Твердотельный накопитель

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 (и до появления флеш-памяти и EEPROM альтернатив не было), 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 (

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 бóльшую скорость производимых операций. В то же время, они имеют в несколько раз бóльшую стоимость в пересчёте на гигабайт и меньшую износостойкость (ресурс записи), а также существенно меньшую стойкость к воздействию ионизирующей радиации, что накладывает ограничения на их применение в некоторых сферах.

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^[4]. 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

Основные характеристики твердотельных накопителей[6]:

• 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^[7].

Существуют также

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^[11][12].

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^{[13][14][15][16]}.

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). Информация должна быть проверяема, иначе она может быть удалена. Вы можете отредактировать статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок. (27 апреля 2019)

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.

• 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^[17].
• 1995 год — израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти.
• 2007 год — компания ASUS выпустила нетбук EEE PC 701 с SSD-накопителем объёмом 4 ГБ.
• южнокорейской
  компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD-накопитель объёмом 128 ГБ со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с.

Флеш-память NAND для SSD выпускалась компаниями SanDisk, Toshiba (Toshiba Memory^[англ.], она же Kioxia^{[англ.][18]}), Samsung, Intel, Micron^[19].

В 2013 году крупнейшими производителями микросхем NAND были Samsung, Toshiba, Micron и SK-Hynix^[20], микросхем контроллеров для SSD — LSI-SandForce^[англ.], Marvell, Silicon Motion^[англ.], Phison^[англ.] и JMicron^[21][22]. В том же году Samsung, Toshiba и Micron начали выпускать накопители с микросхемами 3D NAND^[англ.], которая позволила снизить стоимость устройств, особенно высокой ёмкости^[23].

В I квартале 2016 года крупнейшими производителями SSD были компании Samsung Electronics (первое место, около 40 % рынка), SanDisk (12 %),

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^[25][26]. В 2023 году средняя цена на чипы TLC росла^[27]; аналитики предсказывают подорожание твердотельных накопителей на рынке и в 2024 году^[28].

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). Информация должна быть проверяема, иначе она может быть удалена. Вы можете отредактировать статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок. (30 апреля 2023)

Первоначально твердотельные накопители распространились в виде отдельных устройств накопления и переноса информации. Они подключались к компьютерам и цифровым гаджетам через ряд стандартизированных внешних интерфейсов, а конструкция накопителей позволяла неквалифицированному пользователю безопасно манипулировать ими и переносить данные между устройствами. Все эти накопители можно было разделить на две большие группы: с интерфейсом USB («USB-флешки»), преимущественно используемые с компьютерами, и карты памяти, преимущественно используемые в разнообразных электронных гаджетах, например цифровых фотоаппаратах, телефонах и т. п.

USB-накопители были отлично стандартизированы и обеспечивали работоспособность на любых устройствах с этим разъёмом. Карты памяти имели большое разнообразие несовместимых конструкций и интерфейсов. Первоначально были популярны

• 
  USB-флешка
• 
  Карты памяти CompactFlash, SD и microSD
• 
  SD-карта памяти в фотоаппарате

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). Информация должна быть проверяема, иначе она может быть удалена. Вы можете отредактировать статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок. (30 апреля 2023)

По мере роста ёмкости и удешевления флеш-памяти твердотельная память стала заменять основную долговременную память компьютеров — жёсткие диски. С целью обеспечения взаимозаменяемости с существовавшими технологиями встраиваемые твердотельные накопители стали выпускать в стандартизированных для жёстких дисков конструктивах и с наиболее популярным на тот момент интерфейсом для жёстких дисков. Так появились твердотельные диски типоразмера 2,5" с интерфейсом SATA, которые устанавливались вместо механических жёстких дисков.

Однако громоздкие конструктивы и медленные интерфейсы механических жёстких дисков не позволяли раскрыть потенциал флеш-памяти. Начался процесс миниатюризации накопителей. Первоначально отказались от конструктива жёстких дисков, стандартизировав малогабаритные конструктивы

• 
  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

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^[29]. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.^{[источник не указан 420 дней]}

К 2016 году были созданы микросхемы NAND с тремя различными по плотности хранения данных технологиями^[7]:

• 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^[7].

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^[7].

С 2017 года нашло распространение и QLC (Quad Level Cell) — четыре бита

.

RAM SSD

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). Информация должна быть проверяема, иначе она может быть удалена. Вы можете отредактировать статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок. (30 апреля 2023)

Эти накопители построены на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в

В 2015 году компании Intel и Micron заявили о выходе новой энергонезависимой памяти 3D XPoint^[32]. Intel планировала выпустить SSD-накопители на основе 3D XPoint с использованием интерфейса PCI Express в 2016 году, которые были бы быстрее и выносливее, чем накопители на основе NAND. В марте 2017 года Intel выпустила первый SSD-накопитель с использованием технологии 3D XPoint — Intel Optane P4800X^[33].

• Количество произвольных операций ввода-вывода в секунду (IOPS) у SSD на порядок выше, чем у жёстких дисков, за счёт возможности одновременного запуска множества операций и более низкой латентности каждой операции (нет необходимости ожидать оборота диска перед доступом, а также ожидать наведения головки диска на нужную дорожку). Благодаря этому запуск программ и операционной системы происходит значительно быстрее.^{[источник не указан 547 дней]}
• Скорость линейного чтения/записи выше, чем у распространённых жёстких дисков, и в ряде операций может быть близка к пропускной способности интерфейсов (SAS/SATA III 600 МБ/с). Твердотельные накопители могут реализовываться с более быстрыми интерфейсами: SATA III, PCI Express, NGFF (M.2, в вариантах с PCIe), SATA Express, NVM Express (стандарт на подключение SSD по шинам PCI Express), U.2.^{[источник не указан 547 дней]}
• Малые габариты и вес. Для твердотельных накопителей были разработаны более компактные типовые размеры, например mSATA, U.2, NGFF (M.2)^{[источник не указан 547 дней]}.
• Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации.^{[источник не указан 547 дней]}
• Отсутствие движущихся частей, отсюда:
  • полное отсутствие шума;
  • высокая механическая стойкость (кратковременно выдерживают удары с ускорением 1500 g).
• Низкое энергопотребление.
• Намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям^{[комм. 1]}.^{[источник не указан 1884 дня]}
• При условии использования в качестве загрузочного диска на серверах — более высокая по сравнению с HDD надёжность. Это не относится к использованию SSD в качестве хранилища данных. Это было определено в компании Backblaze^[англ.], которая проанализировала поломки SSD и HDD в течение 5 лет эксплуатации. В их анализе SSD показали в три раза более низкий процент отказов при использовании носителя в качестве загрузочного. В отчёте Backblaze нет информации об отказоустойчивости дисков при частой перезаписи больших объёмов данных, также ничего нет про сохранность информации при её длительном хранении^[35].

• Главный недостаток
  PCIe) SSD применяются схемы балансирования нагрузки (wear leveling): контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались, и при необходимости производит запись в менее изношенные блоки^[37]. При выработке реального ресурса банков памяти накопитель может перейти в режим «только для чтения», что позволит скопировать данные^[38][39]. При ряде вариантов использования, в том числе в бытовых компьютерах, при корректно работающих алгоритмах выравнивания износа, ресурс накопителей обычно серьёзно превышает заявленный производителем гарантийный срок службы, в среднем составляющий 5 лет^[40]
  ;
• Скорость записи и ресурс SSD-накопителей значительно зависят от оставшегося свободного пространства. Причина в том, что максимальную скорость записи контроллер обеспечивает за счёт записи в режиме SLC, то есть 1 бит на ячейку, при этом же и выше ресурс. При дальнейшем заполнении SSD контроллер вынужден освобождать ячейки и перезаписывать в них максимальное количество данных (3-4 бита), при этом скорость записи резко падает, накопитель изнашивается. Поэтому для повышения как ресурса, так и скорости, желательно оставлять больше свободного места. В накопителях многих компаний для снижения остроты проблемы сохраняют недоступными для пользователя часть пространства, благодаря чему скорость записи снижается меньше, причём такие теневые блоки памяти используются для замещения выработавших ресурс[41].
• SSD-накопители малоизвестных производителей (англ. noname), продаваемые на онлайн-маркетах, зачастую имеют близкий к нулю ресурс, поскольку являются изношенными майнерами (SSD используются для «плоттинга»), счётчики Smart в них обнуляют специальными программами (Drevitalize, WD Marvel и тому подобными)^[42].
• цена гигабайта SSD-накопителей, несмотря на продолжающееся на протяжении многих лет быстрое снижение, всё ещё в несколько раз (6−7 для наиболее дешёвой флеш-памяти) выше цены гигабайта HDD^[43] (в 2012−2015 годах: менее 0,1 $/ГБ в HDD^{[какой?]} , от 1 до 0,5−0,4 $/ГБ в SSD^[44]). Уравнивание стоимости за единицу объёма SSD и HDD прогнозируется приблизительно к 2019 году^[45], к тому же стоимость SSD практически прямо пропорциональна их ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит не только от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя^[46]. В то же время небольшие по объёму SSD могут быть заметно дешевле, чем жёсткие диски наименьших объёмов, в которых всегда требуется использовать точные механические системы. Это позволяет удешевлять массовые ПК, дешёвые ноутбуки и встраиваемые системы^[47];
• модели накопителей минимального объёма обычно имеют немного более низкую производительность в ряде операций за счёт меньшего параллелизма^[48];
• производительность накопителя зачастую может временно снижаться при записи больших объёмов данных (и исчерпании быстрого буфера записи, например участка памяти, работающего в режиме псевдо-SLC), в процессе работы «сборщика мусора» или при обращении к более медленным страницам памяти^[49];
• применение в SSD-накопителях аппаратной
  команды TRIM для пометки удалённой информации может сильно осложнить или сделать невозможным восстановление удалённой информации соответствующими утилитами. С другой стороны, из-за выравнивания износа нет способа гарантированно удалять отдельные файлы с SSD: возможен лишь полный сброс всего накопителя при помощи команды «ATA Secure Erase». Команда TRIM помечает блоки как свободные, а решение о моменте физического стирания информации определяется прошивкой устройства^[50]
  ;
• возможен выход из строя электронных устройств, в том числе контроллера или отдельных микросхем NAND-памяти либо пассивных компонентов. Среди некоторых моделей выходят из строя до 0,5−2 % SSD накопителей в течение первых лет эксплуатации[51]. В отличие от HDD, выход из строя является внезапным^[52];
• высокая сложность или невозможность восстановления информации после электрических повреждений. Так как контроллер и носители информации в SSD находятся на одной плате, то при превышении или значительном перепаде напряжения могут повредиться несколько микросхем, что приводит к безвозвратной потере информации. Вероятность восстановления данных существует, если повреждён лишь контроллер^[53]; в жёстких дисках восстановление информации с приемлемой трудоёмкостью также возможно только при выходе из строя платы контроллера, при сохранении целостности пластин, механики и считывающего оборудования;^{[источник не указан 420 дней]}
• низкая реальная помехозащищённость операций чтения из ячеек памяти и наличие сбойных ячеек, особенно при изготовлении по самым современным («тонким») техпроцессам, приводит к необходимости использования в контроллерах современных моделей всё более сложных внутренних кодов исправления ошибок:
  латентности отдельных операций.^{[источник не указан 420 дней}
  ]

В ОС Windows 7 была введена специальная оптимизация для работы с твердотельными накопителями. При наличии SSD-накопителей эта операционная система работает с ними иначе, чем с обычными HDD-дисками. Например, Windows 7 не применяет к SSD-накопителю дефрагментацию, технологии SuperFetch и ReadyBoost и другие техники упреждающего чтения, ускоряющие загрузку приложений с обычных HDD-дисков.^{[источник не указан 420 дней]}

Предыдущие версии

Рекомендуется также отключать Prefetch, индексирование, также теряется смысл гибернации, так как скорость загрузки без гибернации приближается к таковой из-за высокой скорости произвольного доступа[56].

Операционная система

С 2010 года компания Apple представила компьютеры линейки Air, полностью комплектуемые только твердотельной памятью на основе флеш-NAND памяти. До 2010 года покупатель мог выбрать для данного компьютера обычный жёсткий диск в комплектации, но дальнейшее развитие линейки в пользу максимального облегчения и уменьшения корпуса компьютеров данной серии потребовало полного отказа от обычных жёстких дисков в пользу твердотельных накопителей.^{[источник не указан 420 дней]}

Объём комплектуемой памяти в компьютерах серии Air составляет от 128 ГБ до 512 ГБ^[58]. По данным J. P. Morgan, с момента представления до июня 2011 года было продано 420 тысяч компьютеров этой серии полностью на твердотельной флеш-NAND памяти^[59].

11 июня 2012 года на основе флеш-памяти был представлен обновлённый модельный ряд профессиональных ноутбуков

• M.2
• Внешний жёсткий диск
• Компьютерная память
• Карта памяти
• Флеш-память
• Гибридный жёсткий диск
  (SSHD)

• Как это работает : Твердотельные накопители //
  ComputerBild
   : журн. — 2010. — № 1. — С. 36—38.
• Дуэль накопителей //
  Chip
   : журн. — 2010. — № 3. — С. 64—67.
• Воленко, Андрей. Современные технологии хранения данных // UP Special : журн. — 2010. — № 9. — С. 36—39. — ISSN 1729-438X.
• Переходим на SSD //
  Chip : журн. — 2010. — № 10. — С. 66—69. — ISSN 1609-4212
  .
• Лебеденко, Евгений. Эволюция SSD-накопителей // Железо : журн. — 2012. — № 11 (104), Ч. 1 (ноябрь). — С. 86—89.
• Лебеденко, Евгений. Эволюция SSD-накопителей // Железо : журн. — 2012. — № 12 (105), Ч. 2 (декабрь). — С. 84—86.
• Обер, Михаил. Выбираем SSD : обзор технологий на рынке и сравнительные тесты // XX hardware LUXX : журн. — 2016. — 2 января. — Электр. изд..
• Jacobi, J. L. The proper care and feeding of SSD storage : [англ.] // PCWorld. — 2013. — 13 May.
• Solid State Storage 101 : An introduction to Solid State Storage : Solid State Storage Initiative : [англ.]. — San Francisco, CA : Storage Networking Industry Association (SNIA), 2009. — January. — 12 p.
• NAND Flash related application market — SSD storage product // 2013 NAND Flash market annual report : [англ.]. — Shenzhen : Shenzhen Flashmarket Information Co., Ltd., 2014. — 10 January. — P. 17. — 23 p.
• Орлов, С. Наступление SSD // Журнал сетевых решений/LAN. — 2010. — № 11 (24 ноября).
• Сравнение скоростей SSD и HDD // PC HARD. — 2012. — 8 февраля.

• Итоги 2021 года: SSD-накопители //
  3DNews
  , 14 января 2022