Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
Твердотельный накопитель
Материал из https://ru.wikipedia.org

Твердотельный накопитель (англ. Solid-State Drive, SSD) — компьютерное энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти, альтернатива жёстким дискам (HDD). Наиболее распространённый вид твердотельных накопителей использует для хранения данных флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создаётся на базе DRAM-памяти, снабжённой дополнительным источником питания — аккумулятором[1]. Помимо собственно микросхем памяти, подобный накопитель содержит управляющую микросхему — контроллер.

В настоящее время твердотельные накопители используются как в носимых (ноутбуках, нетбуках, планшетах), так и в стационарных компьютерах для повышения производительности. На 2016 год наиболее производительными выступали SSD формата M.2 с интерфейсом NVMe[2], а к 2025 году их скорость достигла 14900 Мбайт/с[3][4].

По сравнению с традиционными жёсткими дисками твердотельные накопители имеют меньший размер и вес, являются бесшумными, а также многократно более устойчивы к механическим повреждениям (например, при падении) и имеют гораздо большую скорость производимых операций. В то же время, они имеют в несколько раз большую стоимость в пересчёте на гигабайт и меньшую износостойкость (ресурс записи).

Содержание

Описание

SSD представляют собой устройства, хранящие данные в микросхемах вместо вращающихся металлических дисков или магнитных лент. Причина их появления отражает тот факт, что скорость обработки данных в процессоре намного превышает скорость записи данных в HDD. Магнитные диски на протяжении десятилетий доминировали в корпоративном сегменте хранения данных, за это время (с 1950-х) ёмкость носителей выросла в двести тысяч раз, скорость работы процессоров тоже сильно возросла, но скорость доступа к данным изменилась значительно меньше и диски стали «узким местом». Проблему решают твердотельные накопители — они обеспечивают намного большие скорости работы с данными по сравнению с жёсткими дисками[5]. SSD за счёт использования микросхем флеш-памяти по своим характеристикам существенно отличаются от жёстких дисков с магнитными пластинами.

С целью оптимизации использования SSD в 2011 году был разработан интерфейс NVMe — англ. Non-Volatile Memory Express, поддержка которого была добавлена в Windows, начиная только с версии 8.1. В Windows 7 поддержку протокола обеспечивает исправление (hotfix) KB2990941. Не все материнские платы поддерживают интерфейс NVMe, поэтому всё ещё сохраняет популярность старый интерфейс SATA[6].

Основные характеристики твердотельных накопителей[7]:
  • наименьшее время доступа к данным: от ста до тысячи раз быстрее, чем у механических дисков;
  • высокая скорость, вплоть до нескольких гигабайт в секунду для произвольно расположенных данных;
  • высокие значения IOPS благодаря высокой скорости и низкому времени доступа;
  • низкая цена производительности, лучшее соотношение цены к производительности среди всех устройств хранения;
  • высокая надёжность; SSD дают уровень сохранности данных такой же, как другие полупроводниковые устройства.


В отличие от жёстких дисков, цена SSD очень сильно зависит от доступной ёмкости, что связано с ограниченной плотностью размещения ячеек памяти и ограничением размера кристалла в микросхеме[8].

Гибридные накопители

Существуют также гибридные жёсткие диски (англ. SSHD, solid-state hybrid drive), в которых совмещена твердотельная память и механический жёсткий диск[9][10]. Подобное объединение позволяет воспользоваться частью преимуществ флеш-памяти (быстрый произвольный доступ) при сохранении небольшой стоимости хранения больших объёмов данных. Флеш-память в них используется в качестве буфера (кэша) небольшого объёма (к примеру, в Seagate Momentus XT от 4 до 8 Гбайт)[11], либо (реже) может быть доступной как отдельный накопитель (англ. dual-drive hybrid systems)[источник не указан 2334 дня].

Технология Intel Smart Response позволяет совместно использовать SSD и HDD с целью кеширования часто используемых данных (файлов) на SSD, плюс к тому более эффективно использует SSHD[12][13].

У других производителей также есть свои технологии для использования SSD для кеширования данных, хранящихся в HDD: Marvell HyperDuo (в контроллере Marvell 88SE9130), Adaptec MaxIQ (MaxCache), LSI CacheCade. Из них только HyperDuo предназначена для домашнего использования[14][15][16][17].

Название

К твердотельным накопителям относятся только накопители на полупроводниках. Жёсткие и оптические диски к ним не относятся, хотя они, строго говоря, являются твёрдыми телами. Эта терминология противоположна используемой в лазерах — твердотельными лазерами называют лазеры на основе любых твёрдых тел, за исключением полупроводников.

Первоначально твердотельные накопители называли «твердотельными дисками» (англ. Solid-State Disk), хотя ни один из твердотельных накопителей не является диском. Сейчас это название становится малоупотребительным.

История развития
  • 1978 год — американская компания StorageTek разработала первый полупроводниковый накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти).
  • 1982 год — американская компания Cray представила полупроводниковый накопитель на RAM-памяти для своих суперкомпьютеров Cray-1 со скоростью 100 Мбит/с и Cray X-MP со скоростью 320 Мбит/с, объёмом 8, 16 или 32 миллиона 64-разрядных слов[18].
  • 1995 год — израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти.
  • 2008 год — южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD-накопитель объёмом 128 ГБ со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с.
  • 2025 год — Sandisk представила потребительский накопитель WD Black SN8100 стандарта PCIe 5.0 со скоростью чтения и записи 14 900 Мбайт/с и 14 000 Мбайт/с соответственно[20][21][3][4].


Производители и рынок

Флеш-память NAND для SSD выпускалась

В 2013 году крупнейшими производителями микросхем NAND были Samsung, Toshiba, Micron и SK-Hynix[24], микросхем контроллеров для SSD — LSI-SandForce[англ.], Marvell, Silicon Motion[англ.], Phison и JMicron[25]. В том же году Samsung, Toshiba и Micron начали выпускать накопители с микросхемами 3D NAND[англ.], которая позволила снизить стоимость устройств, особенно высокой ёмкости[26].

В I квартале 2016 года крупнейшими производителями SSD были компании Samsung Electronics (первое место, около 40 % рынка), SanDisk (12 %), Lite-On (Plextor[англ.][27], Lite-On), Kingston, Intel, Micron, OCZ, HGST[англ.]

Дефицит микросхем 2021 года привёл к «качелям цен» на SSD из-за их перепроизводства, а затем, на фоне резкого падения продаж SSD, к обвалу цен в конце 2022 года[28][29]. В 2023 году средняя цена на чипы TLC росла[30]; аналитики предсказывают подорожание твердотельных накопителей на рынке и в 2024 году[31].

В 2024 году в Китае был разработан новый контроллер SSD, поддерживающий все актуальные интерфейсы, включая PCIe 5.0. Он построен на открытой архитектуре RISC-V и почти не греется во время работы[32]

Форм-факторы и интерфейсы
  • 2,5-дюймовые накопители SATA и mSATA
  • Накопители mSATA и M.2 SATA
  • Накопители mSATA и M.2 NVMe
  • M.2 SATA слева, M.2 NVMe справа
  • Разъём и крепёж накопителя M.2 NVMe на материнской плате компьютера
  • Накопитель M.2 NVMe на материнской плате компьютера


Архитектура и функционирование

NAND SSD

Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились во второй половине 90-х годов прошлого века, но начали уверенное завоевание рынка в связи с прогрессом в микроэлектронике и улучшением основных характеристик, в том числе стоимости за гигабайт. До середины 2000-х годов уступали традиционным накопителям — жёстким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью доступа к произвольным блокам информации (скорость поиска, скорость начального позиционирования). С 2012 года уже выпускаются твердотельные накопители со скоростями чтения и записи, во много раз превосходящими возможности жёстких дисков[33].

К 2016 году были созданы микросхемы NAND с тремя различными по плотности хранения данных технологиями[8]:
  • SLC (Single Level Cell), один бит на ячейку;
  • MLC (Multi Level Cell) — два бита;
  • TLC (Triple Level Cell) — три бита.


TLC обеспечивает наибольшую плотность хранения данных (втрое выше, чем планарная SLC), но имеет наименьший срок службы и меньшую надёжность, которые компенсируются производителями за счёт усложнения обработки данных[8].

Дальнейшее развитие технологии NAND — 3D TLC, в которой ячейки TLC размещены на кристалле в несколько слоёв. Например, Samsung SSD 850 EVO использует 3D-память с 32 слоями 3-битных ячеек TLC; производитель обещает для них надёжность на уровне устройств с планарными двухбитовыми MLC[8].

С 2017 года начали распространяться NAND QLC (Quad Level Cell — четыре бита)[34]. На начало 2022 года рекордной являлась выпущенная компанией Micron в 2021 году микросхема 3D NAND 7-го поколения с 176 слоями и частотой интерфейса 1,6 ГГц; при этом потребительским стандартом являются 96—144-слойные микросхемы[35].

RAM SSD
Downgrade Counter