Ldpc ssd что это
Обновлено: 04.07.2024
Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, речь не о новом супергеройском трио из Вселенной Marvel. Это всё про наши с вами драгоценные цифровые данные. Нам нужно хранить их в надежном и постоянном месте, чтобы была возможность заполучить, либо изменить наши файлы в мгновение ока. Забудьте о Железном Человеке и Торе — сегодняшний рассказ о накопителях!
Это одна из частей цикла статьей по компьютерному железу (подраздел накопителей). Предыдущая статья.
В то время, как транзисторы произвели революцию в компьютерах, позволив увеличить скорость, с которой схемы могли переключаться и выполнять математические операции: использование полупроводников в накопителях было направлено на получение того же результата.
Первые шаги в данном направлении были сделаны компанией Toshiba, которая предложила концепцию флэш-памяти в 1980 году. Спустя 4 года появилась NOR-память, а затем NAND-память в 1987 году. Первый же коммерческий накопитель с флэш-памятью, твердотельный накопитель (SSD) был выпущен компанией SunDisk (позже названной SanDisk) в 1991 году.
Многие люди впервые познакомились с твердотельными накопителями в форме так называемых USB-флешек. И сегодня их базовая структура показывает то, как собирается большинство твердотельных накопителей.
Слева находится чип флэш-памяти SanDisk NAND. Точно так же, как и SRAM он используется в кэше ЦП и ГП. Он заполнен миллионами «ячеек» сделанных из модифицированных транзисторов с плавающим затвором. В них используется высокое напряжение для записи и стирания заряда в отдельных местах на транзисторе. Когда происходит считывание ячейки, в эту область подается пониженное напряжение.
Если ячейка не заряжена, то при подаче этого низкого напряжения протекает ток. Это сообщает системе, что ячейка имеет состояние 0, и наоборот для состояния 1 ( когда подается напряжение, ток не течет). Поэтому чтение из NAND flash происходит очень быстро, однако для записи и удаления скорости не так уж и высоки.
Лучшие ячейки флэш-памяти — одноуровневые ячейки (SLC) обладают лишь одним уровнем заряда, применяемого на участке транзистора. Но существуют ячейки памяти с несколькими уровнями заряда. Они известны как многоуровневые ячейки (MLC), но в индустрии флэш-памяти NAND MLC обозначаются 4 уровнями заряда. Другие типы названы аналогично: трехуровневый (TLC) и четырехуровневый (QLC) имеют 8 и 16 различных уровней заряда соответственно.
Это влияет на то, сколько данных может храниться в каждой ячейке:
- SLC-1 Уровень = 1 бит
- MLC-4 уровня = 2 бита
- TLC-8 уровней = 3 бита
- QLC-16 уровней = 4 бита
И так далее. Похоже, QLC — самое лучшее, да? К сожалению, нет. Поскольку потоки электрического тока очень малы и чувствительны к электрическому шуму, то для определения и подтверждения состояния заряда, его необходимо считывать несколько раз. Короче говоря, SLC — самый быстрый, но занимает наибольшее количество физического пространства; QLC — самый медленный, но вы получаете больше битов за деньги.
В отличие от SRAM и DRAM, при отключении заряд сохраняется и утечка происходит очень медленно. В случае системной памяти ячейки сливаются за наносекунды и из-за этого должны постоянно обновляться. К сожалению, использование напряжения и подачи заряда повреждает ячейки, поэтому твердотельные накопители со временем изнашиваются. Для борьбы с этим используются процедуры для минимизации скорости износа — равномерное использование всех ячеек.
Эта функция исполняется управляющим чипом (справа), который также выполняет те же задачи, что и чип LSI, который мы видели в жестком диске. Стоит отметить, что у приводов с вращающимся дисками есть отдельные чипы для кэша DRAM и ПО Serial Flash, а в USB флешке оба эти контроллеры встроены. И поскольку их цена и изготовление являются дешевыми, многого от них не ждите.
Благодаря отсутствию движущихся частей, можно ожидать производительность лучше чем у жестких дисков. Давайте взглянем на данные с CrystalDiskMark:
На первый взгляд результаты кажутся неутешительными. Скорость последовательного чтения/записи и случайной записи намного хуже, чем у протестированного жесткого диска; но произвольное чтение намного лучше, и это преимущество, которое предлагает флэш-память. Хоть запись и удаление данных производятся довольно медленно, но чтение обычно происходит почти моментально.
В этом тесте есть то, что не бросается сразу на первый взгляд. Тест USB памяти использует соединение по стандарту USB 2.0 с максимальной скоростью передачи данных всего 60 Мб/с, а жесткий диск с портом SATA 3.3 обладает пропускной способностью в 10 раз больше. Да и используемая технология флэш-памяти довольно проста: ячейки типа TLC, выстроенные длинными полосами параллельно, по другому говоря плоская или 2D компоновка.
Флэш-память, используемая в лучших SSD сегодня — SLC или MLC, они работают немного быстрее и изнашиваются медленнее, а полосы согнуты пополам и укладываются вертикально, образуя тем самым вертикальную или 3D структуру ячеек. Также в них применятся интерфейс SATA 3.0, хотя все чаще используют более быструю систему PCI Express через интерфейс NVMe.
Давайте рассмотрим один из таких примеров: Samsung 850 Pro с использованием «вертикального расположения».
В отличие от нашего тяжелого 3,5-дюймового накопителя Seagate, этот SSD имеет ширину всего 2,5 дюйма и он намного тоньше и легче.
Откроем его (Спасибо Samsung за использование таких дешевых винтов Torx, которые почти что развалились при их извлечении), и вы поймете, почему:
В нем почти ничего нет!
Ни дисков, ни рычагов привода, ни магнитов — только одна печатная плата с горсткой микросхем.
Так что же тут у нас? Крошечные черные чипы — регуляторы напряжения, но все остальное это:
- Samsung S4LN045X01-8030: 3-ядерный процессор на базе ARM Cortex R4, который обрабатывает инструкции, данные, исправление ошибок, шифрование и управление износом
- Samsung K4P4G324EQ-FGC 2: 512 Мб памяти DDR2 SDRAM, используемой для кэширования
- Samsung K9PRGY8S7M: каждый чип представляет собой 64 Гб 32-слойной вертикальной флэш-памяти NAND типа MLC (суммарно 4 чипа, два находятся на другой стороне платы)
В нашем распоряжении 2-битные ячейки флэш-памяти, несколько чипов памяти и много кэша, что должно привести к повышению производительности. Почему? Помните, что запись данных во флэш-память происходит довольно медленно, но наличие нескольких флэш-чипов позволяют выполнять запись параллельно. В USB-накопителе нету большого количества DRAM для хранения данных, готовых к записи, поэтому большой отдельный чип тоже должен был помочь. Вернемся же к CrystalDiskMark…
Поразительное улучшение. Пропускная способность как чтения, так и записи заметно выше, а задержки намного меньше. Что может не нравится? SSD — более мелкие по размеру, легкие по весу, без подвижных частей, потребляют меньше электроэнергии, чем дисковые накопители.
Конечно, за преимущества приходится платить определенную цену, в буквальном смысле: помните, что за 350 долларов вы бы могли купить жесткий диск на 14 Тб? В случае с SSD, за эту сумму вы получите только лишь 1 или 2 Тб. Если вам нужен такой же уровень хранения данных, лучшее, что можно получить на рынке, это потратить 4300 долларов за один твердотельный накопитель корпоративного уровня объемом в 15,36 Тб!
Некоторые производители выпускали гибридные жесткие диски — стандартный жесткий диск с небольшим количеством флэш-памяти на печатной плате, которая используется для хранения часто используемых данных на дисках. Ниже мы наблюдаем такую плату из гибрида Samsung на 1 Тб (так называемый SSHD).
В правом верхнем углу платы находится чип NAND и его контроллер. Все остальное в значительной степени совпадает с моделью Seagate, которую мы рассматривали ранее.
Используем же CrystalDiskMark в последний раз, дабы увидеть, есть ли польза от использования флэш-памяти в качестве кэша. Но сравнение будет несправедливым, поскольку скорость вращения дисков в этом приводе 7200 об / мин (в то время как у WD, который мы вскрывали — всего лишь 5400 об / мин):
Цифры немного выше, однако связано это с более высокой скоростью вращения — чем быстрее диск перемещается под головками чтения/записи, тем быстрее передаются данные. Стоит также отметить, что файлы, сгенерированные в тесте бенчмарка, не будут помечены алгоритмом как активно считываемые, поэтому сомнительно, что контроллер будет правильно использовать флэш-память.
Тем не менее, более скрупулёзное тестирование показало общее улучшение производительности HDD с использованием встроенного SSD. Однако дешевая флэш-память, скорее всего, выйдет из строя задолго до того, как это сделает качественный жесткий диск. В связи с этим, гибридные накопители не стоят внимания — в любом случае индустрия производства накопителей гораздо больше заинтересована в твердотельных накопителях.
Прежде чем мы продолжим, стоит отметить, что флэш-память — не единственная технология, используемая в твердотельных накопителях. Intel и Micron совместно изобрели систему под названием 3D XPoint. Вместо записи и стирания зарядов в ячейках для создания состояний 0 и 1, ячейки меняют свое электрическое сопротивление для генерации битов.
Intel оформила данную технологию под брендом Optane, и когда мы ее тестировали, производительность была выдающиеся. Как и цена, но в плохом смысле. Накопитель Optane объёмом в 1 Тб обойдется вам более чем в 1200 долларов, что в четыре раза дороже стоимости SSD аналогичного размера.
В конце 2018 года на рынке появились первые SSD на чипах памяти QLC. Компания Samsung презентовала новую линейку QVO, но еще активнее оказались китайцы. Мелкие фирмы наводнили торговые площадки дешевыми твердотельными накопителями. Взять 1 ТБ памяти QLC на AliExpress уже можно примерно за $100.
Дешевизна – это хорошо, но без ложечки дегтя тут не обошлось. Кроме лучшего соотношения цены и емкости, память QLC отличается от предшественников и другими показателями, причем, в худшую сторону.
Что такое QLC
QLC расшифровывается как «quad level cell» и в переводе означает «четырехуровневая ячейка». Как и следует из названия, такая ячейка памяти содержит в себе сразу 4 бита данных. Это больше, чем у TLC (3 бита), MLC (2 бита) и SLC (1 бит). Соответственно, один чип такой памяти может вместить до 4 раз больше информации. Так как производство нового чипа обходится не сильно дороже, чем SLC, MLC или TLC, в расчете на единицу объема конечная стоимость SSD выходит ниже.
У одноуровневой памяти SLC есть всего два значения на ячейку: напряжение есть (1) и напряжения нет (0). У двухуровневой MLC таких значений уже 4: по паре 0 и 1 для первого и второго уровня (комбинации 00, 01, 10, 11). Соответственно, чтобы записать сразу 4 бита в одну ячейку, нужно поддерживать 16 значений (0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111 и т.д.). Именно эта сложная структура и порождает побочные эффекты.
Скорость работы
Из-за того, что ячейка содержит несколько бит, скорость доступа к ней и ее чтения значительно снижается. Если в SLC контроллеру достаточно знать, есть там напряжение или нет, то в QLC требуется определить его уровень, сопоставить с числовым значением (те самые 0000, 0001, 0010 и т.д.), чтобы узнать значение запрашиваемого бита. Это несколько замедляет общую скорость работы, хоть и не на порядки.
Гораздо хуже ведет себя память на чипах QLC при записи данных. В ее ходе диску приходится неоднократно считывать значение ячейки, чтобы узнать предыдущее состояние, изменить его с учетом изменения значения на одном из уровней, и записать. Эти операции отнимают время, из-за чего скорость проседает.
Чтобы компенсировать снижение быстродействия, производители SSD используют кэш. Он представляет собой участок памяти, работающий в SLC режиме, а потому и весьма быстрый. Однако он «не резиновый», и при записи больших массивов данных (вроде копирования фильмов) не спасает.
Просадка скорости после окончания кэша © hardwareluxx Просадка скорости после окончания кэша © hardwareluxxИз-за того, что без помощи кэша SSD становится медлительным, тестирование в бенчмарках может не отражать реальной скорости работы диска. То есть, Crystal Disk Mark может показывать скорость линейной записи SATA диска на уровне 550 МБ/с (ограничение шины SATA III), но если попытаться залить на накопитель коллекцию фильмов – скорость окажется всего 100 МБ/с.
Ресурс записи
Микроскопические транзиторы, из которых состоят чипы, имеют ограниченный ресурс. Под воздействием тока они постепенно деградируют, теряя чувствительность. Поэтому каждый акт записи данных в ячейку дается ей с большим трудом, чем предыдущий. Когда ресурс кончается, в ячейку уже ничего не запишешь, потому что она оказывается нечувствительной к воздействующему току.
У чипов SLC памяти, которая имеет всего два состояния, износ наступает поздно. А вот QLC, у которой этих состояний аж 16, деградация происходит гораздо быстрее. Ведь ячейка, конструкция которой принципиально не отличается от SLC (тот же транзистор, удерживающий электронный заряд), подвергается нагрузкам в разы чаще.
Если одноуровневая ячейка не хочет писать данные, можно просто поднять напряжение. С многоуровневыми чипами этот номер не проходит, так как большее значение тока уже означает другое состояние. В итоге, если вместо значения 0010 запишется 0011, данные окажутся записаны неверно, файл будет поврежден.
Точный ресурс четырехуровневых ячеек назвать сложно, так как он зависит от конкретного чипа, но нередко это менее 1000 циклов записи. То есть, если 1000 раз подряд забивать SSD данными и форматировать его – диск перейдет в режим «только чтение».
Специфика применения
Из-за ограниченного ресурса SSD с памятью QLC нежелательно использовать в качестве системного накопителя под ОС. Конечно, свой гарантийный срок он отработает даже при активной эксплуатации, но в постоянно нагруженных системах такие диски долго не протянут. Ведь даже трехуровневая память TLC, при использовании в них, показывает не лучшую долговечность.
Использовать новые бюджетные SSD можно в качестве файлового хранилища. Если держать на них фильмы, музыку, фотографии, устанавливать игры – такого диска хватит надолго. Поэтому, если ваши задачи именно такие, можно смело покупать бюджетные твердотельные накопители на чипах QLC вместо традиционного жесткого диска.
Невысокая скорость тоже является минусом SSD с памятью QLC. Из-за нее сфера их применения ограничивается еще сильнее. Если вы хотите проапгрейдить ноутбук, имеющий только один разъем для накопителя, новые четырехуровневые твердотельные диски будут явно не лучшим вариантом. Желательно переплатить, или взять объем поменьше, но на более долговечной и скоростной памяти MLC или TLC.
Гораздо больше пространства для маневра предоставляют настольные ПК. Большинство современных материнских плат оснащается слотами M.2 для установки скоростного SSD. Если собирать компьютер на такой материнке, наилучшим компромиссом между ценой, объемом, скоростью и надежностью будет приобретение двух накопителей.
Для установки системы и приложений желательно купить M.2-диск на 120-256 ГБ, содержащий чипы MLC или 3D TLC. На роль второго накопителя, в качестве которого еще часто используют HDD, отлично подойдет недорогой SSD на 0,5, 1, 2 ТБ, или сколько вам нужно.
Многие знают, что SSD накопители могут значительно ускорить работоспособность любого компьютера, а также положительно повлиять на отдельно взятые процессы. В данной публикации я расскажу, какие бывают SSD накопители, чем они отличаются, и на какие характеристики стоит обратить внимание при выборе SSD для вашего компьютера.
Содержание
Какие бывают форм-факторы SSD
На данный момент существует три форм-фактора SSD накопителей, также стоит упомянуть, что бывают внешние SSD, которые подключаются по средствам USB к компьютеру, но в рамках этой публикации мы о них говорить не будем. Впрочем, что касается нижеупомянутых характеристик, то они также применимы и к внешним SSD накопителям.
Формат 2,5
Это один из самых распространенных форматоров (2,5 это размер, указанный в дюймах). Изначально такой формат использовался в жестких дисках, которыми комплектовались ноутбуки. Затем, в таком же формате начали выпускать твердотельные SSD, таким образом, старые ноутбуки можно легко модернизировать, а производителям не пришлось разрабатывать что-то принципиально новое. Вследствие этого у жестких дисков и твердотельных SSD одинаковые разъемы питания и разъем подключения к материнской плате SATA. Также здесь стоит отметить, что преимущественно все SSD накопители формата 2,5 имеют алюминиевый корпус, который хорошо справляется с отводом тепла. На мой взгляд, интерфейс SATA уже устарел и не позволяет реализовать скоростные возможности SSD технологий. Также в таких больших габаритах современные накопители абсолютно не нуждаются.
Формат mSATA
По своей сути формат mSATA – это реализация формата 2,5, только без большого типового корпуса. Этот тип SSD накопителей изготовлен на небольшой плате, однако интерфейс передачи данных остался стандарта SATA.
Формат M.2
M.2 это уже современный формат накопителей, он имеет вид небольшой платы с чипами, которая напрямую подключается к материнской плате. Изначально эти накопители устанавливали только в ноутбуки, однако сейчас они широко применяются во всех компьютерах. Преимуществом такого решения является отсутствие различных проводов, а также нет необходимости заключать SSD накопитель в какой-либо специальный корпус. А вот к минусам такого формата можно отнести отсутствие радиатора охлаждения. Однако, при желании или необходимости радиатор всегда можно приобрести отдельно. На сегодняшний день выбор SSD накопителя формата M.2, на мой взгляд, является самым оптимальным решением. При покупке учтите, что эти накопители имеют разную маркировку, к примеру, 2280, 2260, 2230. По сути, это обозначение размеров накопителя, первые два числа никогда не меняются и обозначают ширину накопителя в миллиметрах, а вторые два отображают его длину.
Формат PCI Express
Накопители такого формата подключаются напрямую к материнской плате в слот PCI Express. Однозначным плюсом такого решения является наиболее высокая скорость передачи данных, благодаря использованию интерфейса PCIe x8. Такое решение достаточно дорогое и часто используется в серверных компьютерах, а также стоит учесть, что такого рода накопитель занимает много места в ПК и один слот PCI Express.
Что такое NVMe и в чем разница от SATA
В накопителях с форматом 2,5 и mSATA используется исключительно интерфейс SATA, также в накопителях PCI Express соответственно тоже используется только один интерфейс PCI Express. А вот в накопителях формата M.2 могут использоваться оба вышеупомянутых варианта, и здесь при выборе стоит отдавать предпочтение более быстрому PCIe.
SATA — это уже относительно старый интерфейс, который ограничен скоростью передачи данных до 600 Мбайт/сек. Для обычных жестких дисков такой скорости вполне хватает, а вот для современных чипов памяти это уже серьезное ограничение. Поэтому обратите внимание, что даже накопитель формата M.2, который использует для передачи данных интерфейс SATA, является не самым быстрым вариантом.
NVMe – это уже более современный протокол, который физически используется с разъемом M.2, но по факту для передачи данных использует шину PCIe, что позволяет значительно расширить скоростные характеристики накопителя.
Версии PCIe
Стоит выделить две версии PCIe 3.0 и PCIe 4.0 они в первую очередь отличаются скоростью передачи данных. Версия 4.0 превышает скорость передачи данных в два раза по сравнению с версией PCIe 3.0. И здесь вырисовывается следующая картина: как я и говорил выше, максимально возможная скорость для SATA III составляет всего 600 Мбайт/сек. При этом, один канал PCIe x1 обеспечивает скорость до 1,969 Гбайт/с. Таким образом, SSD накопитель формата M.2 использующий для передачи данных интерфейс PCIe x4 обеспечивает скорость почти 8 Гбайт/с, что более чем в тринадцать раз больше SATA III. А это уже действительно существенная разница.
Параметр IOPS
IOPS крайне важный параметр, который влияет на скорость. Здесь стоит отметить, что мы уже разобрались как интерфейсы влияют на скорость передачи данных. Однако, параметр IOPS отвечает за задержку, которая образуется при попадании и извлечении данных с накопителя. Если вспомнить, как работают HHD накопители, то станет более очевидно, откуда возникает задержка IOPS. В HDD устройствах, для того чтобы записать или прочитать данные, накопитель должен прокрутить диск на определенное место, что занимает промежуток времени. Чем выше этот параметр, тем лучше. К примеру, у HDD накопителей этот параметр измеряется в десятках и в сотнях, в SSD устройствах IOPS измеряется десятками, а в некоторых случаях сотнями тысяч.
Что такое SLC, MLC, TLC, QLC
Разница заключается в том, насколько плотно упаковывается информация в одну ячейку памяти. Таким образом, чем плотнее упаковывается информация, тем больше объем накопителя при относительно одинаковой конечной стоимости. Однако плотность упаковки данных может влиять на скорость накопителя в целом.
SLC – это достаточно дорогой тип памяти, и один из самых быстрых, в памяти этого типа один бит данных размещается на одной отдельно взятой ячейке памяти. Также стоит выделить высокую энергоэффективность данного типа памяти.
MLC – в памяти этого типа в одной ячейке можно разместить уже два бита данных, таким образом, увеличивается плотность упаковки данных и снижается условная стоимость 1 гигабайта памяти. Принято считать, что память этого типа уступает по скоростным характеристикам и ресурсу памяти типу SLC.
TLC – это своего рода ответвление от типов памяти MLC, за исключением того, что в память типа TLC можно упаковать до 3 бит данных в одну ячейку памяти. Современные технологические решения пытаются минимизировать недостатки такого типа памяти и обеспечить более высокую скорость. Плюсом такого решения, очевидно, является цена.
QLC – как уже, наверное, стало понятно, следующий тип памяти. Он позволяет разместить в одной ячейке уже 4 бита данных. Эта самый бюджетный вариант и, следовательно, имеет самые низкие скоростные характеристики.
Также иногда может применяться приставка 3D к таким типам памяти как TLC и QLC. Это связано с технологией производства чипов. Эта технология подразумевает размещение памяти слоями один на другой на одной плате.
Параметр TBW
Думаю, вы знаете, что количество раз записи информации на одну и ту же ячейку, ограничено. Таким образом, чем выше параметр TBW, тем больше информации можно записать на накопитель, а следовательно он дольше прослужит. Этот параметр крайне важен, особенно на серверных компьютерах, где информация очень часто перезаписывается. Производители обычно указывают параметр TBW в терабайтах. Как по мне, для домашнего использования хватит значения примерно 100 терабайт.
Функция S.M.A.R.T.
Это очень полезная функция, которая изначально разрабатывалась для HDD накопителей, но встречается и на SSD моделях. По сути – это программное обеспечение, которое предназначено для анализа состояния чипов памяти и оповещении в случае возникновения ошибок или возможного скорого выхода накопителя из строя. Таким образом, вы можете заранее отреагировать на возможную поломку.
Ниже оставлю несколько ссылок на неплохие варианты накопителей по одному на каждый формат.
Однако, если вам позволяет кошелек, можете обратить внимание и на более дорогие модели.
Вывод
Для данной статьи существует видоеверсия с большим количеством анимаций, рекомендую к просмотру именно её, вместо текстовой версии:
Принципы работы ячеек памяти, определение носителя информации, принципы считывания состояния ячейки памяти
Каждая ячейка памяти — это полевой транзистор с изолированным затвором, но не простой, а хитрый. Со сдвоенным затвором. Если кто не в курсе общая суть полевого транзистора заключается в следующем:
У нас есть исток и сток, проще говоря вход и выход, и между ними область через которую может проходить заряд от стока к истоку, и есть ещё одна отделённая область от этих структур диэлектриком, которая называется — затвор. И если подать заряд на затвор, то затвор своим электромагнитным полем начинает влиять на легированную часть транзистора между стоком и истоком и этим перекрывает возможность протекания тока между ними.
То есть если поместить в него какой-то заряд, то этот заряд сам никуда не денется. И тут начинается самое интересное. Предположим, что заряда на плавающем затворе — нет. В таком случае — транзистор работает ровно так же, как и в случае когда второго затвора не было вообще. То есть не подаём заряд на затвор ток не идёт — подаём — ток идёт. Но если в плавающий затвор подать отрицательный заряд, то логика работы меняется. Если не подавать заряд на обычный затвор, то ток идти не будет, но если падать положительный заряд, то этот заряд будет компенсирован отрицательным зарядом плавающего затвора и в сумме они не дадут необходимого заряда чтобы ток через транзистор пошёл. То есть в случае активации транзистора ток через него всё равно не идёт. Иными словами — в случае подачи положительного заряда, если на плавающем ничего нет, то транзистор будет открыт, а если заряд есть — то транзистор будет закрыт. А теперь вспоминаем, что заряд в плавающем затворе никуда не девается, в том числе и в моменты когда питание на весь накопитель не подаётся вообще. То есть в любой момент времени мы можем по поведению тока сток исток понять есть ли заряд в нашем хитром затворе или нет. То есть прочитать заранее сохранённое состояние нашего транзистора, который стал уже вовсе и не транзистором, а ячейкой памяти.
Запись данных в ячейку памяти и причины ограниченности ресурса работы SSD
С запоминанием информации в целом понятно. С тем как понять что записано надеюсь тоже понятно. Остаётся понять только то, как осуществляется зарядка и разрядка плавающего изолированного затвора. То есть изменение состояния самой ячейки памяти. Иными словами — запись и стирание данных. И тут всё в общем-то не так сложно. Общая суть в том, что если приложить достаточное напряжение — то электроны могут пройти через диэлектрик, в нашем случае диоксид кремния.
При подаче высокого напряжения на Затвор и Сток электроны вынужденно проходят в область плавающего затвора
И имея вокруг нашего хитрого затвора достаточную разность потенциалов можно в него насильно впихнуть электроны, или наоборот высосать из него электроны, тем самым придав ему некий заряд, который сам по себе, без этих повышенных напряжений, никуда уже не денется долгие годы. Собственно таким образом и производится запись в ячейки памяти.
Проблема только в том, что эти насильственные действия над транзистором на повышенном напряжении разрушают диоксид кремния вокруг затвора раз за разом при каждом прохождении через него заряда.
Что ведёт к деградации свойств, и в конечном итоге к выходу ячейки памяти из строя. То есть при многократном воздействии на изолированный плавающий затвор для изменения его заряда — разрушается транзистор. То есть для транзистора существует предельное количество циклов изменения состояния этого затвора перед тем как ячейка памяти перестанет работать должным образом. Естественно разработчики накопителей в курсе проблемы, это всё учитывается в создаваемых контроллеров памяти, которые стремятся равномерно производить износ всего накопителя, вводятся резервные области для замены вышедших из строя ячеек, есть и другие софтовые оптимизации уже и на уровне операционных систем позволяющие максимально редко производить ненужные перезаписи.
Многобитные ячейки памяти. MLC, TLC, QLC. Принципы работы и отличия от однобитных. Причины падения скорости от увеличения битности.
С точки зрения работы транзистора наш дополнительный затвор позволяет сдвигать сток затворную характеристику. И кардинальное наличие заряда в плавающем затворе сдвигает эту характеристику так далеко, что рабочие напряжения для транзистора его не открывают.
Отрицательные заряды сильно смещают напряжение Затвор-исток при котором начинает идти ток сток-исток
И в показанной схеме у нас есть некий широкий диапазон напряжений на затворе который нам позволяет понять что записано условно 0 или 1. То есть мы сохраняем 1 бит информации.
И описанный метод записи и чтения — полностью цифровой. То есть транзистор либо проводит ток, либо — нет, и это мы можем интерпретировать условно в то, что записан условно 0 или 1.
Набор стоко-затворных характеристик для разного уровня заряда плавающего затвора
И это уже не цифровая запись, а аналоговая, то есть если мы зарядили чуть-чуть плавающий затвор, то и сместили мы характеристику чуть-чуть и у нас транзистор открывается если подать на затвор напряжение чуть выше чем минимально нужное, если зарядить плавающий затвор чуть сильнее, то и открыть транзистор будет ещё сложнее и т.д. В теории можно допустить бесконечное количество градаций уровней записей. Сейчас наверное некоторые из вас в шоке, но ячейки памяти в MLC, TLC и QLC SSD накопителях — это аналоговые носители информации, а не цифровые. Потому что именно таким образом и производиться запись многобитных ячеек памяти. Ячейка всё равно может сохранить только одно состояние записи, но если для однобитных ячеек записью было наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе, то в многобитных ячейках под записью понимается не факт наличия или отсутствия заряда — а величина заряда. И уже эта величина при чтении должна быть оцифрована таким образом, чтобы это можно было записать в более чем один бит информации. И при оцифровывании любого аналогового сигнала емкость его данных в цифровом виде зависит от получаемой дискретности уровней распознавания сигнала. То есть чем больше градаций сигнала можно распознать, тем выше ёмкость данных аналогового сигнала. В текущий момент дискретизация сигнала производиться не очень сильная.
Для двух битов данных нужно распознать 4 уровня величины сохранённого заряда,
для трёх бит нужно распознать 8 уровней величины заряда,
и для 4-х бит нужно распознавать до 16 уровней заряда.
И распознование производится по смещению характеристики открытия транзистора. Грубо говоря, если у нас разбит весь диапазон тестирования открытия транзистора на 16 диапазонов, то надо по очереди тестировать каждое напряжение на затвор и зная при каком из них у нас в достаточной степени открылся транзистор — такой уровень и считать записанным в этом транзисторе. И просто каждой градации этих напряжений даются порядковые номера которые и есть цифровая интерпретация уровня заряда плавающего затвора. И для 16 градаций или для QLC памяти — это 4 бита. Некоторые компании грозятся сейчас выпустить 5 битные ячейки.
Как вы понимаете именно по технике разницы с 4-х битными не будет, но градаций будет уже не 16, а 32. То есть надо очень точно попадать в нужный диапазон заряда при наполнении плавающего затвора, и гораздо сложнее становится процесс считывания сигнала, вернее процесс оцифровки уровня заряда плавающего затвора. Естественно при этом снижается скорость работы с памятью. Кроме того — напомню, что процесс наполнения затвора зарядом — это аварийный для транзистора режим работы, и этот аварийный режим надо ещё очень точно контролировать, чтобы действительно был помещён нужный заряд, а не чуть больше или чуть меньше, потому что если заряд не попал в строгие рамки, то при его интерпритации он может дать другие цифровые значения. И, естественно, чем больше градаций — тем сложнее попасть в нужный диапазон. И в многобитных ячейках — неверная запись не является чем-то очень редким, поэтому для записи всегда требуется контроль на ошибки, что отнимает время, снижая скорость работы, вдобавок в случае ошибочной записи требуется перезапись ячеек в странице в которой была произведена ошибочная запись, что, как вы понимаете, ещё и снижает ресурс.
Причины снижения ресурса работы накопителей, запись накопителей с уплотнением данных.
Но не только этим снижается ресурс записи на многобитных ячейках. Как вы могли понять из теории — аппаратных различий для MLC, TLC или QLC памяти — нет. Меняется только процесс интерпретации записи, который задаётся программно. Иными словами если контроллер накопителя это позволяет, то QLC можно записывать в более простых для записи TLC, MLC или SLC режимах. Что сейчас активно и делается, хотя не на всех накопителях, но если пару лет назад было редкость — перезапись накопителей с уплотнением, то сейчас редкость когда такого не происходит. Работу уплотнения записи отлично было видно в тестах накопителей, когда при полной последовательной записи скорость падала в несколько градаций.
Разберёмся в том, что при этом происходило с накопителем.
Вначале накопитель занимал весь свой объём записывая всё в однобитном режиме. То есть абы какой заряд уже абы как смещает стоко-затворную характеристику, но этого достаточно чтобы записать один бит на ячейку. И в таком режиме весь объём ячеек быстро заканчивается. По данным о диске он ещё записан совсем чуть-чуть, но на самом деле он полностью забит данными. И для дальнейшего записывания накопитель начинает уплотнять запись. Но происходит это исключительно перезаписыванием. То есть надо во временное место скопировать данные страницы, далее затереть записанные данные, то есть вытащить из плавающих затворов заряды, дальше взять новый кусок информации, собрать его со старым куском информации и записать в те же ячейки, но уже не абы как, а, допустим, в MLC режиме, то есть с 4-мя градациями уровней заряда плавающих затворов. Далее накопитель так же заполняется полностью уже в режиме MLC. Если надо продолжить запись, а в MLC режиме место опять закончилось, то процесс уплотнения, то есть перезаписи в более плотном формате производиться уже в TLC режиме. Далее ещё может быть произведена запись в QLC режиме. Подобный механизм работает и в случае если вам хватило места до уплотнения. Как только вы перестаёте заполнять накопитель он автоматически начинает уплотнять запись, чтобы в случае необходимости он мог опять кратковременно вести запись в однобитном режиме используя свободный остаток. Хотя ещё раз напомню, что не все накопители так делают. В некоторых выделен фиксированный объём для быстрой записи и дальше накопитель заполняется уже с финальной плотностью.
Естественно такое огромное количество травмирующих ячейки перезаписей а также перезаписей из-за ошибок — крайне негативно сказывается на долговечности работы ячеек. Кроме того при большей плотности записи для изменения одного и того же объёма данных записанных случайным образом потребуется перезаписать больше страниц накопителя. Иными словами — ресурс накопителей от увеличения плотности резко падает и, в общем-то, причин на это аж несколько.
Надеюсь теперь полученные знания сделают для вас тесты накопителей увлекательнее.
Мы уже разбирались, что такое SSD-накопители, выяснили, каких форм-факторов они бывают, бросили взгляд на типы применяемой NAND-памяти. Все это полезно, если планируется приобретение твердотельного диска, но не менее важным служит то, кто, собственно, управляет работой накопителя. Как у всего компьютера есть процессор, так и функционирование SSD-диска обеспечивается контроллером, установленным в нем. Именно от него во многом зависят характеристики накопителя и то, насколько оправданной будет покупка. Про то, как работают контроллеры, рассказано в другом материале, а сейчас поговорим про то, кто их сейчас делает и что они могут.
Контроллер – зачем нужен
Он обеспечивает обмен данными с шиной (SATA или PCIe), а также управляет операциями записи/чтения в ячейки памяти, контролирует состояние ячеек, выполняет их обслуживание и прочую вспомогательную работу. От того, насколько эффективно он этим занимается, и зависит быстродействие всего накопителя. Управляет работой специальная программа, зашитая в контроллер, и многие производители регулярно выпускают ее обновления, устраняющие найденные ошибки, оптимизирующие работу.
Производителей этих управляющих работой процессоров существенно меньше брендов, под которыми выпускаются SSD-накопители. Есть определенная дифференциация этих производителей, часть которых априори относится к тем, кто выпускает премиумную продукцию, и те, чьи контроллеры обычно используются в бюджетных накопителях. Тем не менее, ничто не вечно, и быстродействующие решения можно найти даже у тех разработчиков, которые, казалось бы, вполне комфортно чувствуют себя в качестве поставщика решений для дешевых дисков.
Различаются и способы работы с клиентами. Дело в том, что, например, компания Marvell может поставлять свои контроллеры без прошивки, или требуется ее серьезная доработка. Задача по ее созданию ложится на производителя SSD-дисков, а дело это непростое, поэтому по силам только серьезным компаниям, например, Crucial, Plextor и т. п.
Совсем другое дело – компания Phison. Она предлагает уже готовые решения в виде контроллера с прошивкой, платы, микросхем памяти и даже корпуса. По сути, остается только наклеить этикетку со своим брендом и выпустить «произведенный» SSD на рынок. Собственно, этим и объясняется наличие таких производителей, как «Smartbuy», «GOODRAM» и прочих.
Впрочем, даже известные компании не гнушаются идти подобным путем, правда, имея солидные инженерно-программистские возможности – дорабатывают или полностью переделывают прошивки самостоятельно. Характерный пример – компании Intel и Plextor, которые использовали контроллер Silicon Motion SM2258, типичного представителя решений для бюджетных накопителей. Использовав эталонный вариант поставки, в Intel выпустили модель 540s, уже «отметившуюся» унылой производительностью и стабильно занимающую последние места в различных тестированиях.
Совсем не так поступил Plextor в своём накопителе S2C, тестирование которого на надежность я проводил. Была полностью переписана микропрограмма. Результат виден невооруженным глазом. Конечно, в лидеры диск не вырвался, не стоит надеяться на чудо, но из контроллера удалось выжать заметно больше.
Давайте посмотрим, чьи контроллеры можно встретить в тех SSD-накопителях, которые доступны на рынке.
JMicron
Тем не менее, можно встретить накопители на следующих контроллерах:
- JMF667H. Устаревшая модель, найти которую сейчас уже нельзя.
- JMF670H. Все еще встречающийся контроллер, являющийся обновлением предыдущего. В основе – одноядерный процессор ARM968 с архитектурой ARM9. Максимальная емкость накопителя – 512 ГБ. На его основе, например, существует ADATA XPG SX930. Это явно бюджетное решение, которое соперничать может разве что с Silicon Motion SM2246EN и Phison S10. Проблема заключается в том, что в недорогих SSD все активнее применяется память TLC, а вот именно с этим типом контроллер работать не умеет. Связано это с тем, что для работы с памятью TLC требуются продвинутые алгоритмы коррекции ошибок, а этот контроллер похвастаться ими не может. Зато с поддержкой памяти MLC проблем нет. Тем не менее, это уже устаревшая модель.
- JMF680H. Обещанное обновление контроллера, в котором должна появиться поддержка TLC памяти и максимальная емкость накопителя должна составлять 2 ТБ. К сожалению, хотя первоначально планировалось выпустить JMF680H еще год назад, до сих пор его нет.
Marvell
Компания Marvell – один из старейших производителей контроллеров, предлагающий целый ряд моделей. Это отнюдь не бюджетные модели, и накопители, выпускаемые на базе этого контроллера, претендуют как минимум на место в классе средне- и высокопроизводительных моделей.
Возможность внести изменения в исходную прошивку позволяет разработчикам добиваться разных результатов при том, что конфигурация накопителей схожая. Что и отражают многочисленные тесты. В целом наличие контроллера Marvell уже само по себе подразумевает достойный уровень производительности.
Читайте также: