другими характеристиками флэш-памяти, поскольку они обрабатываются внутри SSD. Некоторые файловые системы с лог-структурой (например, F2FS , JFFS2 ) помогают снизить усиление записи на SSD, особенно в ситуациях, когда изменяются только очень небольшие объемы данных, например, при обновлении метаданных файловой системы .
Если операционная система не поддерживает использование TRIM на отдельных разделах подкачки , вместо этого можно использовать файлы подкачки внутри обычной файловой системы. Например, OS X не поддерживает разделы подкачки; она только подкачка в файлы внутри файловой системы, поэтому она может использовать TRIM, когда, например, файлы подкачки удаляются. [ необходима цитата ]
С 2010 года стандартные утилиты Linux для работы с дисками по умолчанию заботятся о соответствующем выравнивании разделов. [176]
Поддержка ядра для операции TRIM была введена в версии 2.6.33 основной ветки ядра Linux, выпущенной 24 февраля 2010 года. [177] Файловые системы ext4 , Btrfs , XFS , JFS и F2FS включают поддержку функции сброса (TRIM или UNMAP). Чтобы использовать TRIM, файловая система должна быть смонтирована с использованием параметра . Разделы подкачки Linux по умолчанию выполняют операции сброса, когда базовый диск поддерживает TRIM, с возможностью их отключения. [178] [179] [180] Поддержка очереди TRIM, функции SATA 3.1 , которая приводит к тому, что команды TRIM не нарушают очереди команд, была введена в ядре Linux 3.12, выпущенном 2 ноября 2013 года. [181]discard
Альтернативой операции TRIM на уровне ядра является использование утилиты пользовательского пространства, называемойфстримкоторый проходит по всем неиспользуемым блокам в файловой системе и отправляет команды TRIM для этих областей.фстримУтилита обычно запускается cron как запланированная задача. [182]
Во время установки дистрибутивы Linux обычно не настраивают установленную систему на использование TRIM, и поэтому /etc/fstab
файл требует ручных изменений. [183] Это связано с тем, что текущая реализация команды Linux TRIM может быть неоптимальной. [184] Было доказано, что при определенных обстоятельствах она приводит к снижению производительности вместо ее повышения. [185] [186] По состоянию на январь 2014 года [обновлять]Linux отправляет отдельную команду TRIM в каждый сектор вместо векторизованного списка, определяющего диапазон TRIM, как рекомендовано спецификацией TRIM. [187]
Из соображений производительности рекомендуется переключить планировщик ввода-вывода с CFQ по умолчанию (Completely Fair Queuing) на NOOP или Deadline . CFQ был разработан для традиционных магнитных носителей и оптимизации поиска, поэтому многие из этих усилий по планированию ввода-вывода оказываются напрасными при использовании с SSD. В рамках своей конструкции SSD предлагают гораздо более высокие уровни параллелизма для операций ввода-вывода, поэтому предпочтительнее оставить решения по планированию их внутренней логике, особенно для SSD высокого класса. [188] [189]
Масштабируемый блочный слой для высокопроизводительного SSD-хранилища, известный как blk-multiqueue или blk-mq и разработанный в первую очередь инженерами Fusion-io , был объединен с основной веткой ядра Linux в версии ядра 3.13, выпущенной 19 января 2014 года. Это использует производительность, предлагаемую SSD и NVMe, позволяя значительно более высокую скорость отправки ввода-вывода. Благодаря этой новой конструкции блочного слоя ядра Linux внутренние очереди разделены на два уровня (очереди на ЦП и очереди отправки оборудования), тем самым устраняя узкие места и позволяя гораздо более высокие уровни распараллеливания ввода-вывода. Начиная с версии 4.0 ядра Linux, выпущенной 12 апреля 2015 года, блочный драйвер VirtIO , уровень SCSI (который используется драйверами Serial ATA), фреймворк сопоставления устройств , драйвер циклических устройств , драйвер несортированных блочных образов (UBI) (который реализует уровень управления стиранием блоков 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. [190] [191] [192] [193] [194]
Версии, начиная с Mac OS X 10.6.8 (Snow Leopard), поддерживают TRIM, но только при использовании с SSD, приобретенным Apple. [195] TRIM не включается автоматически для сторонних дисков, хотя его можно включить с помощью сторонних утилит, таких как Trim Enabler . Статус TRIM можно проверить в приложении «Сведения о системе» или в system_profiler
командной строке.
Версии, начиная с OS X 10.10.4 (Yosemite), включают sudo trimforce enable
в себя команду Терминала, которая включает TRIM на SSD-накопителях сторонних производителей. [196] Существует также метод включения TRIM в версиях, более ранних, чем Mac OS X 10.6.8, хотя остается неясным, действительно ли TRIM используется должным образом в этих случаях. [197]
До версии 7 Microsoft Windows не предпринимала никаких специальных мер для поддержки твердотельных накопителей. Начиная с Windows 7, стандартная файловая система NTFS обеспечивает поддержку команды TRIM. [198]
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. [199] Windows реализует TRIM не только для операций удаления файлов. Операция TRIM полностью интегрирована с командами на уровне разделов и томов, такими как format и delete , с командами файловой системы, относящимися к усечению и сжатию, и с функцией восстановления системы (также известной как моментальный снимок тома). [200]
Дефрагментацию следует отключить на твердотельных дисках, поскольку расположение компонентов файлов на SSD не оказывает существенного влияния на его производительность, но перемещение файлов для того, чтобы сделать их смежными с помощью процедуры Windows Defrag, приведет к ненужному износу записи на ограниченном количестве циклов записи на SSD. Функция SuperFetch также не улучшит производительность и вызовет дополнительные накладные расходы в системе и SSD. [201]
Windows Vista обычно ожидает жесткие диски, а не SSD. [202] [203] Windows Vista включает ReadyBoost для использования характеристик USB-подключенных флэш-устройств, но для SSD он только улучшает выравнивание разделов по умолчанию, чтобы предотвратить операции чтения-изменения-записи, которые снижают скорость SSD. Большинство SSD обычно разбиты на сектора по 4 КиБ, в то время как более ранние системы могут быть основаны на секторах по 512 байт с их настройками разделов по умолчанию, не выровненными по границам 4 КиБ. [204] Windows Vista не отправляет команду TRIM на твердотельные накопители, но некоторые сторонние утилиты, такие как SSD Doctor, будут периодически сканировать диск и выполнять TRIM соответствующих записей. [205]
Windows 7 и более поздние версии имеют встроенную поддержку SSD. [200] [206] Операционная система обнаруживает наличие SSD и соответствующим образом оптимизирует работу. Для SSD-устройств Windows 7 отключает ReadyBoost и автоматическую дефрагментацию. [207] Несмотря на первоначальное заявление Стивена Синофски перед выпуском Windows 7, [200] однако дефрагментация не отключается, хотя ее поведение на SSD-накопителях отличается. [208] Одной из причин является низкая производительность службы теневого копирования томов на фрагментированных SSD. [208] Вторая причина — избежать достижения практического максимального количества фрагментов файлов, которые может обработать том. [208]
Windows 7 также включает поддержку команды TRIM для сокращения сбора мусора для данных, которые операционная система уже определила как недействительные. [209] [210]
Windows 8.1 и более поздние версии Windows также поддерживают автоматическую TRIM для SSD-накопителей PCI Express на базе NVMe. Для Windows 7 для этой функциональности требуется обновление KB2990941, которое должно быть интегрировано в программу установки Windows с помощью DISM, если Windows 7 должна быть установлена на SSD-накопителе NVMe. Windows 8/8.1 также поддерживает команду SCSI unmap, аналог SATA TRIM, для SSD-накопителей с подключением по USB или корпусов SATA-to-USB. Она также поддерживается по протоколу USB Attached SCSI Protocol (UASP).
В то время как Windows 7 поддерживала автоматическую TRIM для внутренних SATA SSD, Windows 8.1 и Windows 10 поддерживают ручную TRIM, а также автоматическую TRIM для SATA, NVMe и USB-подключенных SSD. Disk Defragmenter в Windows 10 и 11 может выполнять TRIM для оптимизации SSD. [211]
Solaris версии 10 Update 6 (выпущен в октябре 2008 года) и последние [ когда? ] версии OpenSolaris , Solaris Express Community Edition , Illumos , Linux с ZFS на Linux и FreeBSD могут использовать SSD в качестве усилителя производительности для ZFS . SSD с низкой задержкой может использоваться для ZFS Intent Log (ZIL), где он называется SLOG. SSD также может использоваться для кэша адаптивной замены уровня 2 (L2ARC), который используется для кэширования данных для чтения. [212]
ZFS для FreeBSD представила поддержку TRIM 23 сентября 2012 года. [213] Файловая система Unix также поддерживает команду TRIM. [214]
Ниже перечислены 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, которые продвигают использование твердотельных накопителей. Это не обязательно исчерпывающий список.
{{cite magazine}}
: Cite журнал требует |magazine=
( помощь )SSD Anthology2
была вызвана, но не определена (см. страницу справки ).продукты будут доступны в 2016 г. в стандартных форм-факторах SSD (PCIe) для всего, от ультрабуков до серверов, и в форм-факторе DIMM для систем Xeon для еще большей пропускной способности и меньших задержек. Как и ожидалось, Intel предоставит контроллеры хранения, оптимизированные для памяти 3D XPoint
SSD Anthology3
была вызвана, но не определена (см. страницу справки ).Demerjian TPC-C Records3
была вызвана, но не определена (см. страницу справки ).Werner SSD Features2
была вызвана, но не определена (см. страницу справки ).