Твердотельный накопитель ( SSD ) — это твердотельное запоминающее устройство, которое использует интегральные схемы для постоянного хранения данных , обычно с использованием флэш-памяти , и функционирует как вторичное хранилище в иерархии компьютерного хранилища . [1] Его также иногда называют полупроводниковым запоминающим устройством , полупроводниковым устройством или твердотельным диском , [2] хотя в твердотельных накопителях отсутствуют физические вращающиеся диски и подвижные головки чтения-записи , используемые в жестких дисках (HDD). ) и дискеты . [3] SSD также имеет богатый внутренний параллелизм для обработки данных. [4]
По сравнению с жесткими дисками и аналогичными электромеханическими носителями, в которых используются движущиеся части, твердотельные накопители обычно более устойчивы к физическим ударам, работают бесшумно, имеют более высокую скорость ввода-вывода и меньшую задержку . [5] SSD хранят данные в полупроводниковых ячейках. По состоянию на 2019 год [обновлять]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 («одноуровневые ячейки» или «SLC») обычно являются наиболее надежными, долговечными, быстрыми и дорогими типами по сравнению с твердотельными накопителями. 2- и 3-битные ячейки («Многоуровневые ячейки/MLC» и «Трехуровневые ячейки/TLC») и, наконец, четырехбитные ячейки («QLC»), используемые для потребительских устройств, которые не требуют таких экстремальных условий. свойствами и являются самыми дешевыми из четырех за гигабайт (ГБ). Кроме того, память 3D XPoint (продаваемая Intel под брендом Optane) хранит данные за счет изменения электрического сопротивления ячеек вместо хранения электрических зарядов в ячейках, а твердотельные накопители, изготовленные из оперативной памяти , можно использовать для обеспечения высокой скорости, когда данные сохраняются после потери питания. не требуется или может использовать энергию аккумулятора для сохранения данных, когда обычный источник питания недоступен. [6] Гибридные диски или твердотельные гибридные диски (SSHD), такие как Intel Hystor [7] и Apple Fusion Drive , сочетают в себе функции твердотельных и жестких дисков в одном устройстве, используя как флэш-память , так и вращающиеся магнитные диски, чтобы улучшить производительность часто используемых данных. [8] [9] [10] Bcache достигает аналогичного эффекта исключительно программно, используя комбинацию выделенных обычных твердотельных накопителей и жестких дисков.
Твердотельные накопители на основе флэш-памяти NAND со временем будут медленно терять заряд, если их оставить на длительное время без питания. Это приводит к тому, что изношенные диски (у которых превышен предел выносливости) начинают терять данные, как правило, через год (при хранении при 30 °C) или два года (при 25 °C) хранения; для новых дисков это занимает больше времени. [11] Поэтому SSD-накопители не подходят для архивного хранения . 3D XPoint — возможное исключение из этого правила; это относительно новая технология с неизвестными характеристиками долгосрочного хранения данных.
Твердотельные накопители могут использовать традиционные интерфейсы и форм-факторы жестких дисков или более новые интерфейсы и форм-факторы, которые используют особые преимущества флэш-памяти твердотельных накопителей. Традиционные интерфейсы (например, SATA и SAS ) и стандартные форм-факторы жестких дисков позволяют использовать такие твердотельные накопители в качестве замены жестких дисков в компьютерах и других устройствах. Новые форм-факторы, такие как mSATA , M.2 , U.2 , NF1 / M.3 / NGSFF , [12] [13] XFM Express ( кроссоверная флэш-память , форм-фактор XT2) [14] и EDSFF (ранее известный как Ruler) SSD ) [15] [16] и более высокоскоростные интерфейсы, такие как NVM Express (NVMe) через PCI Express (PCIe), могут еще больше повысить производительность по сравнению с производительностью жесткого диска. [6] SSD-накопители имеют ограниченное количество операций записи в течение всего срока службы, а также замедляются по мере достижения полной емкости хранилища.
Ранним, если не первым, полупроводниковым запоминающим устройством, совместимым с интерфейсом жесткого диска (например, твердотельным накопителем, как определено), было StorageTek STC 4305 1978 года, совместимая с разъемами замена жесткого диска IBM 2305 с фиксированной головкой. Первоначально в качестве хранилища использовались устройства с зарядовой связью (CCD) (позже перешли на DRAM ), и, как следствие, сообщалось, что он в семь раз быстрее, чем продукт IBM , и стоит примерно вдвое дешевле (400 000 долларов за емкость 45 МБ). [17] До появления StorageTek SSD существовало множество продуктов DRAM и Core (например, DATARAM BULK Core, 1976) [18] которые продавались как альтернативы жестким дискам, но они обычно имели интерфейсы памяти и не были твердотельными накопителями в соответствии с определением.
В конце 1980-х годов компания Zitel предложила семейство твердотельных накопителей на базе DRAM под торговой маркой «RAMDisk» для использования, среди прочего, в системах UNIVAC и Perkin-Elmer.
Основа твердотельных накопителей на базе флэш-памяти — флэш-память — была изобретена Фудзио Масуокой в компании Toshiba в 1980 году [38] и коммерциализирована компанией Toshiba в 1987 году . [39] [40] Основатели SanDisk Corporation (тогда SunDisk) Эли Харари и Санджай Мехротра вместе 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. [41] Первый коммерческий твердотельный накопитель на основе флэш-памяти был поставлен компанией SanDisk в 1991 году. [38] Это был твердотельный накопитель емкостью 20 МБ в конфигурации PCMCIA , который продавался OEM примерно за 1000 долларов и использовался IBM в ноутбуке ThinkPad. [42] В 1998 году SanDisk представила твердотельные накопители форм-фактора 2,5 и 3,5 дюйма с интерфейсами PATA . [43]
В 1995 году компания STEC, Inc. начала заниматься производством флэш-памяти для бытовых электронных устройств. [44]
В 1995 году компания M-Systems представила твердотельные накопители на основе флэш-памяти [45] в качестве замены жестких дисков для военной и аэрокосмической промышленности, а также для других критически важных приложений. Эти приложения требуют способности твердотельного накопителя выдерживать экстремальные удары, вибрацию и температурные диапазоны. [46]
В 1999 году BiTMICRO представила и анонсировала ряд твердотельных накопителей на базе флэш-памяти, в том числе 3,5-дюймовый твердотельный накопитель емкостью 18 ГБ [47] . [48] В 2007 году Fusion-io анонсировала твердотельный накопитель на базе PCIe с производительностью 100 000 операций ввода-вывода в секунду (IOPS) на одной карте и емкостью до 320 ГБ. [49]
На выставке Cebit 2009 компания OCZ Technology продемонстрировала флэш-твердотельный накопитель емкостью 1 ТБ [50] с интерфейсом PCI Express ×8. Он достиг максимальной скорости записи 0,654 гигабайта в секунду ( ГБ/с ) и максимальной скорости чтения 0,712 ГБ/с. [51] В декабре 2009 года Micron Technology анонсировала твердотельный накопитель с интерфейсом SATA 6 гигабит в секунду ( Гбит/с ) . [52]
В 2016 году компания Seagate продемонстрировала скорость последовательного чтения и записи 10 ГБ/с у 16-канального твердотельного накопителя PCIe 3.0 и твердотельного накопителя емкостью 60 ТБ в форм-факторе 3,5 дюйма. Samsung также выпустила на рынок твердотельный накопитель емкостью 15,36 ТБ по цене 10 000 долларов США с интерфейсом SAS, форм-фактором 2,5 дюйма, но с толщиной 3,5-дюймовых дисков. Это был первый случай, когда коммерчески доступный твердотельный накопитель имел большую емкость, чем самый большой из доступных в настоящее время жестких дисков. [53] [54] [55] [56] [57]
В 2018 году и Samsung, и Toshiba выпустили твердотельные накопители емкостью 30,72 ТБ в том же форм-факторе 2,5 дюйма, но с толщиной диска 3,5 дюйма и с интерфейсом SAS. Nimbus Data анонсировала и, как сообщается, поставила диски емкостью 100 ТБ с интерфейсом SATA. Ожидается, что жесткие диски достигнут такой емкости не раньше 2025 года. Samsung представила твердотельный накопитель M.2 NVMe со скоростью чтения 3,5 ГБ/с и скоростью записи 3,3 ГБ/с. [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] Новая версия твердотельного накопителя емкостью 100 ТБ была выпущена в 2020 году по цене 40 000 долларов США, а версия на 50 ТБ стоила 12 500 долларов США. [65] [66]
В 2019 году компания Gigabyte Technology продемонстрировала на выставке Computex 2019 16-канальный твердотельный накопитель PCIe 4.0 емкостью 8 ТБ со скоростью последовательного чтения 15,0 ГБ/с и последовательной записи 15,2 ГБ/с. Он включал в себя вентилятор , поскольку новые высокоскоростные твердотельные накопители работают при высоких температурах. . [67] Также в 2019 году были выпущены твердотельные накопители NVMe M.2 с интерфейсом PCIe 4.0. Эти твердотельные накопители имеют скорость чтения до 5,0 ГБ/с и скорость записи до 4,4 ГБ/с. Из-за высокой скорости работы в этих твердотельных накопителях используются большие радиаторы, и без достаточного потока охлаждающего воздуха они обычно термически снижаются примерно через 15 минут непрерывной работы на полной скорости. [68] Samsung также представила твердотельные накопители со скоростью последовательного чтения и записи 8 ГБ/с и 1,5 миллиона операций ввода-вывода в секунду, способные перемещать данные с поврежденных чипов на неповрежденные, что позволяет SSD продолжать нормально работать, хотя и с меньшей емкостью. [69] [70] [71]
В 2024 году Samsung анонсировала первый в мире твердотельный накопитель с гибридным интерфейсом PCIe — Samsung 990 EVO. Гибридный интерфейс работает либо в режимах x4 PCIe 4.0, либо в режимах x2 PCIe 5.0, впервые для твердотельных накопителей M.2. [72]
Корпоративные флэш-накопители ( EFD ) предназначены для приложений, требующих высокой производительности ввода-вывода ( IOPS ), надежности, энергоэффективности и, с недавних пор, стабильной производительности. В большинстве случаев EFD — это твердотельный накопитель с более высоким набором характеристик по сравнению с твердотельными накопителями, которые обычно используются в ноутбуках. Этот термин был впервые использован EMC в январе 2008 года для обозначения производителей твердотельных накопителей, которые будут предоставлять продукты, соответствующие этим более высоким стандартам. [73] Не существует органов по стандартизации, которые контролируют определение EFD, поэтому любой производитель твердотельных накопителей может заявлять, что производит EFD, хотя на самом деле продукт может не соответствовать каким-либо конкретным требованиям. [74]
Примером может служить серия накопителей Intel DC S3700, представленная в четвертом квартале 2012 года, в которой основное внимание уделяется достижению стабильной производительности — области, которой не уделялось особого внимания, но которая, по утверждению Intel, важна для корпоративного рынка; В частности, Intel утверждает, что в устойчивом состоянии диски S3700 не будут изменять свои операции ввода-вывода более чем на 10–15 % и что 99,9 % всех произвольных операций ввода-вывода размером 4 КБ обслуживаются менее чем за 500 мкс. [75]
Другим примером является серия корпоративных твердотельных накопителей Toshiba PX02SS, анонсированная в 2016 году, оптимизированная для использования в серверных платформах и платформах хранения данных, требующих высокой надежности от приложений с интенсивными операциями записи, таких как кэширование записи, ускорение ввода-вывода и онлайн- обработка транзакций (OLTP). В серии PX02SS используется интерфейс SAS 12 Гбит/с, флэш-память MLC NAND, обеспечивающая 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). [76]
В 2017 году первые продукты с памятью 3D XPoint были выпущены под брендом Intel Optane; 3D Xpoint полностью отличается от флэш-памяти NAND и хранит данные, используя другие принципы. SSD-накопители на базе 3D XPoint имеют более высокие показатели IOPS (до 2,5 миллионов), но более низкую скорость последовательного чтения/записи, чем их аналоги на NAND-флэш-памяти. [77] [78]
Ключевыми компонентами SSD являются контроллер и память для хранения данных. Основным компонентом памяти в твердотельном накопителе традиционно была энергозависимая память DRAM , но с 2009 года чаще используется энергонезависимая флэш-память NAND . [79] [6]
Каждый твердотельный накопитель включает в себя контроллер , в состав которого входит электроника, соединяющая компоненты памяти NAND с главным компьютером . Контроллер представляет собой встроенный процессор, который выполняет код уровня прошивки и является одним из наиболее важных факторов производительности SSD. [80] Некоторые функции, выполняемые контроллером, включают в себя: [81] [82]
Производительность твердотельного накопителя может масштабироваться в зависимости от количества параллельных микросхем флэш-памяти NAND, используемых в устройстве. Одиночный чип NAND работает относительно медленно из-за узкого (8/16 бит) асинхронного интерфейса ввода-вывода и дополнительной высокой задержки основных операций ввода-вывода (типично для SLC NAND, ~ 25 мкс для извлечения страницы размером 4 КиБ из массив в буфер ввода-вывода при чтении, ~250 мкс для фиксации страницы размером 4 КиБ из буфера ввода-вывода в массив при записи, ~2 мс для стирания блока размером 256 КиБ). Когда несколько чипов NAND работают параллельно внутри твердотельного накопителя, пропускная способность и надежность масштабируются, а высокие задержки могут быть уменьшены, пока выполняется достаточное количество ожидающих операций и нагрузка равномерно распределяется между устройствами. [84]
Micron и Intel изначально создавали более быстрые твердотельные накопители, реализуя чередование данных (аналогично RAID 0 ) и чередование в своей архитектуре. Это позволило в 2009 году создать твердотельные накопители с эффективной скоростью чтения/записи 250 МБ/с с интерфейсом SATA 3 Гбит/с. [85] Два года спустя SandForce продолжила использовать это параллельное подключение флэш-памяти, выпустив SATA 6 Гбит потребительского уровня. /s SSD-контроллеры, поддерживающие скорость чтения/записи 500 МБ/с. [86] Контроллеры SandForce сжимают данные перед отправкой во флэш-память. Этот процесс может привести к меньшему объему записи и более высокой логической пропускной способности, в зависимости от сжимаемости данных. [87]
Если определенный блок программируется и стирается неоднократно без записи в какие-либо другие блоки, этот блок изнашивается раньше всех остальных блоков, что приводит к преждевременному прекращению срока службы SSD. По этой причине контроллеры SSD используют метод, называемый выравниванием износа , для максимально равномерного распределения операций записи по всем флэш-блокам SSD. В идеальном сценарии это позволило бы записать каждый блок до максимального срока его службы, чтобы все они вышли из строя одновременно.
Процесс равномерного распределения записей требует перемещения данных, ранее записанных и не изменяющихся (холодные данные), чтобы данные, которые изменяются чаще (горячие данные), могли быть записаны в эти блоки. [88] [89] Перемещение данных увеличивает скорость записи и увеличивает износ флэш-памяти, поэтому необходимо найти баланс между этими соображениями производительности и эффективностью выравнивания износа.
Большинство производителей твердотельных накопителей используют энергонезависимую флэш-память NAND в конструкции своих твердотельных накопителей из-за более низкой стоимости по сравнению с DRAM и способности сохранять данные без постоянного источника питания, обеспечивая сохранность данных даже при внезапных отключениях электроэнергии. [91] SSD-накопители с флэш-памятью изначально были медленнее, чем решения DRAM, а некоторые ранние конструкции после длительного использования были даже медленнее, чем жесткие диски. Эту проблему решили контроллеры, вышедшие в 2009 году и позже. [92]
SSD-накопители на основе флэш-памяти хранят данные в микросхемах интегральных схем металл-оксид-полупроводник (МОП) , которые содержат энергонезависимые ячейки памяти с плавающим затвором . [93] Решения на основе флэш-памяти обычно упаковываются в стандартные форм-факторы дисков (1,8-, 2,5- и 3,5-дюймовые), а также в более компактные форм-факторы меньшего размера, такие как форм- фактор M.2 , что стало возможным. из-за небольшого размера флэш-памяти.
В более дешевых накопителях обычно используется флэш-память с четырехуровневыми ячейками (QLC), трехуровневыми ячейками (TLC) или многоуровневыми ячейками (MLC), которая медленнее и менее надежна, чем флэш-память с одноуровневыми ячейками (SLC). [94] [95] Это можно смягчить или даже обратить вспять с помощью внутренней структуры SSD, такой как чередование, изменения в алгоритмах записи, [95] и более высокий уровень избыточного выделения ресурсов (больше избыточной емкости), с помощью которого выравнивание износа алгоритмы могут работать. [96] [97] [98]
Были представлены твердотельные накопители, основанные на технологии V-NAND , в которой слои ячеек расположены вертикально. [99]
Твердотельные накопители на основе энергозависимой памяти, такой как DRAM, характеризуются очень быстрым доступом к данным, обычно менее 10 микросекунд , и используются в первую очередь для ускорения приложений, которые в противном случае сдерживались бы задержкой флэш -накопителей или традиционных жестких дисков.
Твердотельные накопители на базе DRAM обычно включают в себя либо внутреннюю батарею, либо внешний адаптер переменного/постоянного тока и резервные системы хранения для обеспечения сохранности данных, когда на диск не подается питание от внешних источников. В случае пропадания питания батарея обеспечивает питание, в то время как вся информация копируется из оперативной памяти (ОЗУ) в резервное хранилище. При восстановлении электропитания информация копируется обратно в оперативную память из резервного хранилища, и SSD возобновляет нормальную работу (аналогично функции гибернации , используемой в современных операционных системах). [100] [101]
Твердотельные накопители этого типа обычно оснащены модулями DRAM того же типа, которые используются в обычных ПК и серверах, которые можно заменять модулями большего размера. [102] Такие как i-RAM , HyperOs HyperDrive , DDRdrive X1 и т. д. Некоторые производители твердотельных накопителей DRAM припаивают чипы DRAM непосредственно к диску и не планируют заменять чипы, например ZeusRAM, Aeon Drive и т. д. [103 ]
Удаленный диск с непрямым доступом к памяти (RIndMA Disk) использует дополнительный компьютер с быстрым сетевым или (прямым) соединением Infiniband и действует как твердотельный накопитель на базе ОЗУ, но новые, более быстрые твердотельные накопители на основе флэш-памяти уже доступны в 2009 делают этот вариант не таким экономически эффективным. [104]
В то время как цена DRAM продолжает падать, цена флэш-памяти падает еще быстрее. Точка пересечения «Flash становится дешевле, чем DRAM» произошла примерно в 2004 году. [105] [106]
В 2015 году Intel и Micron анонсировали 3D XPoint как новую технологию энергонезависимой памяти . [107] Корпорация Intel выпустила первый накопитель на базе 3D XPoint (под торговой маркой Intel Optane SSD) в марте 2017 года, начиная с продукта для центров обработки данных Intel Optane SSD DC P4800X Series, а затем клиентской версии Intel Optane SSD 900P Series. Октябрь 2017 г. Оба продукта работают быстрее и долговечнее, чем твердотельные накопители на базе NAND, при этом плотность записи сопоставима и составляет 128 гигабит на кристалл. [108] [109] [110] [111] По цене за бит 3D XPoint дороже, чем NAND, но дешевле, чем DRAM. [112] [113]
Некоторые твердотельные накопители, называемые устройствами NVDIMM или Hyper DIMM , используют как DRAM, так и флэш-память. При отключении питания SSD копирует все данные из своей DRAM во флэш-память; когда питание возобновляется, SSD копирует все данные из флэш-памяти в DRAM. [114] Подобным образом некоторые твердотельные накопители используют форм-факторы и шины, фактически предназначенные для модулей DIMM, при этом используют только флэш-память и создают впечатление, будто это DRAM. Такие твердотельные накопители обычно называются устройствами ULLtraDIMM . [115]
Диски, известные как гибридные диски или твердотельные гибридные диски (SSHD), используют гибрид вращающихся дисков и флэш-памяти. [116] [117] Некоторые SSD используют магниторезистивную память с произвольным доступом (MRAM) для хранения данных. [118] [119]
SSD-накопитель на основе флэш-памяти обычно использует небольшой объем DRAM в качестве энергозависимого кэша, аналогично буферам на жестких дисках. Каталог размещения блоков и данных нивелировки износа также сохраняется в кэше во время работы накопителя. [84] Один из производителей SSD-контроллеров, SandForce , не использует в своих конструкциях внешний кэш DRAM, но при этом обеспечивает высокую производительность. Такое исключение внешней DRAM снижает энергопотребление и позволяет еще больше уменьшить размер твердотельных накопителей. [120] На твердотельных накопителях MLC может использоваться механизм кэширования SLC .
Еще одним компонентом высокопроизводительных твердотельных накопителей является конденсатор или какая-либо батарея, которые необходимы для поддержания целостности данных , чтобы данные в кэше могли быть сброшены на диск при отключении питания; некоторые могут даже удерживать питание достаточно долго, чтобы сохранять данные в кэше до возобновления подачи питания. [120] [121] В случае флэш-памяти MLC может возникнуть проблема, называемая повреждением нижней страницы, когда флэш-память MLC теряет питание во время программирования верхней страницы. В результате данные, записанные ранее и предположительно безопасные, могут быть повреждены, если память не поддерживается суперконденсатором в случае внезапного отключения питания. Эта проблема не существует с флэш-памятью SLC. [82]
Многие твердотельные накопители потребительского класса имеют встроенные конденсаторы, позволяющие сохранить хотя бы таблицу сопоставления FTL на случай неожиданной потери питания; [122] Среди примеров — серии Crucial M500 и MX100, [123] серия Intel 320, [124] и более дорогие серии Intel 710 и 730. [125] Твердотельные накопители корпоративного класса, такие как серия Intel DC S3700, [126] [127] обычно имеют встроенные батареи или суперконденсаторы.
Хост-интерфейс физически представляет собой разъем, сигнализация которого управляется контроллером SSD. Чаще всего это один из интерфейсов жестких дисков. Они включают:
Твердотельные накопители поддерживают различные интерфейсы логических устройств, такие как расширенный интерфейс хост-контроллера (AHCI) и NVMe. Интерфейсы логических устройств определяют наборы команд, используемые операционными системами для связи с твердотельными накопителями и адаптерами главной шины (HBA).
Размер и форма любого устройства во многом определяются размером и формой компонентов, из которых оно изготовлено. Традиционные жесткие диски и оптические приводы сконструированы вокруг вращающегося диска (дисков) или оптического диска вместе со шпиндельным двигателем внутри. Поскольку твердотельный накопитель состоит из различных взаимосвязанных интегральных схем (ИС) и интерфейсного разъема, его форма больше не ограничивается формой вращающихся носителей. Некоторые твердотельные решения для хранения данных имеют корпус большего размера, который может даже иметь форм-фактор для установки в стойку с множеством твердотельных накопителей внутри. Все они будут подключаться к общей шине внутри корпуса и подключаться снаружи коробки с помощью одного разъема. [6]
Для общего использования компьютеров наиболее популярен форм-фактор 2,5 дюйма (обычно встречающийся в ноутбуках). Для настольных компьютеров со слотами для 3,5-дюймовых жестких дисков можно использовать простую переходную пластину для установки такого диска. Другие типы форм-факторов более распространены в корпоративных приложениях. SSD также может быть полностью интегрирован в другую схему устройства, как в Apple MacBook Air (начиная с модели осени 2010 года). [136][обновлять] По состоянию на 2014 год форм-факторы mSATA и M.2 также приобрели популярность, в первую очередь в ноутбуках.
Преимущество использования текущего форм-фактора жестких дисков будет заключаться в использовании уже существующей обширной инфраструктуры для установки и подключения дисков к хост-системе. [6] [137] 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 привода.
Для приложений, где пространство ограничено, например, для ультрабуков или планшетных компьютеров , было стандартизировано несколько компактных форм-факторов для твердотельных накопителей на базе флэш-памяти.
Существует форм-фактор mSATA, в котором используется физическая компоновка карты PCI Express Mini Card . Он остается электрически совместимым со спецификацией интерфейса PCI Express Mini Card, но требует дополнительного подключения к хост-контроллеру SATA через тот же разъем.
Форм-фактор M.2 , ранее известный как форм-фактор следующего поколения (NGFF), представляет собой естественный переход от mSATA и используемой физической компоновки к более удобному и более совершенному форм-фактору. В то время как mSATA использовал преимущества существующего форм-фактора и разъема, M.2 был разработан для максимального использования пространства карты при минимальной занимаемой площади. Стандарт M.2 позволяет устанавливать твердотельные накопители SATA и PCI Express на модули M.2. [138]
Некоторые высокопроизводительные накопители большой емкости используют стандартный форм -фактор карты расширения PCI Express для размещения дополнительных микросхем памяти, допускают использование более высоких уровней мощности и позволяют использовать большой радиатор . Существуют также платы-адаптеры, которые преобразуют накопители других форм-факторов, особенно накопители M.2 с интерфейсом PCIe, в обычные карты расширения.
Диск -на-модуле ( DOM ) — это флэш-накопитель с 40/44-контактным интерфейсом Parallel ATA (PATA) или SATA , предназначенный для подключения непосредственно к материнской плате и использования в качестве жесткого диска компьютера (HDD). . Устройства DOM имитируют традиционный жесткий диск, поэтому нет необходимости в специальных драйверах или другой специальной поддержке операционной системы. DOM обычно используются во встроенных системах , которые часто развертываются в суровых условиях, где механические жесткие диски просто выходят из строя, или в тонких клиентах из-за небольшого размера, низкого энергопотребления и бесшумной работы.
По состоянию на 2016 год [обновлять]емкость хранилища варьируется от 4 МБ до 128 ГБ с различными вариантами физической компоновки, включая вертикальную или горизонтальную ориентацию. [ нужна цитата ]
Во многих решениях на основе DRAM используется корпус, который часто предназначен для установки в стойку. Количество компонентов DRAM , необходимое для получения достаточной емкости для хранения данных вместе с источниками резервного питания, требует большего пространства, чем традиционные форм-факторы жестких дисков. [139]
Форм-факторы, которые были более распространены для модулей памяти, теперь используются в твердотельных накопителях, чтобы воспользоваться их гибкостью при размещении компонентов. Некоторые из них включают PCIe , mini PCIe , mini-DIMM , MO-297 и многие другие. [140] Модуль SATADIMM от Viking Technology использует пустой слот DDR3 DIMM на материнской плате для подачи питания на твердотельный накопитель с помощью отдельного разъема SATA для обеспечения обратного подключения данных к компьютеру. В результате получается простой в установке твердотельный накопитель емкостью, равной накопителям, которые обычно занимают полный отсек для 2,5-дюймового диска . [141] По крайней мере, один производитель, Innodisk, выпустил диск, который подключается непосредственно к разъему SATA (SATADOM) на материнской плате без необходимости использования кабеля питания. [142] Некоторые твердотельные накопители имеют форм-фактор PCIe и подключают интерфейс данных и питание к хосту через разъем PCIe. Эти накопители могут использовать либо прямые флэш-контроллеры PCIe [143] , либо мостовое устройство PCIe-SATA, которое затем подключается к флэш-контроллерам SATA. [144]
Существуют также твердотельные накопители в виде карт PCIe, их иногда называют твердотельными накопителями HHHL (половинная высота и половина длины) или AIC (дополнительная карта). [145] [146] [147]
В начале 2000-х годов несколько компаний представили твердотельные накопители в форм-факторе Ball Grid Array (BGA), например DiskOnChip от M-Systems (ныне SanDisk ) [148] и NANDrive от Silicon Storage Technology [149] [150] (ныне выпускаемый от Greenliant Systems ) и M1000 от Memoright [151] для использования во встроенных системах. Основными преимуществами твердотельных накопителей BGA являются их низкое энергопотребление, небольшой размер корпуса микросхемы, позволяющий вписаться в компактные подсистемы, а также возможность пайки непосредственно на системную материнскую плату для снижения негативного воздействия вибрации и ударов. [152]
Такие встроенные накопители часто соответствуют стандартам eMMC и eUFS .
Сравнивать твердотельные накопители и обычные (вращающиеся) жесткие диски сложно. Традиционные тесты HDD, как правило, фокусируются на характеристиках производительности, которые у HDD плохие, таких как задержка вращения и время поиска . Поскольку твердотельным накопителям не нужно вращаться или искать данные, в таких тестах они могут значительно превосходить жесткие диски. Однако у твердотельных накопителей возникают проблемы со смешанным чтением и записью, и их производительность может со временем ухудшиться. Тестирование твердотельного накопителя необходимо начинать с (используемого) полного диска, поскольку новый и пустой (свежий, готовый к использованию) диск может иметь гораздо лучшую производительность записи, чем он будет показывать после нескольких недель использования. [153]
Большинство преимуществ твердотельных накопителей перед традиционными жесткими дисками обусловлены их способностью получать доступ к данным полностью электронным, а не электромеханическим способом, что приводит к превосходной скорости передачи и механической прочности. [154] С другой стороны, жесткие диски предлагают значительно большую емкость за свою цену. [5] [155]
Некоторые показатели отказов на местах указывают на то, что твердотельные накопители значительно более надежны, чем жесткие диски [156] [157] , но другие этого не делают. Однако твердотельные накопители исключительно чувствительны к внезапному отключению питания, что приводит к прерыванию записи или даже к полной потере диска. [158] Надежность как жестких дисков, так и твердотельных накопителей сильно различается в зависимости от модели. [159]
Как и в случае с жесткими дисками, существует компромисс между стоимостью и производительностью различных твердотельных накопителей. SSD-накопители с одноуровневыми ячейками (SLC), хотя и значительно дороже, чем твердотельные накопители с многоуровневыми ячейками (MLC), предлагают значительное преимущество в скорости. В то же время твердотельные накопители на базе DRAM в настоящее время считаются самыми быстрыми и дорогостоящими: среднее время отклика составляет 10 микросекунд вместо средних 100 микросекунд у других твердотельных накопителей. Корпоративные флэш-устройства (EFD) предназначены для удовлетворения требований приложений уровня 1, обеспечивая производительность и время отклика, аналогичные менее дорогим твердотельным накопителям. [160]
На традиционных жестких дисках перезаписанный файл обычно занимает то же место на поверхности диска, что и исходный файл, тогда как на твердотельных накопителях новая копия часто записывается в другие ячейки NAND с целью нивелировки износа . Алгоритмы выравнивания износа сложны, и их трудно полностью протестировать; в результате одной из основных причин потери данных на твердотельных накопителях являются ошибки прошивки. [161] [162]
В следующей таблице представлен подробный обзор преимуществ и недостатков обеих технологий. Сравнения отражают типичные характеристики и могут не соответствовать конкретному устройству.
Хотя и карты памяти , и большинство твердотельных накопителей используют флэш-память, они служат совершенно разным рынкам и целям. Каждый из них имеет ряд различных атрибутов, которые оптимизированы и настроены для наилучшего удовлетворения потребностей конкретных пользователей. Некоторые из этих характеристик включают энергопотребление, производительность, размер и надежность. [226]
SSD-накопители изначально были разработаны для использования в компьютерных системах. Первые устройства предназначались для замены или дополнения жестких дисков, поэтому операционная система распознавала их как жесткий диск. Первоначально твердотельные накопители даже имели форму и монтировались в компьютер как жесткие диски. Позже твердотельные накопители стали меньше и компактнее, в конечном итоге разработав свои собственные уникальные форм-факторы, такие как форм-фактор M.2 . SSD был разработан для постоянной установки внутри компьютера. [226]
Напротив, карты памяти (такие как Secure Digital (SD), CompactFlash (CF) и многие другие) изначально были разработаны для цифровых камер, а затем нашли свое применение в сотовых телефонах, игровых устройствах, устройствах GPS и т. д. Большинство карт памяти физически меньше, чем твердотельные накопители, и предназначен для многократной вставки и извлечения. [226]
Режимы отказа твердотельных накопителей сильно отличаются от традиционных магнитных жестких дисков. Поскольку твердотельные накопители не содержат движущихся частей, они, как правило, не подвержены механическим повреждениям. Вместо этого возможны другие виды сбоев (например, неполная или неудачная запись из-за внезапного сбоя питания может быть более серьезной проблемой, чем с жесткими дисками, а если чип выйдет из строя, все данные на нем будут потеряны, сценарий неприменим к магнитные приводы). Однако в целом исследования показали, что твердотельные накопители, как правило, очень надежны и часто продолжают работать намного дольше ожидаемого срока службы, заявленного их производителем. [227]
Срок службы твердотельного накопителя должен быть указан в его техническом паспорте в одной из двух форм:
Так, например, твердотельный накопитель Samsung 970 EVO NVMe M.2 (2018 г.) емкостью 1 ТБ имеет емкость 600 ТБВт. [229]
Раннее расследование Techreport.com , проводившееся с 2013 по 2015 год, включало в себя несколько твердотельных накопителей на базе флэш-памяти, которые были протестированы на уничтожение, чтобы определить, как и в какой момент они вышли из строя. Веб-сайт обнаружил, что все накопители «превзошли свои официальные характеристики долговечности, записав сотни терабайт без проблем» - объемы этого заказа превышают типичные потребительские потребности. [230] Первый SSD, вышедший из строя, был основан на TLC: диск смог записать более 800 ТБ. Три твердотельных накопителя, участвовавших в тесте, записали в три раза больше данных (почти 2,5 ПБ), прежде чем тоже вышли из строя. [230] Испытание продемонстрировало исключительную надежность даже твердотельных накопителей потребительского рынка.
Полевое исследование 2016 года, основанное на данных, собранных за шесть лет в центрах обработки данных Google и охватывающих «миллионы» дней эксплуатации, показало, что доля флэш-накопителей, требующих замены в первые четыре года использования, колеблется от 4% до 10%. в зависимости от модели. Авторы пришли к выводу, что твердотельные накопители выходят из строя значительно реже, чем жесткие диски. [ 227] (Напротив, оценка 71 940 жестких дисков, проведенная 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%). , что у твердотельных накопителей значительно выше уровень неисправимых ошибок (которые приводят к потере данных), чем у жестких дисков. Это также привело к некоторым неожиданным результатам и последствиям:
Твердотельные накопители поставили новые задачи перед компаниями по восстановлению данных , поскольку метод хранения данных нелинейный и гораздо более сложный, чем у жестких дисков. Стратегия внутренней работы накопителя может сильно различаться у разных производителей, а команда TRIM обнуляет весь диапазон удаленных файлов. Выравнивание износа также означает, что физический адрес данных и адрес, доступный операционной системе, различны.
Что касается безопасного удаления данных, можно использовать команду ATA Secure Erase. Для этой цели можно использовать такую программу, как hdparm .
Ассоциация твердотельных технологий JEDEC (JEDEC) опубликовала стандарты показателей надежности: [232]
Из-за их, как правило, 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 выше. 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 можно использовать в качестве строительного блока для уровня распределенного кэша , который временно поглощает большой объем пользовательских запросов к более медленной внутренней системе хранения данных на основе жестких дисков. Этот уровень обеспечивает гораздо более высокую пропускную способность и меньшую задержку, чем система хранения, и может управляться в нескольких формах, таких как распределенная база данных «ключ-значение» и распределенная файловая система . В суперкомпьютерах этот уровень обычно называют пакетным буфером . Благодаря этому быстрому уровню пользователи часто сокращают время отклика системы. К организациям, которые могут получить выгоду от более быстрого доступа к системным данным, относятся компании, торгующие акциями , телекоммуникационные корпорации, а также фирмы , занимающиеся потоковым мультимедиа и редактированием видео . Список приложений, которым может быть полезно более быстрое хранилище, огромен. [6]
Твердотельные накопители на основе флэш-памяти можно использовать для создания сетевых устройств из аппаратного обеспечения персонального компьютера общего назначения . Флэш -накопитель с защитой от записи , содержащий операционную систему и прикладное программное обеспечение, может заменить более крупные и менее надежные дисководы или компакт-диски. Устройства, построенные таким образом, могут стать недорогой альтернативой дорогостоящему оборудованию маршрутизаторов и межсетевых экранов. [ нужна цитата ]
SSD-накопители на базе SD-карты с операционной системой Live SD легко блокируются от записи . В сочетании со средой облачных вычислений или другим записываемым носителем для обеспечения устойчивости операционная система , загружаемая с SD-карты с блокировкой записи, становится надежной, защищенной, надежной и невосприимчивой к необратимому повреждению. Если работающая ОС ухудшается, простое выключение и последующее включение машины возвращает ее в исходное неповрежденное состояние и, таким образом, она становится особенно надежной. ОС, установленная на SD-карте, не требует удаления поврежденных компонентов, поскольку она заблокирована для записи, хотя любой записанный носитель может потребоваться восстановить.
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 (настраиваемого как со сквозной записью, так и с обратной записью ) для обычного магнитного жесткого диска. дисковод. [233] Аналогичная технология доступна на карте HighPoint RocketHybrid PCIe . [234]
Твердотельные гибридные накопители (SSHD) основаны на том же принципе, но интегрируют некоторый объем флэш-памяти на борту обычного накопителя вместо использования отдельного SSD. Доступ к флэш-слою этих накопителей может осуществляться хостом независимо от магнитного хранилища с помощью команд ATA-8, что позволяет операционной системе управлять им. Например, технология Microsoft ReadyDrive явно сохраняет части файла гибернации в кэше этих дисков, когда система переходит в спящий режим, что ускоряет последующее возобновление работы. [235]
Гибридные системы с двумя дисками сочетают 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 такого типа являются bcache и dm-cache в Linux , [236] и Apple Fusion Drive .
Обычно те же файловые системы , что и на жестких дисках, можно использовать и на твердотельных накопителях. Обычно ожидается, что файловая система будет поддерживать команду TRIM, которая помогает SSD перерабатывать отброшенные данные (поддержка TRIM появилась через несколько лет после самих SSD, но сейчас она почти универсальна). Это означает, что файловой системе не нужно управлять выравниванием износа или другими характеристиками флэш-памяти, поскольку они обрабатываются внутри SSD. Некоторые файловые системы с журнальной структурой (например, F2FS , JFFS2 ) помогают уменьшить усиление записи на твердотельных накопителях, особенно в ситуациях, когда изменяются только очень небольшие объемы данных, например, при обновлении метаданных файловой системы .
Хотя операционные системы не являются встроенной функцией файловых систем, они также должны стремиться к правильному выравниванию разделов , что позволяет избежать чрезмерных циклов чтения-изменения-записи . Типичная практика для персональных компьютеров — выравнивание каждого раздела так, чтобы он начинался с отметки 1 МБ (= 1 048 576 байт), что охватывает все распространенные сценарии размеров страниц и блоков SSD, поскольку он делится на все часто используемые размеры — 1 МБ, 512. КиБ, 128 КиБ, 4 КиБ и 512 Б. Современное программное обеспечение для установки операционной системы и дисковые инструменты обрабатывают это автоматически.
Первоначальная поддержка команды TRIM была добавлена в версию 2.6.28 основной ветки ядра Linux.
Файловые системы ext4 , Btrfs , XFS , JFS и F2FS включают поддержку функции удаления (TRIM или UNMAP).
Поддержка операции TRIM в ядре была представлена в версии 2.6.33 основной ветки ядра Linux, выпущенной 24 февраля 2010 года. [237] Чтобы использовать ее, необходимо смонтировать файловую систему с использованием этого discardпараметра. Разделы подкачки Linux по умолчанию выполняют операции удаления, если базовый диск поддерживает TRIM, с возможностью отключить их или выбрать между однократными или непрерывными операциями удаления. [238] [239] [240] Поддержка очереди TRIM, которая представляет собой функцию SATA 3.1 , благодаря которой команды TRIM не нарушают очередь команд, была введена в ядре Linux 3.12, выпущенном 2 ноября 2013 года. [241]
Альтернативой операции TRIM на уровне ядра является использование утилиты пользовательского пространства, называемойфстримкоторый проходит через все неиспользуемые блоки файловой системы и отправляет команды TRIM для этих областей.фстримУтилита обычно запускается cron как запланированное задание. По состоянию на ноябрь 2013 года [обновлять]он используется дистрибутивом Ubuntu Linux , в котором из соображений надежности он включен только для твердотельных накопителей Intel и Samsung; проверку поставщика можно отключить, отредактировав файл/etc/cron.weekly/fstrimиспользуя инструкции, содержащиеся в самом файле. [242]
С 2010 года стандартные утилиты дисков Linux по умолчанию заботятся о соответствующем выравнивании разделов. [243]
Во время установки дистрибутивы Linux обычно не настраивают установленную систему для использования TRIM, поэтому файл /etc/fstabтребует внесения изменений вручную. [244] Это связано с тем, что текущая реализация команды TRIM в Linux может быть неоптимальной. [245] Было доказано, что при определенных обстоятельствах это приводит к снижению производительности вместо увеличения производительности. [246] [247] 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. [248]
По соображениям производительности рекомендуется переключить планировщик ввода-вывода с CFQ по умолчанию (полностью справедливая организация очередей) на NOOP или Deadline . CFQ был разработан для традиционных магнитных носителей и требует оптимизации, поэтому многие усилия по планированию ввода-вывода напрасны при использовании с твердотельными накопителями. В рамках своей конструкции твердотельные накопители предлагают гораздо более высокий уровень параллелизма для операций ввода-вывода, поэтому предпочтительно оставить решения по планированию их внутренней логике — особенно для высокопроизводительных твердотельных накопителей. [249] [250]
Масштабируемый блочный уровень для высокопроизводительного SSD-накопителя, известный как blk-multiqueue или blk-mq и разработанный в основном инженерами Fusion-io , был объединен с основной веткой ядра Linux в версии ядра 3.13, выпущенной 19 января 2014 года. производительность, обеспечиваемая твердотельными накопителями и NVMe, за счет гораздо более высоких скоростей ввода-вывода. Благодаря новому дизайну блочного уровня ядра Linux внутренние очереди разделены на два уровня (очереди для каждого процессора и очереди аппаратной отправки), что устраняет узкие места и обеспечивает гораздо более высокие уровни распараллеливания ввода-вывода. Начиная с версии 4.0 ядра Linux, выпущенной 12 апреля 2015 года, блочный драйвер VirtIO , уровень SCSI (который используется драйверами Serial ATA), структура сопоставления устройств , драйвер циклического устройства , драйвер несортированных образов блоков (UBI) (который реализует уровень управления блоками стирания для устройств флэш-памяти) и драйвер RBD (который экспортирует объекты Ceph RADOS как блочные устройства) были модифицированы для фактического использования этого нового интерфейса; другие драйверы будут перенесены в следующих выпусках. [251] [252] [253] [254] [255]
Версии, начиная с Mac OS X 10.6.8 (Snow Leopard), поддерживают TRIM, но только при использовании с твердотельным накопителем, приобретенным Apple. [256] TRIM не включается автоматически для приводов сторонних производителей, хотя его можно включить с помощью сторонних утилит, таких как Trim Enabler . Статус TRIM можно проверить в приложении «Информация о системе» или в system_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. [257] Существует также метод включения TRIM в версиях, предшествующих Mac OS X 10.6.8, хотя остается неясным, действительно ли TRIM правильно используется в этих случаях. [258]
До версии 7 в Microsoft Windows не предпринималось каких-либо конкретных мер по поддержке твердотельных накопителей. Начиная с Windows 7, стандартная файловая система NTFS обеспечивает поддержку команды TRIM. (Другие файловые системы в Windows 7 не поддерживают TRIM.) [259]
По умолчанию Windows 7 и более поздние версии автоматически выполняют команды TRIM, если устройство определяется как твердотельный накопитель. Однако, поскольку TRIM необратимо сбрасывает все освобожденное пространство, может оказаться желательным отключить поддержку там, где включение восстановления данных предпочтительнее выравнивания износа. [260] Чтобы изменить поведение, в разделе реестраHKEY_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 по удалению файлов. Операция TRIM полностью интегрирована с командами уровня раздела и тома, такими как форматирование и удаление , с командами файловой системы, относящимися к усечению и сжатию, а также с функцией восстановления системы (также известной как снимок тома). [261]
Windows Vista обычно предполагает использование жестких дисков, а не твердотельных накопителей. [262] [263] Windows Vista включает ReadyBoost для использования характеристик флэш-устройств, подключенных через USB, но для твердотельных накопителей он только улучшает выравнивание разделов по умолчанию, чтобы предотвратить операции чтения-изменения-записи, которые снижают скорость твердотельных накопителей. Большинство твердотельных накопителей обычно разделены на сектора по 4 КиБ, в то время как более ранние системы могут основываться на секторах по 512 байт с настройками разделов по умолчанию, не согласованными с границами 4 КиБ. [264]
Дефрагментацию следует отключить на твердотельных накопителях, поскольку расположение файловых компонентов на SSD не оказывает существенного влияния на его производительность, но перемещение файлов для обеспечения их непрерывности с помощью процедуры Windows Defrag приведет к ненужному износу записи на ограниченном количестве P. /E циклы на SSD. Функция Superfetch существенно не улучшит производительность и приведет к дополнительным нагрузкам в системе и SSD. [265] Windows Vista не отправляет команду TRIM на твердотельные накопители, но некоторые сторонние утилиты, такие как SSD Doctor, периодически сканируют диск и TRIM соответствующие записи. [266]
Windows 7 и более поздние версии имеют встроенную поддержку твердотельных накопителей. [261] [267] Операционная система обнаруживает наличие SSD и соответствующим образом оптимизирует работу. Для устройств SSD Windows 7 отключает ReadyBoost и автоматическую дефрагментацию. [268] Несмотря на первоначальное заявление Стивена Синофски перед выпуском Windows 7, [261] однако, дефрагментация не отключена, хотя ее поведение на твердотельных накопителях отличается. [196] Одной из причин является низкая производительность службы теневого копирования томов на фрагментированных твердотельных накопителях. [196] Вторая причина заключается в том, чтобы избежать достижения практического максимального количества фрагментов файлов, которые может обрабатывать том. Если этот максимум достигнут, последующие попытки записи на диск завершится неудачей с сообщением об ошибке. [196]
Windows 7 также включает поддержку команды TRIM для сокращения сбора мусора для данных, которые операционная система уже определила как недействительные. Без поддержки TRIM SSD не будет знать, что эти данные недействительны, и будет без необходимости продолжать перезаписывать их во время сборки мусора, что приведет к дальнейшему износу SSD. Полезно внести некоторые изменения, которые предотвратят обращение с твердотельными накопителями больше как с жесткими дисками, например, отменить дефрагментацию, не заполнять их более чем на 75% емкости, не хранить на них часто записываемые файлы, такие как журналы и временные файлы, если доступен жесткий диск и включен процесс TRIM. [269] [270]
Windows 8.1 и более поздние версии систем Windows также поддерживают автоматический TRIM для твердотельных накопителей PCI Express на базе NVMe. Для Windows 7 для этой функции требуется обновление KB2990941, которое необходимо интегрировать в программу установки Windows с помощью DISM, если Windows 7 необходимо установить на твердотельный накопитель NVMe. Windows 8/8.1 также поддерживает команду SCSI unmap для твердотельных накопителей, подключаемых через USB, или корпусов с интерфейсом SATA-USB. SCSI Unmap — полный аналог команды SATA TRIM. Он также поддерживается по протоколу USB Attached SCSI (UASP).
Графическая программа дефрагментации диска Windows в Windows 8.1 также распознает твердотельные накопители отдельно от жестких дисков в отдельном столбце «Тип носителя» . В то время как Windows 7 поддерживала автоматическую TRIM для внутренних твердотельных накопителей SATA, Windows 8.1 и Windows 10 поддерживают ручную TRIM (с помощью функции «Оптимизация» в дефрагментации диска), а также автоматическую TRIM для твердотельных накопителей SATA, NVMe и USB. Дефрагментация диска в Windows 10 и 11 может выполнять TRIM для оптимизации SSD. [271]
Solaris начиная с версии 10, обновления 6 (выпущенной в октябре 2008 г.) и недавнего [ когда? ] версии OpenSolaris , Solaris Express Community Edition , Illumos , Linux с ZFS в Linux и FreeBSD — все они могут использовать твердотельные накопители в качестве повышения производительности ZFS . SSD с низкой задержкой можно использовать для журнала намерений ZFS (ZIL), где он называется SLOG. Это используется каждый раз, когда происходит синхронная запись на диск. SSD (не обязательно с низкой задержкой) также может использоваться для адаптивного замещающего кэша уровня 2 (L2ARC), который используется для кэширования данных для чтения. При использовании отдельно или в комбинации обычно наблюдается значительное увеличение производительности. [272]
В ZFS для FreeBSD поддержка TRIM появилась 23 сентября 2012 года. [273] Код строит карту областей освобожденных данных; при каждой записи код обращается к карте и в конечном итоге удаляет диапазоны, которые были освобождены раньше, но теперь перезаписаны. Существует поток с низким приоритетом, который TRIMs меняет, когда придет время.
Также файловая система Unix (UFS) поддерживает команду TRIM. [274]
Ниже перечислены известные организации и органы по стандартизации, которые работают над созданием стандартов для твердотельных накопителей (и других компьютерных устройств хранения данных). В таблице ниже также указаны организации, пропагандирующие использование твердотельных накопителей. Это не обязательно исчерпывающий список.
Технология твердотельных приводов продается на военных и нишевых промышленных рынках с середины 1990-х годов. [278]
Наряду с развивающимся корпоративным рынком твердотельные накопители стали появляться в ультрамобильных ПК и некоторых легких ноутбуках, что значительно увеличило цену ноутбука в зависимости от емкости, форм-фактора и скорости передачи данных. Для недорогих приложений USB-накопитель можно приобрести примерно за 10–100 долларов США, в зависимости от емкости и скорости; в качестве альтернативы карта CompactFlash может быть соединена с преобразователем CF-IDE или CF-SATA по аналогичной цене. В любом из этих случаев необходимо решать проблемы с выносливостью цикла записи, либо воздерживаясь от хранения часто записываемых файлов на диске, либо используя флэш-файловую систему . Стандартные карты CompactFlash обычно имеют скорость записи от 7 до 15 МБ/с, в то время как более дорогие карты высокого класса требуют скорости до 60 МБ/с.
Первым доступным ПК на базе твердотельного накопителя с флэш-памятью стал Sony Vaio UX90, предварительный заказ которого был объявлен 27 июня 2006 года, а поставки в Японию начались 3 июля 2006 года с жестким диском с флэш-памятью емкостью 16 ГБ. [279] В конце сентября 2006 года Sony обновила SSD в Vaio UX90 до 32 ГБ. [280]
Одним из первых массовых выпусков SSD стал ноутбук XO , созданный в рамках проекта One Laptop Per Child . Массовое производство этих компьютеров, созданных для детей в развивающихся странах, началось в декабре 2007 года. В этих машинах используется флэш-память SLC NAND емкостью 1024 МБ в качестве основного хранилища, которое считается более подходящим для более суровых, чем обычные, условий, в которых они будут использоваться. Dell начала поставки ультрапортативных ноутбуков с твердотельными накопителями SanDisk 26 апреля 2007 года. [281] 16 октября 2007 года компания Asus выпустила нетбук Eee PC с 2, 4 или 8 гигабайтами флэш-памяти. [282] В 2008 году два производителя выпустили ультратонкие ноутбуки с вариантами твердотельных накопителей вместо необычных 1,8-дюймовых жестких дисков : это был MacBook Air , выпущенный Apple 31 января, с дополнительным твердотельным накопителем емкостью 64 ГБ (стоимость в Apple Store была на 999 долларов дороже). для этого варианта по сравнению с жестким диском емкостью 80 ГБ со скоростью вращения 4200 об/мин ), [283] И Lenovo ThinkPad X300 с аналогичным твердотельным накопителем емкостью 64 ГБ, анонсированным в феврале 2008 г. [284] и обновленным до варианта твердотельного накопителя емкостью 128 ГБ 26 августа, 2008 г., с выпуском модели ThinkPad X301 (обновление, которое прибавило примерно 200 долларов США). [285]
В 2008 году появились нетбуки бюджетного класса с твердотельными накопителями. В 2009 году SSD-накопители начали появляться в ноутбуках. [281] [283]
14 января 2008 года корпорация EMC (EMC) стала первым поставщиком корпоративных систем хранения данных, включившим твердотельные накопители на базе флэш-памяти в свой портфель продуктов, когда объявила, что выбрала твердотельные накопители Zeus-IOPS компании STEC, Inc. для своих систем Symmetrix DMX. [286] В 2008 году компания Sun выпустила унифицированные системы хранения данных Sun Storage 7000 (под кодовым названием Amber Road), в которых используются как твердотельные накопители, так и обычные жесткие диски, чтобы воспользоваться преимуществами скорости, предлагаемой твердотельными накопителями, а также экономичностью и емкостью, обеспечиваемыми обычными жесткими дисками. [287]
В январе 2009 года Dell начала предлагать дополнительные твердотельные накопители емкостью 256 ГБ для некоторых моделей ноутбуков. [288] [289] В мае 2009 года Toshiba выпустила ноутбук с твердотельным накопителем емкостью 512 ГБ. [290] [291]
С октября 2010 года в линейке Apple MacBook Air в стандартной комплектации используется твердотельный накопитель. [292] В декабре 2010 года SSD-накопитель OCZ RevoDrive X2 PCIe был доступен емкостью от 100 до 960 ГБ, обеспечивая скорость последовательной передачи более 740 МБ/с и скорость случайной записи небольших файлов до 120 000 операций ввода-вывода в секунду. [293] В ноябре 2010 года компания Fusion-io выпустила свой самый производительный SSD-накопитель под названием ioDrive Octal, использующий интерфейс PCI-Express x16 Gen 2.0, объем памяти 5,12 ТБ, скорость чтения 6,0 ГБ/с, скорость записи 4,4 ГБ/с и скорость записи 4,4 ГБ/с. 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. [294]
В 2011 году стали доступны компьютеры на базе спецификаций Intel Ultrabook . Эти спецификации диктуют, что в ультрабуках используется SSD. Это устройства потребительского уровня (в отличие от многих предыдущих предложений флэш-накопителей, предназначенных для корпоративных пользователей) и представляют собой первые широко доступные потребительские компьютеры, использующие твердотельные накопители, помимо MacBook Air. [295] На выставке CES 2012 компания OCZ Technology продемонстрировала твердотельные накопители R4 CloudServ PCIe, способные достигать скорости передачи данных 6,5 ГБ/с и 1,4 миллиона операций ввода-вывода в секунду. [296] Также был анонсирован Z-Drive R5, доступный емкостью до 12 ТБ, способный достигать скорости передачи данных 7,2 ГБ/с и 2,52 миллиона операций ввода-вывода в секунду с использованием PCI Express x16 Gen 3.0. [297]
В декабре 2013 года компания Samsung представила и выпустила первый в отрасли твердотельный накопитель mSATA емкостью 1 ТБ . [298] В августе 2015 года компания Samsung анонсировала твердотельный накопитель емкостью 16 ТБ, который на тот момент был самым емким запоминающим устройством любого типа в мире. [299]
Хотя ряд компаний предлагают SSD-устройства, по состоянию на 2018 год [обновлять]только пять компаний, предлагающих их, фактически производят флэш-устройства NAND [300] , которые являются элементом хранения данных в твердотельных накопителях.
В общем, производительность любого конкретного устройства может существенно различаться в разных условиях эксплуатации. Например, количество параллельных потоков, обращающихся к устройству хранения, размер блока ввода-вывода и количество оставшегося свободного пространства — все это может существенно изменить производительность (т. е. скорость передачи данных) устройства. [301]
Технология SSD быстро развивается. Большинство измерений производительности, используемых на дисках с вращающимися носителями, также используются и на твердотельных накопителях. Производительность твердотельных накопителей на базе флэш-памяти сложно оценить из-за широкого диапазона возможных условий. В тесте, проведенном в 2010 году компанией Xssist с использованием IOmeter , 4 КБ случайным образом, 70% чтения/30% записи, глубина очереди 4, количество операций ввода-вывода в секунду, обеспечиваемое процессором Intel X25-E 64 ГБ G1, начиналось с 10 000 операций ввода-вывода в секунду и резко снижалось через 8 минут. до 4000 IOPS и продолжал постепенно снижаться в течение следующих 42 минут. Число операций ввода-вывода в секунду варьируется от 3000 до 4000 примерно в течение 50 минут и до конца 8-часового тестового запуска. [302]
Разработчики флэш-накопителей корпоративного уровня пытаются продлить срок службы за счет увеличения избыточного выделения ресурсов и использования выравнивания износа . [303]
Поставки твердотельных накопителей составили 11 миллионов единиц в 2009 году, [304] 17,3 миллиона единиц в 2011 году [305] на общую сумму 5 миллиардов долларов США, [306] 39 миллионов единиц в 2012 году и, как ожидается, вырастут до 83 миллионов единиц в 2013 году [307 ] до 201,4 млн единиц в 2016 году [305] и до 227 млн единиц в 2017 году. [308]
Доходы рынка твердотельных накопителей (включая недорогие решения для ПК) во всем мире составили 585 миллионов долларов США в 2008 году, увеличившись более чем на 100% с 259 миллионов долларов США в 2007 году. [309]
Продукты будут доступны в 2016 г. как в стандартном форм-факторе SSD (PCIe) для любых устройств — от ультрабуков до серверов, так и в форм-факторе DIMM для систем Xeon, обеспечивающем еще большую пропускную способность и меньшие задержки.
Как и ожидалось, Intel будет предоставлять контроллеры хранения данных, оптимизированные для памяти 3D XPoint.
Роб Крук из Intel объяснил: «Вы можете расположить стоимость где-то между NAND и DRAM».
Цены на флэш-память продолжат снижаться, начиная с 2018 года, но жесткие диски смогут продолжать поддерживать примерно 10-кратную разницу в ценах на необработанную емкость в течение следующего десятилетия...
Сюрприз!
SSD-накопители выходят из строя иначе, чем диски – и опасным образом.
Твердотельные накопители корпоративного уровня используют одноуровневую память NAND (SLC) и несколько каналов для увеличения пропускной способности данных, а программное обеспечение для выравнивания износа обеспечивает равномерное распределение данных на диске, а не изнашивание одной группы ячеек поверх другой.
И хотя некоторые твердотельные накопители потребительского уровня только сейчас начинают включать в себя последние функции (стр. 1).
Имеет значение, использует ли SSD-накопитель память SLC или MLC.
SLC обычно выдерживает до 100 000 циклов записи или операций записи на ячейку, в то время как MLC может выдержать от 1 000 до 10 000 операций записи, прежде чем начнет выходить из строя [по словам вице-президента Fujitsu по развитию бизнеса Джоэла Хагберга] (стр. 4).
Используя стандартную утилиту измерения производительности Macintosh под названием Xbench, твердотельный накопитель Intel увеличил общую производительность компьютера почти вдвое.
Производительность привода увеличилась в пять раз.
Привод Hitachi Deskstar можно установить любой стороной или концом вертикально или горизонтально.
Не устанавливайте привод в наклоненном положении.
