Полупроводниково (статично) дисково устройство

от Уикипедия, свободната енциклопедия
(пренасочване от Твърдотелен диск)
Направо към: навигация, търсене
Компоненти на твърди дискове в разглобено състояние: на HDD (ляво) и на SSD (дясно)
mSATA SSD

Полупроводниково дисково устройство (на английски: Solid state drive, SSD) или статично дисково устройство (буквално „твърдотелно дисково устройство“) е енергонезависима компютърна памет, основаваща се на технологията на флаш-паметите. За разлика от традиционните (към 2012 г.) твърди дискове с движещи се части (HDD), SSD не съдържат подвижни механични части. Наменованието „solid state“ се дължи на исторически причини и априори в електронната техника означава, че като градивен материал за устройството е използван полупроводник (силиций) и то не представлява вакуумен прибор). В днешни дни понятието „solid state device“ е разширило смисъла си, за да обхване и устройствата без движещи се части, поради което в случая е подходящ и българският термин „статично устройство“.

Развитие и история[редактиране | редактиране на кода]

Ранни  SSD дискове, използващи RAM и подобна технология[редактиране | редактиране на кода]

Ранните SSD дискове са възникнали през 1950 г. чрез две технологии: магнитноядрена памет ​​и кондензаторни „read only“ устройства за  съхранение на информация (CCROS). Тези спомагателни блокове памет (както съвременници ги наричат) са се появили по време на ламповите компютри. С въвеждането на по-евтини  барабанни устройства за съхранение на информация използването им се преустановява. 

По-късно, през 1970 и 1980 г., SSD  бяха приложени в полупроводниковата памет на ранни суперкомпютри на IBM, Amdahl и Cray,  но се използват рядко поради прекалено високата им цена. В края на 1970 г. General Instruments произвеждат електрически променлив ROM (EAROM), който се прилага в по-късната NAND флаш памет. През 1976 г. Dataram започва продажба на един продукт, наречен Bulk Core, който предоставя до 2 MB устройство за съхранение съвместим. През 1978 г. Texas Memory Systems въвежда 16 килобайтов RAM SSD, използван от нефтени компании за придобиване на сеизмични данни. На следващата година StorageTek разработва първия RAM твърд диск.

Sharp PC-5000, представен през 1983 г.,  използва 128-килобайтови твърдотелни касети за съхранение. През 1984 г. Tallgrass Technologies Corporation имат лентово устройство за съхранение на данни 40 MB и вградено  твърдотелно устройство 20 MB, като 20 MB модул може да се използва вместо твърд диск.  През септември 1986 г. Santa Clara Systems представя BatRam, 4 мегабайтова система за съхранение на данни, която може да се разширява до 20 MB, като се използват 4 MB модули памет. Пакетът включва презареждаща се батерия, за да се запази  съдържанието на чипа, при липса на захранване. През 1987 г. EMC Corporation (EMC) навлиза на пазара на SSD с устройства, предназначени за пазара на мини-компютрите. Въпреки това, от 1993 EMC  излиза от пазара на SSD.

Софтуерно базирани RAM дискове все още се използват от 2009 г., тъй като са много по-бързи от другите технологии, въпреки че консумират ресурси на процесора и 1 GB памет струва много повече. 

Флаш-базирани SSD дискове[редактиране | редактиране на кода]

През 1983 г. Psion MC 400 Mobile Computer включва четири слота за преносима памет под формата на флаш-базирани твърдотелни дискове, използвайки същия вид карти флаш-памет, използвани от Psion Series 3. Флаш модулите имат ограничението, че трябва да се реформатират изцяло, за да възстановят мястото от изтрити или променени файлове. Стари версии на файлове, които са били изтрити или променени, продължават да заемат място, докато модулът не бъде форматиран.

През 1991 г. SanDisk Corporation създава 20 MB твърдотелно устройство (SSD), която се продава за $ 1000.

През 1994 г. STEC Inc. купува  Cirrus Logic флаш контролер, което позволява на компанията да навлезе в бизнеса с флаш памет за потребителски електронни устройства. 

През 1995 г. M-Systems представя флаш-базирани твърдотелни дискове. Те имат предимството, че не се изискват батерии за поддържане на данните в паметта (изисквани от предходни  системи), но не са били толкова бързи, колкото на DRAM-базирани решения. Оттогава SSD дискове се използват успешно като алтернатива на HDD от военните и в космическата индустрия, както и за други критични приложения. Те се прилагат заради тяхната способност да издържат на екстремни  удари, вибрации и температурни разлики. 

През 1999 г. BiTMICRO прави редица нововъведения и съобщения за флаш-базирани SSD дискове, включително и 18 GB 3,5-инчов SSD. 

През 2007 г. Fusion-IO обяви PCIe-базирани SSD с 100 000 входно-изходни операции в секунда (IOPS) на производителността в една карта, с капацитет до 320 гигабайта. 

На Cebit 2009 OCZ Technology демонстрираха 1 терабайт (TB) флаш SSD използваща  PCI Express х 8 интерфейс. Той постига максимална скорост на запис от 654 MB/s и максимална скорост на четене от 712 MB/s. 

През декември 2009 г. Micron Technology обяви SSD, ползващ 6 гигабита в секунда (Gbit/s) SATA интерфейс.  

Enterprise флаш памети[редактиране | редактиране на кода]

Enterprise флаш паметите (EFDs) са предназначени за приложения, изискващи висока I/O производителност (IOPS), надеждност, енергийна ефективност и най-вече безпроблемна работа. В повечето случаи един EFD е SSD с по-висок набор от характеристики в сравнение с SSD дискове, които обикновено са използвани в преносимите компютри. Терминът се използва за първи път от EMC през януари 2008 г., за да им помогне да идентифицират производители на SSD, които ще предоставят продукти, които отговарят на тези по-високи стандарти. Няма стандартизационни органи, които контролират определянето на EFDs, така че всеки производител SSD може твърди, че произвежда EFDs, докато  те действително не отговарят на изискванията. 

Архитектура и начин на работа[редактиране | редактиране на кода]

Ключовите компоненти на всяко SSD са контролерът и паметта за съхраняване на данни. Основният компонент на паметта е бил DRAM памет, като от 2009г. по.место се използва NAND памет.

Контролер[редактиране | редактиране на кода]

Всяко SSD включва в себе си контролер, който имплементира електрониката, необходима за свързване на NAND компонентите от паметта с хост компютъра. Контролерът представлява вграден процесор, който изпълнява код на Firmware ниво, което го прави един от най-основните фактори за бързодействието на SSD. Някои от функциите на контролера:

Производителността на едно SSD е пропорционална на количеството паралелни NAND чипове, използвани в устройството. Единичен NAND чип е относително бавен поради тесния (8/16 бита) асинхронен I/O интерфейс, както и допълнителна висока латентност при основни I/O операции. Когато множество NAND устройства работят паралелно в едно SSD, честотата се скалира и високата латентност може да се скрие, стига да има достатъчно чакащи операции и натоварването е разпределено поравно между различните устройства.

Памет[редактиране | редактиране на кода]

Базирана на флаш-памет[редактиране | редактиране на кода]

Повечето производители на SSD използват енергонезависима NAND флаш-памет при изработката на своите SSD-та заради по-ниската цена в сравнение с DRAM и способността й да запазва данните си дори и без постоянен източник на енергия, което гарантира сигурност на данните дори и при внезапни изключвания на захранването. SSD-та, базирани на флаш памет, са по-бавни от DRAM решенията, а някои по-ранни модели дори стават по-бавни от стандартните твърди дискове след продължителна употреба. Този проблем бе решен от контролери, появили се през 2009 година и по-късно.

Конфигурации[редактиране | редактиране на кода]

Размерът и формата на всяко устройство се дължат до голяма степен на размера и формата на компонентите, използвани за направата му. Традиционните твърди дискове са разработени на основата на въртящите се информационни носители, заедно с мотора (шпиндела) вътре в корпуса. В случай, че SSD се състои от свързани по между си различни интегрални схеми посредством интерфейс конектор, то формата на устройството (форм-факторът) може да бъде всякаква, защото вече не се ограничава от формата на въртящите се вътрешни елементи. Някои SSD дискове се произвеждат с по-големи шасита, като по този начин могат да бъдат монтирани на стелажи, където да бъдат подредени и използвани едновременно няколко подобни устройства. Това може да се постигне чрез свързването им с една обща шина в шасито и след това могат да бъдат ползвани с един общ конектор.

Най-често в практиката се прилагат дискове с 2.5-инчов форм-фактор (най-често използвани при лаптопите). За настолните компютри със слот за 3.5-инчов диск се използва планка, към която се прикрепя по-малкото 2.5-инчово устройство. Други видове форми и размери на SSD устройствата могат да бъдат открити при прилагането им в специфични корпоративни проекти. От 2014 г., mSATA и M.2 форм-факторите също набират популярност, най-вече сферата на лаптопите.

Стандартни HDD форм-фактори[редактиране | редактиране на кода]

Ползата от използването на популярните форм-фактори като на HDD устройства се изразява в удобството при свързването и монтирането им към останалият хардуер. Тези традиционни конфигурации се определят според съответната големина на въртящият се информационен носител при HDD устройствата, например, 5.25-инчов, 3,5-инчов, 2,5-инчов и 1.8-инчов, а не според размерите на корпуса на самото устройство.

Стандартни форм-фактори от тип карта[редактиране | редактиране на кода]

За устройства, при които физическите размери са от особена важност, като например ултрабуците или таблетите, се прилагат няколко по-компактни форм-фактора, специално стандартизирани за флаш-базирани SSD дискове.

Форм-факторът mSATA използва физическите параметри на PCI Express Mini Card. Той е електрически съвместим със спецификацията на интерфейса PCI Express Mini Card, като същевременно изисква допълнителна връзка към хост контролер SATA през същия конектор.

М.2 форм-факторът, преди време известен като Next Generation Form Factor (NGFF), е естествен преход от mSATA, използвайки неговото физическото оформление, ставайки по-лесен за използване и по-напреднал форм-фактор. При създаването си mSATA постави началото при използването на подобен форм-фактор и конектор, а М.2 е проектиран да максимизира използването на пространството на картата. Стандартът М.2 позволява както SATA, така и PCI Express SSD дискове, да бъдат монтирани върху M.2 модули.

Форм-фактор от тип диск-модул[редактиране | редактиране на кода]

Диск-модулът (на английски: Disk-on-a-module) представлява флаш устройство с памет, което има 40/44-пинов паралелен ATA (PATA) или SATA интерфейс, предназначен да бъде включен директно в дънната платка и по този начин се използва като обикновен твърд диск (HDD). Преобразувателят от флаш към IDE симулира работата на твърд диск (HDD) , така че диск-модулите могат да бъдат ползвани без допълнителен софтуер или драйвери. Използват се най-често в областта на вградените системи (на английски: Embedded system), които често са внедрени в по-големи системи, подложени на тежки условия, където обикновените твърди дискове просто биха се повредили. Използват се също и при системи с по-малки размери, където компактният размер, ниската консумация на електрическа енергия и ниските нива на шум при функциониране са от голямо значение.

От 2010 г. насам, капацитетите за съхранение на този тип форм-фактор варират от 32 MB до 64 GB с различни вариации във физическите оформления, включително вертикално или хоризонтално разположение.

Форм-фактор от тип "Bare-board" (непокрита платка)[редактиране | редактиране на кода]

Този форм-фактор се използва най-често за добавяне на модули с RAM памет. В последно време все по-често се добавят и SSD устройства с този форм-фактор, възползвайки се от гъвкавостта на тази нова технология. Някои от тях включват PCIe, мини PCIe, мини-DIMM, MO-297, както и много други формати. Например SATADIMM платката от Viking Technology използва празен DDR3 DIMM слот на дънната платка, която осигурява захранването на SSD с отделен SATA конектор, за да осигури връзката на данните с компютъра. В резултат на това SSD устройството е лесно за инсталиране и с капацитет равен на дискове, които обикновено заемат слотът за 2.5-инчово устройство. Друг пример е производителят Innodisk, който е произвел устройство, което се включва директно в SATA конектора (SATADOM) на дънната платка, без да е необходим захранващ кабел. Някои SSD дискове са базирани на форм-фактора PCIe и свързват интерфейсите за данни и захранване чрез конектора PCIe към дънната платка. Тези устройства могат да използват или директен флаш контролер PCIe или контролер PCIe-to-SATA който след това се свързва със SATA флаш контролерът.

Предимства[редактиране | редактиране на кода]

Предимства на полупроводниковите дискови устройства пред устройствата с твърд диск:

  • по-издръжливи са на вибрации и механични смущения (удари, изпускания);
  • напълно безшумни са;
  • липсват вибрации при работа;
  • използват доста по-малко енергия (поради липсата на механика);
  • не се нагряват;
  • значително по-бързи са – технологията им позволява да имат почти нулево време за търсене на „сектор“ с информация и много по-добри времена за запис и четене от конвенционалните твърди дискове с въртящи се пластини и магнито-резистивни глави;
  • имат много по-голяма плътност на единица площ (позволява създаването на малки по обем, но големи като капацитет дискове).

Недостатъци[редактиране | редактиране на кода]

Недостатъци:

  • На първо място – все още по-високата цена;
  • имат ограничен живот (брой записи).

Сегашните модели обаче издържат при нормални условия до 20 години. Цената на гигабайт SSD (полупроводниково дисково устройство) от 2010 до 2012 г. е намаляла от 3 на 1 долар, или три пъти [1]

Вследствие на постоянното намаляване на цената, полупроводниковите дискови устройства се доближават, но все още остават по-скъпи от традиционните: един SSD с капацитет 300-600 GB към декември 2012 г. е два пъти по-скъп от 2,5-инчов HDD 500 GB за лаптоп[1] В сегмента на бързите SSD цената на един бит към есента на 2014 г. практически е сравнима с тази при 2,5-инчовите HDD от топ ниво със скорост на въртене на шпиндела 15 000 rpm (оборота в минута). Още през 2016 г. тези SSD ще станат по-евтини от споменатите HDD. Очаква се към 2025 г. и корпоративните SSD да станат по-евтини от традиционните твърди дискове (HDD), прогнозира Toshiba[1].

Приложения[редактиране | редактиране на кода]

До 2009 година, SSD устройствата се използват главно там, където е необходимо скоростта на системата за запис да бъде възможно най-висока. С превръщането на флаш паметта в обичаен компонент за SSD, намаляването на цените и увеличаването на плътността на запис те стават все по-рентабилни и намират много други приложения. По-бързият достъп до данните е от полза за финансови дружества, телекомуникационни компании, показване и редактиране на поточно видео.

Файлови системи[редактиране | редактиране на кода]

SSD дисковите устройства обикновено използват същите файлови системи, както и твърдите дискове. Необходимо е файловата система да поддържа командата TRIM, с която се обработват неупотребяваните данни. Някои видове флаш файлови системи (например F2FS, JFFS2) спомагат за намаляване на записа на информация върху SSD, особено когато се променя само много малък обем данни, например при актуализиране на файловата система или обработка на метаданни.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. а б в SSD-тата поевтинели с 300% за три години. // Посетен на 8 януари 2013., technews.bg