Полупроводниково (статично) дисково устройство

от Уикипедия, свободната енциклопедия
(пренасочване от Solid state drive)
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. Наименованието „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 електронен 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 възникват 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) се появяват 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 са използвани в ранните суперкомпютри на IBM, Amdahl и Cray, но се използват рядко поради прекалено високата 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 устройство, наречено Bulk Core, което предоставя до 2 MB за съхранение. През 1978 г. Texas Memory Systems въвежда 16 килобайтов RAM SSD, използван от нефтени компании при обработка 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 акумулаторна 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 с 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 с 6 гигабита в секунда (Gbit/s) SATA интерфейс.  

Корпоративни флаш памети[редактиране | редактиране на кода]

Корпоративните (на английски: Enterprise) флаш памети (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-добри характеристики от SSD дисковете, които обичайно се използват 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, отговарящи на тези по-високи стандарти. Няма стандартизационни органи, които контролират определянето на EFDs, така че всеки производител може твърди, че произвежда EFDs, но не е сигурно, че те действително 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 DRAM памет, като от 2009 г. се използва NAND памет.

Контролер[редактиране | редактиране на кода]

Всяко SSD включва контролер, който управлява 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-важните фактори за бързодействието на SSD. Някои от функциите на контролера са:

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

Памет[редактиране | редактиране на кода]

Базирани 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 ѝ 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 след продължителна употреба дори стават по-бавни от стандартните твърди дискове. Този проблем бе решен от контролери, появили се след 2009 година.

DRAM-базирани[редактиране | редактиране на кода]

SSD-та, базирани на променлива памет като DRAM се характеризират със свръх-бърз достъп до данните, най-често под 10 микросекунди, и най-често се използват за ускоряване на приложения, които иначе биха пострадали от латентността на флаш-базираните SSD-та или традиционните твърди дискове. DRAM-базираните SSD-та обикновено включват или вътрешна батерия, или външен AC/DC адаптер и системи за съхранение на бекъп, за да може да се гарантира сигурността на данните когато не се подава захранване към диска от външни източници. Ако спре захранването, батерията ще го осигури докато цялата информация се копира от RAM(random-access memory) към бекъп съхраняване. Когато бъде възстановено захранването, информацията се копира обратно към RAM от бекъпа и SSD-то възстановява нормалната си работа (подобно на хибернацията при модерните операционни системи). SSD-тата от този тип обикновено се комбинират с DRAM модули от същия тип, използвани при нормалните персонални компютри и сървъри, като те могат да се сменят с по-големи модули. Някои производители на DRAM SSD-та директно запояват DRAM чиповете към диска и не предвиждат тези чипове да се сменят - такива са ZeusRAM, Aeon Drive и други.

Докато цените на DRAM продължава да пада, цените на флаш паметите падат значително по-бързо. Точката, при която флаш става по-евтина от DRAM, е около 2004 г.

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. [1]

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.[1][2] 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. [3]

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. [4].

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 физическото оформление, включително вертикално или хоризонтално разположение.[5]

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.[6] 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.[7] 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..[8] Някои SSD дискове са базирани на форм-фактора PCIe и свързват интерфейсите за данни и захранване чрез конектора PCIe към дънната платка.[9] Тези устройства могат да използват или директен флаш контролер PCIe или контролер PCIe-to-SATA който след това се свързва със SATA флаш контролера.[10].

Форм-фактор от тип „Решетъчен масив“ (Ball Grid Array)[редактиране | редактиране на кода]

В началото на 2000 г., няколко фирми въвеждат SSD дисковете с Ball Grid Array форм фактор. M-Systems (сега SanDisk) представят устройството DiskOnChip [11], Silicon Storage Technology[12], започват производство на своя NANDrive диск, а Memoright представят продукта си M1000[13].. Всички тези устройства се отличават с ниска консумация на енергия, малък размер на чипа, който позволява ползването му в по-компактни системи, бидейки поставян директно върху дънната платка. Тази тяхна характеристика допринася за успешното им внедряване във вградените системи, където има рискове от повреди, причинени от вредни условия на работа като шум, вибрации и удари. .[14]

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]

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

Сегашните модели 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 [15]

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[15]. В сегмента на бързите SSD цената на един бит към есента на 2014 г. практически е сравнима с тази при 2,5-инчовите твърди дискове (HDD) от топ ниво със скорост на въртене на шпиндела 15 000 rpm (оборота в минута). Тези SSD ще станат по-евтини от споменатите HDD още през 2016 г, а към 2025 г. се очаква и корпоративните SSD да станат по-евтини от традиционните твърди дискове, прогнозира Toshiba.

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.

Следните файлови системи работят добре с SSD дискове.

Linux systems[редактиране | редактиране на кода]

Файлови системи като ext4, Btrfs, XFS, JFS включват поддръжка на функцията за изтриване(TRIM). Към ноември 2013 г. ext4 може да се препоръча като безопасен избор за файлова система. F2FS е модерна файлова система, оптимизирана за флаш-базирани дискове, и от техническа гледна точка е много-добър избор, но все още е в експериментална фаза.

Във версия 2.6.33 на ядрото на Linux от 24 февруари 2010 г. е въведена поддръжката на операцията TRIM. TRIM позволява на операционната система „да информира SSD дисĸa ĸои блоĸове от данни вече не ce използват и могат да бъдат изтрити“. Без вĸлючена поддръжĸa за TRIM, cĸоростта на SSD дисĸа ce понижава c времето.

Mac OS X[редактиране | редактиране на кода]

Mac OS X версиите след 10.6.8 (Snow Leopard) поддържат TRIM, но само когато се използват с закупен SSD диск от Apple. Има технологии, които дават възможност за активиране на TRIM в по-ранни версии на Mac OS X, макар че не е сигурно дали TRIM функционира правилно при версии преди 10.6.8. TRIM по принцип не е включен автоматично за тристранни дискове, въпреки че той може да бъде включен чрез използване на Trim Enabler.

Microsoft Windows[редактиране | редактиране на кода]

Версиите на Microsoft Windows преди 7 не вземат никакви специални мерки за поддръжката на SSD дискове. При Windows 7 стандартната NTFS файлова система осигурява TRIM поддръжка, докато при други файлови системи не поддържа TRIM.

По подразбиране, Windows 7, 8 и 8.1 изпълняват TRIM команди автоматично, ако устройството се разпознава автоматично, че е SSD диск. За да промените това поведение, в ключ на системния регистър HKEY_LOCAL_MACHINE \ SYSTEM \ CurrentControlSet \ Control \ FileSystem може да зададем стойност на DisableDeleteNotification да е 1, за предотврати драйвера за съхранение на данни от задаване на командата TRIM. Това може да бъде полезно в ситуации, при които възстановяването на данни се предпочита пред изравняването (в повечето случаи, TRIM нулира всичкото останало пространство).

Windows 7, 8, and 8.1[редактиране | редактиране на кода]

Windows 7 има вградена поддръжка за SSD дискове,като с подобно ниво на поддръжка са и Windows 8 и 8.1. Операционната система разпознава наличието на SSD и в съответствие оптимизира операцията.Windows забраняват дефрагментацията на SSD устройствата , SuperFetch и ReadyBoost, като последните две са за време на зареждане и предварителното извличане на операции. Те също така включват поддръжка на командата TRIM, за да се намали работата на garbage collection който събира вече невалидните файли. Без поддръжката на TRIM, SSD няма да бъде наясно с тези данни и ще продължи да презаписва по време на работата на garbage collection докато той събира боклука, което допълнително причинява износване на SSD.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. а б „Solid State Storage 101: An introduction to Solid State Storage“. January 2009. Retrieved 9 August 2010.
  2. Ruth, Gene (2010-01-27). „SSD: Dump the hard disk form factor“. Burton Group. Retrieved 2010-06-13.
  3. Kerekes, Zsolt. „SSD Buyers Guide“. storagesearch.com. Retrieved 2010-06-13.
  4. „SATA M.2 Card“. The Serial ATA International Organization. Retrieved 2013-09-14.
  5. Hachman, Mark. „SSD prices face uncertain future in 2014“. pcworld.com. Retrieved 24 November 2014.
  6. Beard, Brian (2009). „SSD Moving into the Mainstream as PCs Go 100% Solid State“ (PDF). Samsung Semiconductor, Inc. Retrieved 2010-06-13.
  7. „Enterprise SATADIMM“. Viking Technology. Retrieved 2010-11-07.
  8. „SATADOM“. Innodisk. Retrieved 2011-07-07.
  9. Pop, Sebastian. „PCI Express SSD from Fusion-io ioXtreme Is Aimed at the Consumer Market“. Softpedia. Retrieved 9 August 2010.
  10. Pariseau, Beth (16 March 2010). „LSI delivers Flash-based PCIe card with 6 Gbit/s SAS interface“. Retrieved 9 August 2010.
  11. Kerekes, Zsolt. „SSDs“. StorageSearch.com. Retrieved 27 June 2011.
  12. SST announces small ATA solid-state storage devices“. Computer Technology Review. 26 Oct 2006. Retrieved 27 June 2011.
  13. M1000 Specifications“. Memoright. Retrieved 2011-07-07.
  14. Chung, Yuping (19 Nov 2008). „Compact, shock- and error-tolerant SSDs offer auto infotainment storage options“. EE Times. Retrieved 27 June 2011.
  15. а б SSD-тата поевтинели с 300% за три години. // Посетен на 8 януари 2013., technews.bg


Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното Лиценз за свободна документация на ГНУ Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Solid-state_drive“ в Уикипедия на английски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година — от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница. Вижте източниците на оригиналната статия, състоянието ѝ при превода, и списъка на съавторите.