На щастя, новий вид комп’ютерних накопичувачів спроможний зробити збої пережитком минулого. Відомий як твердотільний накопичувач, або ТТН, він використовує напівпровідникові чипи, а не магнітні носії, для збереження даних. Ваш комп’ютер, звісно, вже має чипи. Зокрема, певні чипи на материнській платі містять системну пам’ять Вашого пристрою чи ОП (оперативну пам’ять), в якій зберігається та обробляється інформація під час роботи комп’ютера. Цей тип пам’яті має назву енергозалежної пам’яті, тому що її вміст зникає при вимкненні живлення пристрою. Чипи використовувані у твердотільних накопичувачах є енергонезалежною пам’яттю, вміст якої зберігається після вимкнення живлення. Чипи ТТНів, однак, не знаходяться на материнській платі. У них своя домівка в іншій частині комп’ютера. Справді, можна витягти жорсткий диск з Вашого ноутбука та замінити його твердотільним накопичувачем без впливу на інші важливі складові системи.

Але для чого це Вам? І як саме виглядатиме накопичувач: зелена друкована плата чи матова металева скринька, що нагадує звичайний жорсткий диск? Про це – згодом, але, перш ніж модернізувати Ваш ПК, розгляньмо декілька базових понять з інформатики.

Що таке твердотільний накопичувач?

Згідно з комп’ютерною термінологією існує різниця між пам’яттю та накопичувачем. Пам’ять з довільним доступом, або ОП (або просто пам’ять) вміщує виконувану комп’ютером програму, а також будь-які дані. Як і короткочасна пам’ять людини, ОП швидкоплинна і вимагає живлення для роботи. Накопичувач, з іншого боку, вміщує всі речі з Вашого цифрового життя – програми, файли, фотографії й музику. Він зберігає ці об’єкти, навіть якщо живлення вимкнене. Ємність як ОП, так і накопичувача вимірюється кількістю байтів, які вони можуть вмістити. Для сучасного комп’ютера ОП зазвичай складає 4, 6 або 8 Гігабайтів. Накопичувач може мати у 100 разів більшу ємність – жорсткий диск типового ноутбука, наприклад, може налічувати 500 Гігабайтів.

Але можлива певна плутанина понять, адже деякі пристрої зберігання даних мають так звану флеш-пам’ять, заплутаний термін, який розмиває грань між оперативною пам’яттю і накопичувачем. Пристрої з флеш-пам’яттю також містять багато інформації і не залежать від живлення. Але на відміну від жорстких дисків, які містять обертові пластини і поворотні важелі (схожі на механізм грамофона) з головками зчитування-записування на кінцях, пристрої флеш-пам’яті не мають механічних частин. Вони побудовані з транзисторів та інших компонентів, які можна знайти на комп’ютерному чипі. В результаті, вони позначаються як "твердотільні” – терміном, зарезервованим для пристроїв, які використовують властивості напівпровідників.

Є два типи флеш-пам’яті: NOR і NAND. Обидва містять комірки – транзистори – розташовані у формі сітки, але схема з’єднань між комірками відрізняється. У NOR-флеш комірки з’єднані паралельно. У NAND-флеш комірки з’єднані послідовно. Оскільки NOR-комірки містять більше з’єднувальних ліній, вони більші і складніші. NAND-комірки потребують менше ліній і можуть бути упаковані на чипі з більшою щільністю. У підсумку, NAND-флеш дешевше, і може зчитувати і записувати дані значно швидше. Це робить NAND-флеш ідеальною технологією для накопичувачів і пояснює, чому цей тип пам’яті переважає в твердотільних накопичувачах. NOR-флеш ідеально підходить для завдань, де необхідні низька ємність, висока швидкість та доступ до даних тільки для зчитування, як-от в пристроях для збереження програмного мікрокоду (прошивки).

Озброївшись вищенаведеними тезами, можна запропонувати більш точне визначення твердотільного накопичувача: це пристрій, який використовує NAND-флеш для створення енергонезалежної, перезаписуваної пам’яті. У комп’ютерах, твердотільний диск може бути використаний як накопичувач, замість традиційного жорсткого диска. Адже виробники випускають ТТН-и, подібні до жорстких дисків за формою та розмірами, таким чином, обидві технології можуть бути взаємозамінними. Але на цьому вся схожість закінчується. Якщо відкрити корпус твердотільного диска, ви не побачите в ньому пластин і важелів урухомника (приводу). Розгляньмо це в наступному розділі.

Як твердотільні накопичувачі зберігають дані

Зовні твердотільні накопичувачі виглядають як жорсткі диски. Вони прямокутної форми, вкриті матовою металевою оболонкою і мають розміри, що відповідають галузевим стандартам форм-факторів для жорстких дисків – зазвичай 2.5 і 3.5 дюйма (6.4 і 8.9 сантиметра). Але під срібною зовнішністю приховані масиви чипів, розміщених на платі, і жодного натяку на магнітні чи оптичні носії. Більшість цих компонентів можна розмістити у меншому об’ємі, але виробники ТТН-ів навмисне збільшують розміри корпусів, щоб ті відповідали існуючим гніздам для накопичувачів ноутбуків і настільних ПК.

У порівнянні з відвертою простотою твердотільного накопичувача, нутрощі жорсткого диска є дивовижним поєднанням рухів, звуків та активної діяльності. Круглі пластини, розташовані на шпинделі, можуть обертатися з частотою 7200 обертів за хвилину. Важіль урухомника, що на кінці поділяється на декілька головок зчитування-записування, зміщується вздовж пластин з неймовірною швидкістю, майже непомітно для людського ока. Важіль з’єднаний з блоком урухомника, де зберігаються інструкції для переміщення головок зчитування-записування. Під час виклику цих інструкцій, іноді до 50 разів за секунду, важіль повертається в один бік і одночасно переміщує всі головки над пластинами. Після того, як головка прибуває в певне місце над пластиною, електромагніт створює магнітне поле, яке орієнтує домени, що є носіями даних, на розташованій знизу доріжці. Кожен домен може бути зорієнтований в одному з двох можливих напрямків – 1 або 0. Поступова зміна цих орієнтацій утворює шаблони, які відповідають окремим частинам цифрової інформації.

NAND-флеш у твердотільних накопичувачах зберігає дані інакше. Нагадаємо, що NAND-флеш складається з транзисторів, упорядкованих у сітку зі стовпців і рядків. Якщо ланцюжок транзисторів проводить струм, він має значення 1. Якщо він не проводить струм, це 0. Спочатку всі транзистори встановлені в 1. Але коли починається операція збереження, струм блокується для деяких транзисторів, перемикаючи їх у 0. Це відбувається через особливості розташування транзисторів. На кожному перетині стовпця і рядка, два транзистора утворюють комірку. Один з транзисторів відомий як керівний вентиль, а другий – як плавний вентиль. Коли струм досягає керівного вентиля, електрони перетікають на плавний вентиль та формують сумарний позитивний заряд, який перериває струм. За рахунок застосовування до транзисторів точних напруг виникає унікальний шаблон з 1 і 0.

NAND-флеш має два різновиди залежно від кількості 1 і 0, які можна зберігати в кожній комірці. NAND з однорівневими комірками (SLC NAND) зберігає один біт – або 1, або 0 – на комірку. NAND з багаторівневими комірками (MLC NAND) зберігає два біти на комірку. MLC-флеш забезпечує більшу ємність, але вона й зношується швидше (саме так, зношується – згодом ми розглянемо і це явище). Тим не менш, вона дешевша у перерахунку за 1 гігабайт ніж SLC і, як наслідок, є основною технологією майже у всіх ТТН-ів споживчого рівня.

Вартість була однією з найбільших перешкод для впровадження флеш-пам’яті і, відповідно, для твердотільних накопичувачів. Але за останні роки ціни значно знизилися. Водночас, досягнення в галузі розробки NAND флеш дозволили суттєво покращити цю технологію. Далі розглянемо переваги твердотільних накопичувачів.

Переваги твердотільних накопичувачів

Ви вклали гроші у найсучасніший ноутбук з 500-гігабайтним жорстким диском, і він прекрасно працює. Усі Ваші фотографії та відео, вся Ваша музична бібліотека, п’ять напівзавершених романів і стоси застосовних програм, – усе це скупчене на пластинах накопичувача. З якого дива Вам міняти жорсткий диск на твердотільний накопичувач? Чи ж не каже завжди тато: "Не ремонтуй те, що не зламалося”?

Можливо, у тата не було жорстких дисків. Сувора реальність така, що жорсткі диски можуть і будуть виходити з ладу, часто значно раніше, ніж зазначено у їхніх технічних характеристиках. Наприклад, виробники жорстких дисків оцінюють надійність своєї продукції використовуючи оцінку, відому як середній наробіток на відмову, або MTBF. Типовий споживчий жорсткий диск має показник MTBF у 500000 годин, який означає, що, для перевірених зразків дисків, буде одна відмова у роботі кожні 500000 годин тестування. Це один збій кожні 57 років, що звучить досить добре, чи не так? На жаль, показники MTBF вводять в оману. Вони походять зі статистичної оцінки на основі невеликого розміру вибірки та короткого проміжку часу. У дійсності необхідно зважати не тільки на показник MTBF, а й на гарантійний та експлуатаційний терміни роботи типового жорсткого диска (приблизно три-п’ять років). Натомість, внаслідок відсутності рухомих частин ТТН-и здатні забезпечити підвищену надійність. Їхній показник MTBF може складати до 2.5 млн. годин, що, ймовірно, додає ще кілька років до тривалості життя пристрою.

Ще суттєвішою є різниця при порівнянні продуктивності твердотільних накопичувачів з жорсткими дисками. Без рухомих головок і обертових пластин ТТН-и спроможні одержати доступ до однієї частини даних так само швидко, як і до будь-якої іншої частини, де б вона не знаходилася. Спритність пристрою помітна у всіх ключових завданнях, виконуваних центральним процесором комп’ютера, від завантаження системного програмного забезпечення до відкриття файлів для зчитування й записування даних. Ось список, що порівнює ТТН-и та НЖМД за виконанням цих важливих операцій:

• Час завантаження ОС (Windows 7): 22 секунди (ТТН), 40 секунд (НЖМД)
• Швидкість зчитування й записування даних: 510-550 мегабайтів за секунду (ТТН), 50-150 мегабайтів за секунду (НЖМД)
• Швидкість відкриття файлу Excel: 4 секунди (ТТН), 14 секунд (НЖМД)

У підсумку, навіть пересічний користувач помітить значне збільшення продуктивності комп’ютера, обладнаного ТТН-ом. А от досвідчений користувач дійсно відчує різницю. Розробники ігор, аніматори та інші спеціалісти, що створювали величезні вихідні файли, були піонерами впровадження ТТН-ів у вжиток саме через суттєву економію часу, який витрачався на зчитування та записування великих файлів. Сьогодні гравці, фотографи та всі, хто редагує графіку або відео файли, гідно оцінять приріст у швидкості, що його надає твердотільний накопичувач.

До того ж, ТТН-и споживають набагато менше енергії, ніж традиційні жорсткі диски, тобто вони подовжують термін служби акумулятора й менше нагріваються. Вони також надзвичайно тихі, бо не скриплять і не клацають, як НЖМД. Ви повною мірою відчуєте ці переваги, якщо часто подорожуєте і щоразу вмощуєте свій комп’ютер на колінах, але навіть якщо Ваш ноутбук здебільшого стоїть на робочому місці, то охолоджена, тихіша машина може суттєво поліпшити умови роботи.

Звичайно, жодна технологія не досконала, і твердотільні накопичувачі не є винятком. Далі ми розглянемо вади NAND-флеш і твердження про те, чому комбінація технологій може бути найкращим рішенням.

Недоліки твердотільних накопичувачів

Зміна Вашого жорсткого диска на твердотільний накопичувач може видатись цілком безпечною і природною потребою. Але перш ніж зробити цей хід, ви повинні зрозуміти обмеження технології ТТНів. Як-от вартість. Хоча ціни неухильно знижуються, NAND флеш-пам’ять і досі дорога. Приміром, щоб отримати 240 Гігабайтів дискового простору накопичувача PNY Prevail SSD Ви маєте викласти 240 доларів. Це 1 долар за Гігабайт. Жорсткий диск Western Digital Scorpio Blue, з іншого боку, надає 250 Гігабайтів дискового простору приблизно за 40 доларів. Тобто 0.16 долара за Гігабайт.

Ще є питання довговічності. Для NAND-флеш, використовуваної в твердотільних накопичувачах, операції запису можна застосувати лише скінченну кількість разів. Чому? Тому що твердотільні накопичувачі не можуть записати один біт інформації за раз без попереднього стирання, а потім переписування дуже великих блоків даних. Щоразу, коли комірка проходить через циклі стирання, деякий заряд залишається в транзисторі з плавним затвором і змінює його опір. З часом опір зростає, тож збільшується й величина струму, необхідна для зміни стану затвора. Зрештою, затвор стає неможливо перемкнути, що робить комірку непридатною. Цей процес занепаду не впливає на можливості зчитування даних з ТТН-а, оскільки зчитування вимагає тільки перевірки, а не зміни напруги комірок. В результаті, NAND-флеш може деградувати до режиму тільки для зчитування.

Деякі виробники використовують так зване вирівнювання зношування, щоб протидіяти деградації NAND флеш-пам’яті. Цей метод розподіляє операції із запису даних серед усіх блоків, щоб упевнитися, що флеш-пам’ять зношується рівномірно, але навіть з таким захистом ТТН-и псуватимуться з часом. NAND флеш-пам’ять з однорівневими комірками забезпечує 50000 циклів програмування/стирання. Флеш-пам’ять з багаторівневими комірками – вид, що використовується в продуктах споживчого рівня, – зношується приблизно через 5000 циклів.

З цієї причини багато дата-центрів і технічних спеціалістів використовують комбінацію ТТН і НЖМД. Один із підходів полягає у використанні твердотільного накопичувача у ноутбуку і традиційного жорсткого диска в якості зовнішнього сховища для музики, фотографій та інших файлів. Це поєднує в собі найкраще з обох світів – надшвидкий, довільний доступ до даних ТТН-а з відносно недорогою, високою ємністю НЖМД. Якщо це Вас влаштовує, можете розпочинати пошук відповідного твердотільного накопичувача. Провідними виробниками є Samsung, Seagate, SanDisk, PNY, Toshiba і OCZ Technology. І не забувайте про Intel, який пропонує надійну лінійку накопичувачів, а також кілька інструментів, які допоможуть Вам вибрати правильну технологію і розрахувати, скільки часу і грошей Ви зможете заощадити, якщо перейдете на ТТН-и.

Джерело статті:http://computer.howstuffworks.com/solid-state-drive.htm