SSD disko atminties ląstelių technologija

Kaip atsirado SSD ir kodėl jie tapo tokių populiarūs

Prisimenu laikus, kai kompiuterio įjungimas trukdavo amžinybę – skaičiuodavai sekundes, kol pagaliau pasirodydavo darbalaukis. O dabar? Paspaudei mygtuką ir po kelių akimirkų jau dirbi. Visa tai dėka SSD diskų, kurie pastarąjį dešimtmetį iš esmės pakeitė mūsų požiūrį į duomenų saugojimą.

SSD (Solid State Drive) technologija nėra visiškai nauja – jos pradžia siekia dar 1950-uosius metus, kai buvo sukurta magnetinė šerdies atmintis. Tačiau tikroji revoliucija prasidėjo maždaug 2008-2010 metais, kai SSD kainos tapo bent kiek prieinamos paprastiems vartotojams. Prieš tai tokie diskai buvo naudojami tik specializuotose sistemose, kur greitis buvo svarbesnis už kainą.

Pagrindinis skirtumas nuo senųjų mechaninių HDD diskų – SSD neturi jokių judančių dalių. Jame nėra besisukančių diskų ar galvučių, kurios skaitytų duomenis. Visa informacija saugoma specialiuose lustų mikroschemos, panašiai kaip USB atmintukuose ar telefonų atmintyje. Tik daug sudėtingiau ir greitesniu būdu.

NAND atmintis – SSD širdis

Visų SSD diskų pagrindas yra NAND tipo flash atmintis. Pavadinimas NAND kilo iš loginės operacijos „NOT AND”, kuri naudojama šių lustų viduje. Bet mums, paprasti vartotojams, svarbiau suprasti, kaip tai veikia praktiškai.

Įsivaizduokite milžinišką biblioteką, kurioje knygos sudėliotos ne lentynose, o specialiuose elektros laukuose. Kiekviena „knyga” yra elektrinis krūvis, kuris gali būti arba yra, arba nėra. Tai ir yra pagrindinis principas – informacija koduojama elektriniais krūviais, kurie įkalinami specialiose struktūrose, vadinamose slankiojo užtūros tranzistoriais (floating gate transistors).

Šie tranzistoriai veikia kaip mikroskopiniai konteineriai elektros krūviui. Kai krūvis yra įkalintas viduje, ląstelė saugo vieną reikšmę (pavyzdžiui, „1”), kai krūvio nėra – kitą („0”). Svarbiausia, kad šis krūvis išlieka net ir išjungus maitinimą, todėl duomenys neprapuola.

Skirtingų tipų ląstelės – ne visos vienodos

Čia prasideda įdomiausia dalis. Ne visos SSD ląstelės yra vienodos, ir tai labai įtakoja disko kainą, greitį ir ilgaamžiškumą. Yra keturi pagrindiniai tipai: SLC, MLC, TLC ir QLC.

SLC (Single-Level Cell) – tai pats paprasčiausias ir patikimiausias variantas. Kiekviena ląstelė saugo tik vieną bitą informacijos (0 arba 1). Įsivaizduokite šviesą, kuri gali būti tik įjungta arba išjungta – jokių tarpinių būsenų. Tokie diskai yra brangiausi, bet ir patvariausi. Jie išlaiko apie 100,000 įrašymo ciklų ir naudojami ten, kur reikia maksimalaus patikimumo – serveriuose, pramonėje, profesionalioje įrangoje.

MLC (Multi-Level Cell) – čia jau kiekviena ląstelė saugo du bitus. Tai pasiekiama skirtingais įtampos lygiais. Tarkim, turime keturis įtampos lygius: 0V, 1V, 2V ir 3V. Kiekvienas lygis atitinka skirtingą bitų kombinaciją: 00, 01, 10, 11. Tai leidžia dvigubai padidinti talpą, bet sumažina patvarumą iki maždaug 10,000 ciklų. Vis tiek neblogai daugumai vartotojų.

TLC (Triple-Level Cell) – trys bitai vienoje ląstelėje, tai reiškia aštuonis skirtingus įtampos lygius. Dabar jau reikia labai tiksliai matuoti ir kontroliuoti įtampą kiekvienoje ląstelėje. Patvarumas krenta iki 3,000-5,000 ciklų, bet ir kaina tampa daug prieinamesnė. Šiandien dauguma vartotojų naudoja būtent TLC diskus.

QLC (Quad-Level Cell) – keturi bitai, 16 skirtingų būsenų vienoje ląstelėje. Tai jau tikras žongleriavimas įtampomis. Patvarumas – apie 1,000 ciklų. Skamba bauginančiai mažai, bet praktikoje paprastam vartotojui to užtenka metams ar net dešimtmečiui normalaus naudojimo.

Kaip informacija įrašoma ir skaitoma

Įrašymo procesas yra gana sudėtingas. Kai norite išsaugoti failą, SSD kontroleris (tai kaip disko „smegenys”) nusprendžia, kuriose ląstelėse jį saugoti. Tada į pasirinktus tranzistorius paduodama aukšta įtampa – paprastai apie 15-20 voltų, kartais net daugiau. Ši įtampa „įstumia” elektronus per izoliuojantį sluoksnį į slankiąją užtūrą, kur jie ir lieka įkalinti.

Skaitymas yra paprastesnis – kontroleris tiesiog tikrina, koks įtampos lygis yra kiekvienoje ląstelėje, ir pagal tai nustato, kokie bitai ten saugomi. Tai vyksta neįtikėtinu greičiu – šiuolaikiniai SSD gali skaityti duomenis greičiu virš 7000 MB/s, o tai reiškia, kad visą pilną HD filmą galėtumėte nukopijuoti per kelias sekundes.

Bet yra viena problema – trinimas. Negalite tiesiog perrašyti duomenų virš senų, kaip tai darydavote su HDD. Pirmiausia reikia ištrinti visą bloką ląstelių (paprastai 4KB ar daugiau), ir tik tada galite įrašyti naujus duomenis. Tai vadinamasis „write amplification” efektas, kuris faktiškai reiškia, kad norint pakeisti nedidelį duomenų kiekį, kartais tenka perrašyti daug daugiau informacijos.

Wear leveling ir kitos gudrios technologijos

Kadangi kiekviena ląstelė gali atlaikyti tik ribotą įrašymo ciklų skaičių, SSD gamintojai sugalvojo daug būdų, kaip pailginti disko gyvavimo laiką. Pats svarbiausias – wear leveling algoritmas.

Ši technologija veikia labai protingai. Vietoj to, kad vis įrašinėtų duomenis į tas pačias ląsteles, kontroleris paskirsto įrašymus po visą diską tolygiai. Pavyzdžiui, jei nuolat redaguojate tą patį dokumentą, kiekvieną kartą jis bus įrašomas į skirtingas fizines ląsteles, nors jums atrodys, kad failas yra toje pačioje vietoje. Taip visos ląstelės nusidėvi maždaug vienodai, ir diskas tarnauja daug ilgiau.

Dar viena svarbi technologija – TRIM komanda. Kai ištrinate failą operacinėje sistemoje, iš tikrųjų jis neištrinamas iš karto – tiesiog pažymima, kad ta vieta dabar laisva. TRIM komanda praneša SSD kontroleriui, kurios ląstelės yra laisvos, ir jis gali jas iš anksto išvalyti. Tai pagreitina vėlesnius įrašymus ir sumažina wear amplification efektą.

Over-provisioning – tai papildoma atmintis, kurios vartotojas nemato. Jei nusipirkote 1TB SSD, realiai jame gali būti 1100GB lustų, bet jums matoma tik 1TB. Ta papildoma vieta naudojama wear leveling algoritmams, blogų blokų pakeitimui ir disko našumui palaikyti.

3D NAND – statome dangoraižius atmintyje

Maždaug nuo 2015 metų prasidėjo nauja era – 3D NAND technologija. Anksčiau visos ląstelės buvo išdėstytos plokščiai, viename sluoksnyje. Bet yra fizinė riba, kiek mažas gali būti tranzistorius. Sprendimas? Statyti aukštyn!

3D NAND lustai turi daugelį sluoksnių vienas ant kito – kaip daugiabučiai namai. Pirmieji modeliai turėjo 24-32 sluoksnius, dabar jau yra lustai su 176 ar net 232 sluoksniais. Tai leidžia gerokai padidinti talpą nepadidinus paties lusto ploto.

Be to, 3D struktūra turi ir kitų privalumų. Kadangi ląstelės gali būti didesnės (nes nebereikia jų spausti vienoje plokštumoje), jos tampa patikimesnės ir greičiau veikia. Elektrinė interferencija tarp gretimų ląstelių taip pat sumažėja, nes jos yra labiau atskiros erdvėje.

Gamyba, žinoma, sudėtingesnė. Reikia kruopščiai sukurti dešimtis ar net šimtus sluoksnių, pramušti vertikalius kanalus elektronams, užtikrinti, kad visos ląstelės veiktų idealiai. Bet technologija jau taip subrendusi, kad 3D NAND tapo standartu – šiandien sunku rasti naują SSD su senąja 2D technologija.

Praktiniai patarimai renkantis SSD

Dabar, kai suprantate, kaip visa tai veikia, galite protingiau pasirinkti sau tinkamą diską. Pirmiausia – nebijokite QLC diskų. Taip, jie turi mažesnį įrašymo ciklų skaičių, bet paprastam naudojimui to daugiau nei pakanka. Jei naudojate kompiuterį naršymui, dokumentų redagavimui, filmų žiūrėjimui – QLC puikiai tiks ir kainuos mažiau.

TLC diskai – auksinis viduriukas. Jei šiek tiek daugiau dirbate su dideliais failais, redaguojate video ar nuotraukas, geriau rinktis TLC. Skirtumas kainoje nėra toks didelis, bet patvarumas gerokai didesnis.

MLC ir SLC – tik jei tikrai reikia. Profesionaliam darbui, serveriams, duomenų bazėms. Kaina bus kelis kartus didesnė, bet ir patikimumas atitinkamas.

Dar keletas praktinių dalykų. Visuomet palikite bent 10-20% disko vietos laisvos. SSD veikia greičiau ir ilgiau, kai turi pakankamai laisvos vietos wear leveling algoritmams. Jei diskas užpildytas iki kraštų, našumas gali kristi net kelis kartus.

Įsitikinkite, kad jūsų operacinė sistema palaiko TRIM komandą ir ji įjungta. Windows 10/11 ir naujos Linux versijos tai daro automatiškai, bet verta patikrinti. Tai labai svarbu disko ilgaamžiškumui.

Nebijokite TBW (Total Bytes Written) rodiklio. Jei matote, kad diskas garantuoja 300 TBW, tai nereiškia, kad jis tikrai suges po to. Tai tik garantijos riba. Praktikoje diskai dažnai išlaiko dvigubai ar trigubai daugiau. Be to, paprastam vartotojui užrašyti 300TB reikėtų daug metų intensyvaus naudojimo.

Ateities perspektyvos ir kas laukia toliau

SSD technologija nesustoja. Jau dabar matome PCIe 5.0 diskus, kurie pasiekia 14,000 MB/s skaitymo greitį. Bet ar mums to reikia? Daugumai vartotojų skirtumas tarp 3,500 MB/s ir 7,000 MB/s yra vos pastebimas realiame darbe. Greičiau kraunasi žaidimai? Gal sekundę ar dvi. Operacinė sistema? Panašiai.

Įdomesni pokyčiai vyksta kitose srityse. Kuriamos naujos atminties technologijos – 3D XPoint (Intel Optane), ReRAM, MRAM. Kai kurios iš jų žada dar didesnį greitį ir patvarumą. Kitos – mažesnį energijos suvartojimą, kas ypač svarbu nešiojamiems įrenginiams.

Talpų augimas taip pat nesibaigs. Jau galima nusipirkti 8TB SSD už prieinamą kainą. Netrukus 16TB ir 32TB diskai taps įprasti. O su naujomis technologijomis, tokiomis kaip PLC (Penta-Level Cell, 5 bitai per ląstelę), talpos augs dar greičiau.

Bet svarbiausia – kainos toliau krenta. Prisimenu, kai 128GB SSD kainavo apie 200 eurų. Dabar už tuos pačius pinigus galite gauti 2TB diską. Tai reiškia, kad SSD tampa vis prieinamesni visiems, ir mechaniniai HDD pamažu išstumti į archyvinių duomenų saugojimo nišą.

Taigi SSD technologija, nors ir atrodo paprasta – tiesiog lustai su atmintimi – iš tikrųjų yra neįtikėtinai sudėtingas inžinerijos šedevras. Milijardai mikroskopinių tranzistorių, sudėtingi algoritmai, daugiasluoksnės struktūros – visa tai dirba kartu, kad jūsų failai būtų saugūs ir greitai pasiekiami. Ir geriausias dalykas – technologija tik tobulėja, tampa greitesnė, patikimesnė ir pigesnė.