Як працює SSD?

Як працює SSD?

Тут, у Wfoojjaec, ми часто обговорювали різницю між різними типами структур NAND - вертикальної NAND проти планарних або багаторівневих клітин (MLC) проти потрійних клітин (TLC) та квадроциклів (QLC). Тепер, давайте поговоримо про більш базове релевантне питання: як SSD працюють в першу чергу, і як вони порівнюються з новими технологіями, як і нелетуючі технології Intel, Optane?

Щоб зрозуміти, як і чому SSD відрізняються від спінінгових дисків, ми повинні трохи поговорити про жорсткі диски. Жорсткий диск зберігає дані про серію прядильних магнітних дисків, які називаються пластинчастими. До нього приводять руку приводу з читанням / написанням головок. Ця рука позиціонує головки читання на правильну область приводу, щоб читати або писати інформацію.

Оскільки привідні головки повинні вирівнювати по область диска, щоб прочитати або записувати дані, а диск постійно обертається, доступу до даних. Диск може знадобитися читання з декількох місць, щоб запустити програму або завантажити файл, що означає, що це, можливо, доведеться чекати, поки пластини обертаються у відповідне положення кілька разів, перш ніж він може завершити команду. Якщо привід спить або у нижній станції, він може зайняти кілька секунд для диска, щоб обертатись до повної потужності та почати роботу.

З самого початку було зрозуміло, що жорсткі диски не могли б відповідати швидкості, на якому може діяти CPUS. Затримка в HDD вимірюється в мілісекундах, у порівнянні з наносекундами для вашого типового процесора. Один мілісекунд становить 1 000 000 наносекунд, і це, як правило, займає жорсткий диск 10-15 мілісекунд, щоб знайти дані на приводі та почати його читати. Індустрія жорсткого диска представила менші пластинчасті, на дискові кеші пам'яті, а швидше швидкість шпинделя, щоб протидіяти цій тенденції, але є лише так швидкі диски можуть обертатися. Сімейство Western Digital's 10,000 RPM Velociraptor є найшвидшим набором дисків, які коли-небудь побудовані для споживчого ринку, тоді як деякі підприємства заводиться, як швидко, як 15000 об / хв. Проблема полягає, навіть найшвидший прядіння з найбільшими кешами та найменшими пластинами, як і раніше, уповільнюються, наскільки це стосується вашого процесора.

Як SSD відрізняються

"Якби я попросив людей, що вони хотіли, вони сказали б більш швидкі коней". - Генрі Форд

Твердодні диски називаються, що зокрема, тому що вони не покладаються на рухомі частини або прядильні диски. Замість цього дані зберігаються в басейні NAND Flash. Сам нанд складається з того, що називаються плаваючими транзисторами. На відміну від конструкцій транзистора, що використовуються в DRAM, яка повинна бути освіжена кілька разів на секунду, NAND Flash призначена для збереження стану заряду навіть при натисканні. Це робить NAND тип нелетуючої пам'яті.

Як працює SSD?

Діаграма вище показує простий дизайн флеш-клітин. Електрони зберігаються у плаваючих воріт, які потім читається як заряджені "0" або не заряджені "1." Так, в NAND Flash, 0 значить дані зберігаються в клітці - це протилежне тому, як ми зазвичай думаємо про нуль або один. NAND Flash організована в сітці. Вся макет сітки називається блок, а окремі ряди, які складають сітку, називаються сторінкою. Спільні розміри сторінок 2K, 4K, 8K або 16k, з 128-256 сторінок за блок. Таким чином, розмір блоку, як правило, коливається від 256 кб і 4 Мб.

Одна з переваг цієї системи повинна бути негайно очевидною. Оскільки SSD не мають рухомих частин, вони можуть працювати далеко вище, ніж типовий жорсткий диск. Наступна діаграма показує затримку доступу для типових носія для зберігання, наведених у мікросекундах.

Як працює SSD?

Nand ніде не так швидко, як основна пам'ять, але це набагато швидше, ніж жорсткий диск. Незважаючи на те, що напишіть затримки значно повільніше для спалаху NAND, ніж читайте затримки, вони все ще перевершують традиційні спінінгові носії.

Існує дві речі, щоб помітити на вищезгаданій діаграмі. По-перше, зверніть увагу, наскільки додавання більше бітів на клітину NAND має значний вплив на продуктивність пам'яті. Це гірше для пише, на відміну від читання - типова потрійна потрійна (TLC) затримка 4x гірше в порівнянні з однорівневою клітиною (SLC) Nand для читання, але 6x гірше для пише. Стерти затримуються також значно впливають. Вплив не пропорційний, або - TLC NAND майже вдвічі менше, ніж MLC NAND, незважаючи на те, що тримається лише 50% більше даних (три біти на клітину, а не дві). Це також стосується дисків QLC, які зберігають ще більше бітів при різних рівнях напруги в межах однієї клітини.

Як працює SSD?

Причина TLC NAND повільніше, ніж MLC, або SLC пов'язана з тим, як дані рухаються і вийшли з клітини NAND. За допомогою SLC NAND, контролер повинен знати лише, якщо біт - 0 або A 1. З MLC NAND, клітина може мати чотири значення - 00, 01, 10 або 11. За допомогою TLC NAND, клітина може мати вісім значень , а QLC має 16. Читання правильного значення з клітини вимагає контролера пам'яті, щоб використовувати точну напругу, щоб з'ясувати, чи буде заряджається будь-яка конкретна клітина.

Читає, пише і стирає

Одним з функціональних обмежень SSDS, коли вони можуть прочитати та писати дані дуже швидко до порожнього приводу, перезаписати дані набагато повільніше. Це пояснюється тим, що в той час як SSDS читає дані на рівні сторінки (значення від окремих рядків у сітці пам'яті NAND), і може написати на рівні сторінки, припускаючи, що навколишні клітини порожні, вони можуть видалити лише дані на рівні блоку. Це пояснюється тим, що акт стирання спалаху NAND вимагає високої кількості напруги. Хоча ви можете теоретично стерти на рівні сторінки, кількість напруги вимагає напруги окремих клітин навколо клітин, які повторно написані. Дані стирання на рівні блоку допомагає пом'якшити цю проблему.

Єдиний спосіб для того, щоб SSD для оновлення існуючої сторінки є копіювання вмісту всього блоку в пам'ять, стерти блок, а потім написати вміст старого блоку + оновлену сторінку. Якщо привід є повним, і немає жодних порожніх сторінок, SSD має спочатку сканувати блоки, позначені для видалення, але це ще не видаляється, видаляйте їх, а потім напишіть дані на сторінку зараз. Ось чому SSD можуть стати повільніше, оскільки вони віку - переважно порожній привід сповнений блоків, які можуть бути записані негайно, переважно повний привід, швидше за все, буде змушений через всю послідовність програми / стирання.

Якщо ви використовували SSD, ви, ймовірно, чули про щось під назвою "Збір сміття". Збір сміття - це фоновий процес, який дозволяє приводу, щоб пом'якшити вплив продуктивності циклу програми / стирання, виконуючи певні завдання у фоновому режимі. Наступні кроки зображення через процес збору сміття.

Як працює SSD?

Примітка. У цьому прикладі привід скористався тим, що він може писати дуже швидко, щоб порожні сторінки, написавши нові значення для перших чотирьох блоків (A'-D '). Він також написав два нових блоків, E та H. Блоки A-D тепер позначені як застарілі, тобто вони містять інформацію, що привід позначив як застарілий. Під час простого періоду SSD перемістить свіжі сторінки до нового блоку, стерти старий блок і позначте його як вільне місце. Це означає, що наступного разу, коли SSD потрібно виконати запис, він може писати безпосередньо до прямого блоку X, а не виконувати цикл програми / стирання.

Наступна концепція, яку я хочу обговорити, - це обробка. Коли ви видалите файл з Windows на типовому жорсткому диску, файл не видаляється негайно. Замість цього операційна система розповідає жорсткий диск, він може перезаписати фізичну ділянку диска, де дані зберігаються наступного разу, коли потрібно виконати запис. Ось чому можна відновити файли (і чому видалення файлів у Windows зазвичай не очищає багато місця для фізичного навантаження, доки ви не очистите бункет-переробку). З традиційним жорстким директором ОС не потрібно звертати увагу на те, де написано дані, або який відносний стан блоків або сторінок є. З SSD, це питання.

Команда Trim дозволяє операційну систему повідомляти SSD, яку він може пропустити перезаписувати певні дані, наступного разу він виконує стерти блок. Це знижує загальну суму даних, що привод записує та збільшує довговічність SSD. Обидва читає, і пише, пошкодження NAND Flash, але пише зробити набагато більше пошкоджень, ніж читання. На щастя, Longevity Longevity Block-Level не виявився проблемою в сучасних NAND Flash. Більше даних про Longevity, люб'язність технічного звіту, можна знайти тут.

Останні два поняття, про які ми хочемо поговорити, є зношеними та написання посилення. Оскільки SSDS записують дані на сторінки, але видаляйте дані в блоках, кількість даних, написаних на приводі, завжди більша, ніж фактичне оновлення. Якщо ви внести зміни до файлу 4KB, наприклад, весь блок, який 4K-файл сидить, повинен бути оновлений та переписаний. Залежно від кількості сторінок за блок та розмір сторінок, ви можете в кінцевому підсумку запису даних 4 Мб даних для оновлення файлу 4KB. Збір сміття зменшує вплив підсилення запису, як і команда trim. Зберігання значного шматка вільного та / або виробника, що перевищує рівень, може також зменшити вплив підсилення запису.

Вирівнювання зносу відноситься до практики забезпечення певних блоків NAND не написано та стираються частіше, ніж інші. Незважаючи на те, що вирівнювання зношування збільшує очікувану тривалість життя приводу та витривалість, пишучи до NAND однаково, це дійсно може збільшити підсилення запису. В іншому розповсюдженні пише, рівномірно через диск, іноді потрібно програмувати та стирати блоки, навіть якщо їх вміст не змінився. Гарний алгоритм вирівнювання прагнуть збалансувати ці наслідки.

Контролер SSD

Вона повинна бути очевидною, тепер SSDS вимагає набагато більш складних механізмів контролю, ніж роблять жорсткі диски. Це не для магнітних носіїв - я насправді вважаю, що HDDS заслуговують більше поваги, ніж вони даються. Механічні виклики, що беруть участь у балансуванні декількох голівков, нанометрів нанометри над пластинчастими, що обертаються на рівні 5,400 до 10 000 об / хв, - це ніщо, щоб чхати. Той факт, що HDDS виконує цей виклик, тоді як новації нових методів запису до магнітних носіїв і в кінцевому підсумку заводить продаж накопичувачів при 3-5 центів на гігабайт просто неймовірно.

Як працює SSD?

Контролери SSD, однак, знаходяться в класі самі по собі. Вони часто мають басейн пам'яті DDR3 або DDR4, який допомагає керувати сам нанду. Багато приводів також включають однорівневі клітинні кеші, які діють як буфери, збільшуючи продуктивність приводу, присвячуючи швидким NAND для читання / запису циклів. Оскільки спалах NAND в SSD, як правило, підключається до контролера через серію каналів паралельних пам'яті, ви можете думати про контролер приводу, як виконуючи деякі з тієї самої балансувальної роботи, як масив високого класу - SSD-SSD Розгортайте рейд внутрішньо, але знос, збір сміття, та управління кеш-кеш-кеш-пам'яті всіма паралелями у великому світі.

Деякі диски також використовують алгоритми стиснення даних, щоб зменшити загальну кількість пише та покращити термін служби приводу. Контролер SSD обробляє корекцію помилок, а алгоритми, які контролюють для одноразових помилок, стали все більш складним, як пройшло час.

На жаль, ми не можемо занадто багато детально на контролерах SSD, тому що компанії блокують свої різні таємні соуси. Значна частина ефективності спалаху NAND визначається основним контролером, і компанії не хочуть підняти кришку занадто далеко, як вони роблять те, що вони роблять, щоб вони не врятують конкурентом перевагою.

Інтерфейс

На початку, SSDS використовували SATA порти, як і жорсткі диски. Останнім часом ми бачили перехід до M.2 дисків - дуже тонкі диски, кілька дюймів довгих, що слот безпосередньо в материнську плату (або, у кількох випадках, у монтажну кронштейн на картці PCIE Riser. Samsung 970 EVO Plus Drive показаний нижче.

Як працює SSD?

Накопичувачі NVME пропонують вищу продуктивність, ніж традиційні драйвери SATA, оскільки вони підтримують більш швидкий інтерфейс. Звичайні SSD, прикріплені за допомогою вершини SATA на ~ 550 Мб / с з точки зору практичної швидкості читання / запису. M.2 Диски здатні істотно швидше виконання в діапазоні 3,2 Гб / с.

Дорога вперед

NAND Flash пропонує величезне поліпшення над жорсткими дисками, але це не без власних недоліків та викликів. Очікується, що приводні потужності та ціна-за-гігабайт продовжуватимуть підніматися та падати відповідно, але невеликий шанс SSDS зловити жорсткі диски в ціна-за-гігабайт. Зменшення технологічних вузлів є значною проблемою для NAND Flash - Хоча більшість апаратних засобів покращується, коли вузол стискається, Nand стає більш крихким. Час утримання даних та продуктивність запису є внутрішньо нижчим для 20NM NAND, ніж 40nm NAND, навіть якщо щільність даних та загальна потужність значно покращуються. До теперішнього часу ми бачили диски з до 96 шарів на ринку, а на цьому етапі 128 шарів здається правдоподібним. В цілому, перехід до 3D-NAND допомогло покращити щільність без скорочення вузлів процесу або покладаючись на планарний масштабування.

До цих пір, виробники SSD доставляли кращу продуктивність, пропонуючи більш швидкі стандарти даних, більшу пропускну здатність, а також більше каналів на контролер - плюс використання кашелів SLC, який ми згадали раніше. Тим не менш, у довгостроковій перспективі, це передбачається, що NAND буде замінено чимось іншим.

Яке щось виглядатиме, як і раніше, відкриється для обговорення. Обидва магнітна оперативна пам'ять, так і фазова зміна пам'яті представили себе кандидатами, хоча обидва технології все ще перебувають на ранніх стадіях, і повинні подолати значні виклики, щоб фактично конкурувати як заміну нанду. Чи споживачі помітить, що різниця - це відкрите питання. Якщо ви оновили з NAND до SSD, а потім оновлено до швидшого SSD, ви, ймовірно, знаєте, що розрив між HDDS та SSD набагато більше, ніж розрив SSD-SSD, навіть при оновленні з відносно скромного приводу. Поліпшення часу доступу від мілісекунд до мікросекунд має велику справу, але вдосконалюючи їх від мікросекунд до наносекунд, може потрапити нижче, що люди дійсно можуть сприймати в більшості випадків.

Опанові підтримує на ринку підприємства

З 2017 року до початку 2021 року Intel запропонував свою пам'ять оптону як альтернативу для спалаху NAND на споживчому ринку. На початку 2021 р. Компанія оголосила, що це більше не продавай оптонових дисків у споживчому просторі, за винятком H2-гібридного приводу. H20 поєднує в собі QLC NAND з оптичним кеш-пам'яті, щоб збільшити загальну продуктивність при зменшенні вартості приводу. Хоча H20 - це цікавий та унікальний продукт, він не пропонує такого ж виду високопоставлених продуктів Optane SSDS.

Optane залишатиметься на ринку в сегменті сервера підприємства. Хоча його дістатися обмежена, це все ще найближче до претендента, що має. Optane SSD не використовують NAND - вони будуються, використовуючи нелетуючу пам'ять, яка була реалізована аналогічно фазовій змін RAM - але вони пропонують аналогічну послідовну продуктивність до поточних флеш-накопичувачів NAND, хоча і з кращою продуктивністю на низьких робочах. Затримка приводу також є приблизно половиною NAND Flash (10 мікросекунд, проти 20), а значно вища витривалість (30 повних приводів на день, у порівнянні з 10 повним приводом, на день для високого класу Intel SSD).

Як працює SSD?

Optane доступний у декількох форматах приводу, так і в безпосередній заміні для DRAM. Деякі з висококласних процесорів Xeon CPUS Intel підтримують розгортання багато-терабайтних оптонів та підтримують суміш DRAM та Optane, який забезпечує сервер з набагато більшою кількістю оперативної пам'яті, ніж поодинці DRAM, за рахунок витрат на вищі застронки.

Однією з причин опції виникла проблема, що перебувають у споживчому просторі, полягає в тому, що ціни на НАНД різко скоротилися в 2019 році і залишалися низькими до 2020 року, що робить його важким для ефективно конкуренції.

Ознайомтеся з нашим wfoojjaec пояснює серію для більш глибокого покриття сучасних найгарячіших технологій.

Читати далі

Нові відомості про Intel Rocket Lake: Сумісність із зворотною стороною, Xe Graphics, Cypress Cove
Нові відомості про Intel Rocket Lake: Сумісність із зворотною стороною, Xe Graphics, Cypress Cove

Intel опублікувала трохи більше інформації про Rocket Lake та його 10-нм процесор, який було перенесено назад на 14 нм.

Вчені 3D-друк мікроскопічного корабля USS Voyager із власним рухом
Вчені 3D-друк мікроскопічного корабля USS Voyager із власним рухом

У нього немає деформованих двигунів, але він може прекрасно ладнати за допомогою перекису водню та платини.

AMD забезпечить підтримку пам’яті Smart Access для апаратного забезпечення Intel, Nvidia
AMD забезпечить підтримку пам’яті Smart Access для апаратного забезпечення Intel, Nvidia

Повідомляється, що AMD співпрацює з Nvidia та Intel, щоб забезпечити апаратну підтримку пам’яті Smart Access на інших графічних та процесорних платформах.

Покупець Остерігайтеся: Chia Miners продають безглузді SSD
Покупець Остерігайтеся: Chia Miners продають безглузді SSD

Будь-хто на ринку для використовуваного SSD повинен бути обережним, що вони купують. Ціна Chia впала до частки, її початкове значення і шахтарі виходять.