Каждый из вас когда-то сталкивался с выбором нового SSD-накопителя и, глядя на отдельные емкости, задавался вопросом, почему производительность увеличивается с увеличением доступного пространства. Может быть, это зловещий план производителя по увеличению прибыли, заставляющий нас выбирать более емкую версию хранилища?
Чтобы понять генезис этого явления, нам нужно углубиться в саму структуру твердотельного накопителя (SSD). Под его корпусом, среди прочего, ячейки памяти и контроллер, который ими управляет и отвечает за механизм записи и чтения данных. В большинстве случаев эти два элемента определяют емкость и скорость всех твердотельных накопителей. Однако, нельзя забывать и о других компонентах, например о кеш-памяти, которая работает напрямую с контроллером.
В обычных магнитных жестких дисках или HDD, которые были впервые разработаны IBM в 1956 году, данные сохраняются на вращающихся магнитных дисках (пластинах) с помощью головок чтения и записи на механической руке. Пластины вращаются со скоростью 5400 или 7200 оборотов в минуту. Во избежание износа рычаг парит на расстоянии нескольких микрометров над пластинами во время работы и он позиционируется приводным механизмом туда, где данные должны быть прочитаны или записаны.
Самый быстрый способ сделать это – когда данные могут быть записаны или прочитаны последовательно, без необходимости совершать какие-либо серьёзные движения механической руки. Благодаря таким последовательным процессам записи или чтения жесткие диски достигают максимальной скорости. Вы можете представить себе этот процесс, как если бы вы проигрывали пластинку.
Если вы скопируете большой файл, такой как ISO-образ, на только что отформатированный жесткий диск, вы достигнете максимальной скорости записи, которую может показать диск. Совершенно иная ситуация возникает, когда необходимо прочитать большое количество небольших файлов, физически разбросанных на жестком диске, что типично для программ и операционной системы. Это заставляет руку постоянно перемещаться по поверхности диска, чтобы считывать даже самые маленькие объёмы данных, что требует времени.
Удаление некоторых файлов с жесткого диска создаёт физические пробелы в пространстве. Если добавляются новые данные, сначала перезаписываются промежутки, что, в конечном итоге, может означать, что, например, новая папка изображений распределяется по всей поверхности магнитной пластины.
Этот разброс связанных данных известен как фрагментация. Чем более фрагментирован диск, тем медленнее он становится, потому что для чтения или записи определенного количества данных требуется всё больше и больше движений головки. Во время дефрагментации логически связанные данные снова упорядочиваются, в результате чего компьютер снова становится быстрее.
Сегодня дефрагментация больше не играет такой важной роли, потому что такие технологии, как Native Command Queuing (NCQ), позволяют накопителю внутренне изменять порядок процессов чтения и записи, так что требуется как можно меньше движений головки. Для этой цели на печатной плате жесткого диска используется быстрый буфер данных DRAM, который временно хранит входящие данные, чтобы дать приводу время для максимально эффективного сохранения их на дисках.
Пришло время поговорить о гибридных HDD или SSHD.
Гибридные жесткие диски
Гибридные жесткие диски (SSHD) представляют собой гибрид классического магнитного диска и твердотельного накопителя, но их время уже позади из-за значительного падения цен на твердотельные накопители.
Гибридные диски состоят из большого жесткого диска и небольшого твердотельного накопителя с типичным размером флэш-памяти в восемь гигабайт. Новые данные сначала попадают на основной диск. Со временем контроллер накопителя запоминает, какие файлы загружаются часто, и копирует их на твердотельный накопитель, откуда они могут быть прочитаны значительно быстрее.
Запуск системы и программ можно заметно ускорить с помощью SSHD. Однако, ограничивающим фактором является размер кеш-памяти SSD. Гибридные диски далеко не так быстры, как чистые SSD. Поэтому мы всегда рекомендуем комбинацию SSD для операционной системы и часто используемых программ и обычного жесткого диска для мультимедийных данных, таких как фотографии и фильмы, которые не так сильно зависят от того, насколько быстро они могут быть загружены.
Дизайн, форм-фактор и интерфейс дисков
Твердотельные накопители, в основном, предлагаются в двух вариантах исполнения: в 2,5-дюймовом корпусе и в форме M.2.
Твердотельные накопители в 2,5-дюймовом корпусе присутствуют на рынке значительно дольше и поэтому получили большее распространение. Как правило, они полагаются на устаревший интерфейс SATA 3, который увидел свет больше десяти лет назад и теоретически может передавать данные со скоростью не более шести гигабит в секунду. На практике скорость последовательной передачи достигает 550 мегабайт в секунду, но типичные значения для чтения небольших распределенных блоков данных составляют всего от 20 до 45 мегабайт в секунду.
Твердотельные накопители в форм-факторе M.2, подключаемые по протоколу «NVM Express« (NVMe) и PCIe, которые представляют собой сменные карты без корпуса, пока не так широко распространены, но их количество растет. Они помещаются в соответствующие слоты M.2 на современных материнских платах и, благодаря своему компактному дизайну, идеально подходят для компактных ноутбуков.
Помимо меньших размеров, твердотельные накопители имеют и другие преимущества перед обычными жесткими дисками: значительно меньший вес, значительно меньшее энергопотребление и более высокая ударопрочность.
Твердотельные накопители SATA 3 работают с протоколом IDE (устаревшие, без NCQ) и AHCI (Advanced Host Controller Interface, NCQ), в которых центральный процессор взаимодействует с хост-контроллером ПК, а затем обращается к SSD.
В 2011 году на рынок вышел протокол NVMe, который обеспечивает прямую связь между процессором и SSD. Помимо действительно значительного увеличения скорости передачи, появились совершенно новые возможности для параллельной обработки команд записи и чтения. В то время как AHCI допускает только одну очередь с 32 инструкциями, NVMe имеет 65536 очередей по 65536 инструкций в каждой.
Аналогия: группа людей одновременно запрашивает информацию. У каждого человека есть список запросов. Количество людей определяет количество потоков. Количество запросов в каждом списке соответствует глубине соответствующей очереди. В типичных сценариях приложений обычного пользователя параллельные запросы возникают редко, поэтому обычно остаётся один поток и глубина очереди от одной до четырех. Совершенно иначе обстоит дело с серверными системами.
Флэш-память, кэш SLC и выравнивание износа
Грубо говоря, текущую флеш-память NAND можно разделить на четыре категории: SLC, TLC, MLC и QLC.
- SLC (одноуровневая ячейка) может хранить один бит в ячейке. SLC является одним из самых старых, имеет самую высокую скорость и срок службы, а также является самым дорогим. Плотность хранения здесь невысока.
- TLC (трехуровневая ячейка) может хранить три бита на ячейку, но значительно медленнее, и ячейки достигают лишь части срока службы ячейки SLC. Из плюсов – значительно меньшая цена и высокая плотность хранения. TLC в настоящее время установлен в большинстве SSD.
- MLC (многоуровневая ячейка) с двумя битами на ячейку был разработан после SLC и до TLC и QLC, что объясняет название. Что касается свойств и стоимости, MLC находится между SLC и TLC.
- QLC (Qadruple Level Cell) не так давно присутствует на рынке и хранит четыре бита на ячейку. Он медленнее, чем TCL, и менее долговечен, что в настоящее время отражается, например, в том факте, что твердотельные накопители QLC получают только трехлетнюю гарантию производителя, в то время как твердотельные накопители TLC от той же компании предлагаются с пятилетней гарантией. Поскольку более крупные твердотельные накопители потенциально имеют больше микросхем, к которым контроллер может параллельно обращаться, производительность зависит от емкости.
Чтобы обеспечить высокую скорость передачи данных, несмотря на использование MLC или TLC, почти все доступные твердотельные накопители теперь используют кэш SLC. Для этого в определенную область TLC-Flash, размер которой варьируется от модели к модели, записывается только один бит на ячейку, что увеличивает производительность чтения и записи. Область может быть определена динамически или постоянно, в последнем случае полезная емкость SSD уменьшается по сравнению с его фактической емкостью.
Если вы записываете данные на SSD, они сначала попадают в быстрый кеш SLC, пока его емкость не будет исчерпана, что обычно приводит к значительному снижению скорости передачи. Если игнорировать специальные сценарии приложений, такие как редактирование видео или видеонаблюдение в высоких разрешениях, это вряд ли играет роль в повседневной практике, поскольку емкость кэша SLC обычно не исчерпывается более редкими процессами записи.
Когда процесс записи в кэш SLC завершается, данные перемещаются в фактическую область TLC, и кэш SLC снова очищается.
В отличие от обычных жестких дисков, флеш-ячейки SSD нельзя просто перезаписать; в каждом случае должен выполняться отдельный процесс удаления. В идеале, это нужно делать с помощью, так называемой, команды TRIM в фоновом режиме, когда SSD больше ничего не делает.
Процессы стирания и записи со временем изнашивают флеш-ячейки. Поскольку несколько битов хранятся в одной ячейке в MLC, TLC и QLC flash, нагрузка на ячейку увеличивается, что может привести к сокращению срока службы. Для ячеек SLC указано 100000 делеций, MLC – 10000, TLC – 3000, а QLC – только 1000.
Задача, так называемого, выравнивания износа («компенсация износа») состоит в том, чтобы как можно более равномерно распределить процессы стирания и записи по доступным ячейкам флэш-памяти, чтобы все ячейки памяти записывались одинаково часто, а SSD изнашивался равномерно.
Типичные размеры нединамических кэшей SLC составляют от 30 до 50 гигабайт с твердотельным накопителем емкостью 500 гигабайт. В большинстве случаев производители молчат об этом и вы получаете на 10% меньше свободного пространства, чем ожидали.
Поскольку «голые» твердотельные накопители M.2 не отводят отработанное тепло через корпус, максимальная температура, установленная производителем, может быть превышена в случае высокой продолжительной нагрузки, что может привести к временному снижению производительности.
Долговечность SSD: MTBF и TBW
В настоящее время срок службы твердотельных накопителей не является проблемой; при среднем использовании пройдёт много лет, прежде чем можно будет опасаться отказа.
Информация производителя, к которой в любом случае следует относиться с осторожностью, – это MTBF (среднее время наработки на отказ), которое указывает среднее время между двумя отказами.
Производители часто также ограничивают свои гарантийные обязательства объёмом данных, которые могут быть записаны на SSD в течение установленного периода (TBW, To Be Written).
Чем SSD M.2 отличается от SSD SATA 3
Если вы знаете, где в вашей системе есть узкие места, вы также знаете, сможет ли быстрый SSD M.2 устранить их. Для всех остальных пользователей дополнительная производительность вряд ли будет иметь значение.
Конечно, есть довольно специфические сценарии приложений, в которых рекомендуется использовать SSD M.2. Примерами являются кэширование в серверных системах, редактирование видео, разработка программного обеспечения с частыми и/или обширными процессами компиляции, другие приложения, которые полагаются на особенно высокую производительность записи, и частые процессы копирования с большими объёмами данных.
И каждый пользователь получает от SSD M.2 несколько дополнительных преимуществ: компьютер выглядит аккуратнее, нет кабелей, которые могут препятствовать воздушному потоку, а иногда просто хочется лучшего.
