Что такое SSD диск и как он работает

При выборе компьютера или ноутбука покупатели задумываются, что такое SSD и для чего нужен твердотельный диск. Накопители стандарта SSD отличаются повышенным быстродействием и низким энергопотреблением, но уступают классическим дискам HDD по емкости и цене. Устройства SSD используются для установки операционной системы, дополнительных программ и игровых приложений, для хранения архивов целесообразнее установить стандартный винчестер.

SSD
SSD — компьютерное энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти.

Что такое SSD

Аббревиатура SSD, используемая для обозначения твердотельных накопителей, расшифровывается как solid-state drive. Первые работоспособные образцы устройств появились в 1985 г., за счет отказа от механических узлов удалось повысить надежность работы при перегрузках.

Технология стала популярной в начале 2000-х, когда удалось снизить стоимость накопителей для ноутбуков и стационарных компьютеров.

Общие характеристики

Основные характеристики SSD накопителей:

  1. Интерфейс и форм-фактор устройства.
  2. Вместимость накопителя, базовые устройства имеют объем на уровне 32 ГБ, которого с трудом хватит для установки операционной системы и пакета офисных программ. По мере увеличения емкости растет стоимость оборудования.
  3. Размер буфера памяти (кэша).
  4. Скорость чтения и записи информации.
  5. Тип используемых микросхем памяти.
  6. Время наработки на отказ или число циклов перезаписи.
  7. Показатель IOPS, определяющий число операций ввода/вывода за 1 секунду. Параметр определяет быстродействие накопителя в типовых условиях эксплуатации.
  8. Время доступа (Access Time).

Для чего применяется

Назначение устройства SSD, установленного в ноутбук или ПК, не отличается от функционала классического винчестера. Накопитель позволяет устанавливать операционную систему и хранить файлы пользователя. К недостаткам изделий относят высокую стоимость и ограничение по вместимости.

Например, существуют HDD вместимостью до 14 ТБ, а максимальная емкость серийных SSD на осень 2019 г. не превышает 6 ТБ. При этом цена диска SSD объемом 6 ТБ превышает стоимость HDD, вмещающего 14 ТБ информации, в 3 раза.

Схема устройства

Накопитель состоит из набора энергонезависимых микросхем флэш-памяти NAND, которые установлены на печатной плате внутри пластикового или металлического корпуса стандарта 2,5 дюйма. В конструкции предусмотрен контроллер управления и отдельная буферная память стандарта DDR3. Также существуют устройства с уменьшенными размерами (форм-фактор М.2), которые устанавливаются в специальные разъемы на материнской плате. Такой накопитель выглядит как плоская печатная плата с установленными чипами и электронными компонентами.

Устройство SSD
SSD не содержит движущихся механических частей.

Стандартные диски формата 2,5 дюйма подключаются к интерфейсу SATA, накопитель работает при подаче постоянного напряжения 12 и 5 В от компьютерного блока питания. Для портативной техники выпускаются низкопрофильные диски стандарта mSata. Также бывают устройства формата PCI Express AIC, которые устанавливаются в разъем PCI Express на материнской плате (решение для рабочих станций или серверов).

Принцип работы

Используемая в твердотельных дисках память стандарта NAND состоит из массива транзисторов (ячеек), оснащенных плавающим затвором. Транзисторы способны сохранять заряженное состояние при отключении внешнего питания. Затвор может иметь 2 состояния — заряженное и разряженное, которые представляются логическими значениями 0 и 1. Ячейки собраны в блоки, при этом строка обозначается как страница, размеры элемента составляют 2, 4, 8 или 16 КБ. Поскольку в блоке может быть от 128 до 256 страниц, то вместимость составляет от 0.256 до 4 МБ.

При записи информации происходит захват электронов, находящихся в ячейках. Полярность присвоенного заряда определяет наличие информации. Но при движении электронов происходит нарушение структуры ячейки, часть частиц остается вне структурной единицы.

Из-за этих электронов формируется отрицательный заряд, негативно влияющий на интервал напряжений, используемых для представления информации.

Негативное влияние отрицательного заряда зависит от типа используемой памяти. Например, чипы MLC рассчитаны на 4 градации напряжения в имеющемся интервале, а микросхемы TLC отслеживают 8 значений. В какой-то момент память перестает справляться с проверкой достоверности записанной информации, что приводит к появлению поврежденных участков. Контроллер заменяет вышедшие из строя участки за счет специальной резервной зоны, но по мере деградации ресурсов твердотельный диск выходит из строя.

Чем отличается SSD от HDD

Стандартные жесткие диски оборудованы шпинделем с приводом от электрического двигателя. На шпинделе установлены диски из специального магнитного материала, для записи и считывания информации используется головка. Чувствительный элемент установлен на рычаге, который перемещается при помощи электромагнитного привода. В конструкции жесткого диска предусмотрен контроллер, управляющий работой исполнительных механизмов. В процессе работы происходит непрерывное вращение дисков и перемещение головок, что вызывает появление посторонних шумов.

SSD
Устройство твердотельного накопителя SSD в корне отличается от магнитных накопителей.

Твердотельный диск устроен иначе — запись информации производится в ячейки памяти, механические компоненты отсутствуют. За счет отказа от подвижных элементов удалось увеличить скорость обмена информацией и увеличить срок службы. Поскольку в конструкции не предусмотрены хрупкие головки, то накопители SSD лучше переносят ударные нагрузки.

Дополнительным отличием изделий SSD является малый вес и уменьшенные габариты (из-за отсутствия силовых приводов и вращающихся дисков).

Виды памяти

В твердотельных накопительных устройствах используется следующие типы памяти:

  • SLC (расшифровка обозначения — Single Level Cell — однобитовая ячейка, 2 уровня заряда на плавающем затворе);
  • MLC (Multi Level Cell, 4 уровня заряда, 2 бита);
  • TLC (Triple Level Cell, 8 уровней заряда, 3 бита);
  • QLC (Quad Level Cell, 16 уровней заряда, 4 бита).

Разница между SLC, MLC, TLC, QLC

Разница между микросхемами памяти, используемыми в твердотельных дисках:

  1. Стандарт SLC использовался в ранних образцах накопителей. Чипы поддерживают одну градацию сигнала, записывая в блок значения 0 или 1, что позволяет хранить 1 бит данных. Диски на базе SLC отличаются повышенным быстродействием и имеют максимальный срок службы, но из-за высокой стоимости используются в серверах.
  2. Недостатки SLC привели к появлению чипов стандарта Multi Level Cell. В конструкцию блока MLC введены дополнительные уровни заряда, а это значит, что возможно запоминание не только логических 1 или 0, но и промежуточных значений сигнала. Блок способен запоминать до 2 бит информации, повышенная плотность записи позволяет снизить габариты накопителя и повысить емкость.
  3. Память TLC поддерживает управление уровнем заряда. За счет повышенной чувствительности при считывании удается записывать в ячейку 3 бита информации. Совершенствование технологии TLC привело к вытеснению микросхем стандарта MLC.
  4. Стандарт QLC обеспечивает хранение 4 бит данных в ячейке. Преимуществом памяти является низкая себестоимость, что позволяет снизить цену на накопители с увеличенным объемом. Из-за низкой надежности не рекомендуется применять накопители для трансляции потокового видео или использования торрент-клиентов, диски предназначены для хранения файлов или мультимедийных библиотек. Микросхемы редко используются в серийной продукции, представителем накопителей на базе технологии QLC является Samsung 860 QVO.
SLC и MLC
По технологии хранения информации память разделяется на SLC и MLC.

Микросхемы SLC допускают повышение напряжения питания, что позволяет скорректировать снижение чувствительности. Остальные чипы не допускают наращивание напряжения, поскольку контроллер ошибочно определяет значение уровней. Из-за увеличения числа градаций происходит снижение количества циклов перезаписи. Например, элементы серии SLC рассчитаны на 100 тыс. циклов, для ячеек MLC и TLC параметр падает до 10 тыс. и 5 тыс. циклов соответственно. Блок управления повышает долговечность за счет оптимизации нагрузки.

Критерии выбора

Основные критерии подбора диска SSD:

  1. Тип микросхем памяти, используемых в конструкции накопителя.
  2. Форм-фактор и наличие в комплекте переходных элементов, позволяющих смонтировать накопитель в стандартной корзине для 3,5-дюймовых жестких дисков.
  3. Наличие в комплекте утилиты, позволяющей перенести информацию с накопителя HDD (программы доступны для загрузки на сайтах производителей SSD).
  4. Тип интерфейса и объем. Стандартные накопители рассчитаны на интерфейс SATA III (скорость передачи данных до 600 МБ/сек). Рекомендуется приобретать диски вместимостью от 128 ГБ, если на накопителе планируется хранить игры или дополнительные приложения, то рекомендуется использовать накопители вместимостью от 240 ГБ.
  5. Скорость обмена информацией: хороший твердотельный диск в корпусе 2,5 дюйма имеет скорость считывания и записи выше 400 МБ/сек. Не рекомендуется покупать устройства, имеющие скорость обмена данными ниже 320 МБ/сек.
  6. Энергопотребление диска SSD учитывается при установке накопителя в ноутбук. В активном состоянии устройства имеют мощность до 5 Вт, в режиме ожидания параметр снижается в 5-6 раз.
  7. Материал корпуса: для изготовления кожухов используется пластик или алюминиевый лист. Металлические накопители имеют повышенную прочность и защищают электронные компоненты от повреждений при резких сотрясениях или ударах.
  8. Наличие дополнительных функций (например, поддержки кодирования данных на аппаратном уровне).

Лучшие производители SSD дисков

ТОП-5 ведущих производителей твердотельных накопителей:

  1. Компания Kingston производит накопители на основе микросхем стандарта TLC, обеспечивающих повышенные скорости записи и чтения. Производитель предоставляет 5-летнюю ограниченную гарантию на диски. При выборе продукции Kingston следует учитывать повышенное энергопотребление устройств.
  2. Изделия от Samsung оснащаются контроллерами, обеспечивающими высокую производительность. Скорость записи и чтения снижается при обработке файлов размером от 3-4 ГБ.
  3. Накопители Western Digital, оборудованные блоками управления Marvell и буферной памятью DDR3 объемом до 2 ГБ. В комплекте поставляется оригинальная утилита для проверки и обслуживания диска SSD.
  4. Компания Transcend поставляет накопители в стандартном 2,5-дюймовом корпусе и форм-факторе М.2. Изделия отличаются повышенной скоростью обмена информацией и имеют ресурс до отказа на уровне 1,3-1,5 млн часов работы.
  5. Продукция ADATA отличается высокой надежностью, за счет применения оригинальных разработок время наработки на отказ доведено до 2 млн часов.

Отзывы покупателей

Дмитрий, 22 года, Астрахань

При обновлении компьютера проанализировал плюсы и минусы различных накопителей и решил установить внутренний твердотельный диск ADATA Ultimate SU650 вместимостью 120 гигабайт. Скорость загрузки приложений ускорилась, пропал неприятный хруст от винчестера при работе. Емкость накопителя достаточна для установки операционной системы Windows 10 и пакета базовых приложений (MS Office и браузер для серфинга в интернете). Для хранения архива (фотографии, музыка и кинофильмы) использую стандартный жесткий диск.

Евгений, 39 лет, Москва

Использовал для операционной системы винчестер объемом 320 ГБ, который вышел из строя в результате естественного износа. Приобрел твердотельный диск Kingston UV500 вместимостью 120 ГБ, устройство используется на протяжении 1,5 лет. Загрузка графического редактора Adobe Photoshop занимает 12-14 секунд, операционная система загружается за 25-30 секунд. Помимо увеличения быстродействия в программах, сохранена возможность установки в гнездо для HDD (при помощи винтов или на переходных салазках), менять или дорабатывать корпус не потребовалось.