Kako deluje SSD in zakaj pospeši vaš računalnik

Če vaš računalnik potrebuje celo večnost zagon sistema Windows Ali pa se pri odpiranju programov zdi, da je preklapljanje z mehanskega trdega diska na pogon SSD skoraj kot čarovnija. Toda za tem občutkom hitrosti se skriva Veliko zanimive tehnologije, ki pojasnjuje, kako SSD dejansko deluje. in zakaj se je pokrajina shranjevanja popolnoma spremenila.

V naslednjih vrsticah bomo mirno in brez nepotrebnih tehničnih podrobnosti razčlenili, Kaj je SSD?, kako je notranje organiziran, kako se razlikuje od klasičnega trdega diska, katere vrste obstajajo, njegove prednosti, slabosti in dejanska življenjska dobaIdeja je, da boste po končanem delu vedeli ne le, da je SSD hiter, ampak tudi, zakaj je in kaj to pomeni za vaš računalnik, prenosnik, konzolo ali strežnik.

Predpomnilnik, RAM in pomnilnik: kdo kaj počne v vašem računalniku

Preden se poglobimo v SSD-je, je pomembno razumeti, kako je pomnilnik organiziran v katerem koli računalniku, saj prav tu pride v poštev SSD pogon. Odpravlja največje ozko grlo v sodobnem sistemu..

Na samem vrhu piramide je predpomnilnik procesorjaTo so majhni bloki pomnilnika, integrirani v sam procesor, z minimalnimi električnimi potmi in nanosekundno zakasnitvijo. Je tako hiter, da je za procesor praktično tako, kot da bi bili podatki "v zraku", vendar je njegova zmogljivost izjemno omejena.

En korak nižje je RAMŠe vedno je zelo hiter (še vedno govorimo o nanosekundah, čeprav nekoliko počasnejši od predpomnilnika) in tam se nalagajo programi in podatki, ki se aktivno uporabljajo: operacijski sistem, brskalnik z zavihki, igra, ki jo izvajate itd. Ko izklopite računalnik, kaj je bilo v RAM-u ... Izgine, ker je nestanoviten spomin..

V podnožju je enota za masovno shranjevanje (HDD ali SSD), kjer se trajno shranijo operacijski sistem, programi, igre, dokumenti, fotografije, videoposnetki in vse ostalo, kar želite obdržati, ko izklopite računalnik. Tukaj se hitrost ne meri več v nanosekundah, temveč v milisekundah za tradicionalni mehanski trdi disk in v mikrosekundah za sodobni SSD.

Razlika med nanosekundami in milisekundami je ogromna. Zato že leta Trdi disk je klasično ozko grlo vsakega računalnika.Ne glede na to, kako hiter je vaš procesor ali koliko RAM-a imate, vse, kar preberete ali zapišete, konča v pomnilniku. Prav tu so SSD-ji tisti, ki naredijo razliko.

Trdi disk proti SSD-ju: dve popolnoma različni filozofiji

Tradicionalni mehanski trdi disk (HDD) deluje podobno kot gramofon: v notranjosti so ena ali več kovinskih plošč, ki se vrtijo z veliko hitrostjo in roka z bralno/pisalnimi glavami, ki se premika za dostop do območja, kjer se nahajajo podatki.

Na trdem disku morajo plošče, preden se lahko karkoli bere ali zapisuje, doseči svojo hitrost vrtenja (5400, 7200 ali do 15.000 vrt/min v poslovnih okoljih), roka pa mora fizično se namestite nad pravilno mesto na diskuVsako gibanje in vsak vrtljaj doda majhne zamude. Če je datoteka fragmentirana na več območjih diska, mora bralno/pisalna glava skakati z enega mesta na drugo, kar pomnoži čakalne čase.

SSD pa nima ničesar od tega. Ni diskov, motorja, gibljivih glav. V notranjosti boste našli le Čipi bliskovnega pomnilnika NAND, spajkani na tiskano vezje (PCB) in elektronski krmilnik, ki organizira podatke. Dostop je izključno elektronski: doseganje enega ali drugega pomnilniškega naslova traja praktično enako dolgo, ne glede na njegovo lokacijo.

Ta odsotnost mehanskih delov pomeni, da Časi dostopa do SSD-ja so tisočkrat krajši kot običajni trdi disk. Medtem ko lahko trdi disk ponudi približno 50 do 120 MB/s pri zaporednem branju in nekaj deset ali nekaj sto vhodno/izhodnih operacij na sekundo (IOPS), lahko trenutni potrošniški SSD na SATA deluje s hitrostjo med 200 in 500 MB/s, NVMe diski pa zlahka presežejo 3000 MB/s z več deset tisoč ali celo sto tisoč IOPS.

Prevedeno v dejansko uporabo to pomeni, da se lahko na računalniku s trdim diskom, ki za zagon sistema Windows potrebuje približno 30–40 sekund, zmogljivost zlahka spusti na približno 10-sekundni čas zagona s SSD-jemin da se programi odprejo skoraj v trenutku, brez neskončnih ikon za nalaganje.

Kaj točno je SSD in na čem temelji njegov pomnilnik?

SSD (Solid State Drive) je v bistvu naprava za shranjevanje, sestavljena iz moduli nehlapnega bliskovnega pomnilnikaGre za isto tehnološko družino kot pomnilnik v USB ključku ali SD kartici, vendar je zasnovan in organiziran tako, da ponuja veliko večjo zanesljivost, kapaciteto in delovanje.

Za razliko od RAM-a, ki ob izpadu napajanja izgubi svojo vsebino, je NAND flash pomnilnik, ki se uporablja v SSD-jih, nehlapnaPodatki ostanejo shranjeni tudi, če izklopite računalnik, izključite vir napajanja ali pride do nenadnega izpada električne energije. Za shranjevanje informacij niso potrebne baterije ali zunanje napajanje.

V notranjosti enota SSD združuje bliskovni pomnilnik v polja, organizirana v celice, strani in blokiStrani so najmanjše enote branja in pisanja; več strani tvori blok, bloki pa se izbrišejo vsi hkrati. Vse to usklajuje krmilnik, ki odloča, kam se podatki zapišejo, vzdržuje logične in fizične tabele dodeljevanja ter maksimizira življenjsko dobo celic.

Zelo preprost način za vizualizacijo tega je, da si predstavljamo stavbo: vsak pomnilniški čip bi bil drugačna stavba, vsako nadstropje bi bil blok in vsako nadstropje bi bilo razdeljeno na sobe, ki bi bile strani. Krmilnik bi bil upravitelj, ki Spremlja, katera soba je zasedena, katera prazna in v katero se je treba preseliti. ko je čiščenje opravljeno.

Poleg pomnilniških čipov in krmilnika imajo sodobni SSD-ji vgrajene dodatni predpomnilnik (DRAM ali psevdo-SLC v samem bliskovnem pomnilniku), ki se uporablja kot vmesno območje za pospeševanje pisanja in upravljanje delovanja notranjih enot.

Kako so podatki organizirani na SSD disku

Ena najpomembnejših stvari, ki jih morate razumeti o delovanju SSD-ja, je vedeti, da za razliko od trdega diska ... Podatkov na določeni strani ni mogoče neposredno prepisatiEnota lahko piše samo na strani, ki so popolnoma prazne.

Ko je datoteka prvič shranjena, gonilnik išče bloke prostih strani in vanje zapisuje z veliko hitrostjo. Težava nastane, ko datoteke sčasoma brišete, spreminjate in ustvarjate: Neuporabljene strani so raztresene po številnih blokih., medtem ko so drugi napolnjeni z veljavnimi podatki.

Če mora sistem posodobiti datoteko, ki zaseda določene strani bloka, SSD teh strani ne more preprosto prepisati. Krmilnik pa naredi majhen trik: Prebere celoten blok v notranji pomnilnik, označi stare strani kot neveljavne, kopira samo veljavne podatke v nov blok s praznimi stranmi in izbriše prvotni blok.To brisanje se vedno izvede na ravni bloka, ne stran za stranjo.

Ta postopek, znan kot »zbiranje smeti«, poteka pregledno in neprekinjeno. Ko operacijski sistem označi datoteko kot izbrisano, SSD ve, da te strani ne vsebujejo več veljavnih podatkov in da bodo izbrisane v naslednjem ciklu čiščenja. ta prostor boste lahko ponovno izkoristili za prihodnje pisanje.

Zato so hitrosti izjemne, ko je pogon nov in so praktično vse strani prazne. Sčasoma, ko se zapolni, mora krmilnik posvetiti več dela reorganizaciji blokov, kar lahko povzroči ... Vztrajno pisanje je v zelo intenzivnih scenarijih nekoliko zmanjšanoSodobni operacijski sistemi (zahvaljujoč ukazu TRIM) pomagajo tako, da SSD obvestijo, kateri bloki ne vsebujejo več uporabnih podatkov, zaradi česar je čiščenje učinkovitejše.

Prednosti SSD diskov: hitrost, tihost in zanesljivost

Najbolj znana prednost SSD-jev je hitrost, vendar ni edina. Zamenjava trdega diska s SSD-jem je ena od ... najbolj opazne izboljšave zmogljivosti, ki jih je mogoče narediti na računalnikupa naj gre za prenosno, namizno ali celo združljivo konzolo.

Pri vsakodnevni uporabi SSD drastično skrajša čas nalaganja: operacijski sistem se zažene veliko hitreje, zahtevni programi (urejevalniki fotografij in videoposnetkov, IDE, igre AAA ...) se odprejo v nekaj sekundah, posodobitve se namestijo hitreje in računalnik se odziva bolj gladko, tudi če je odprtih več nalog hkrati.

Ker nimajo mehanskih delov, so polprevodniški pogoni popolnoma tihi in ustvarjajo manj toploteNi brenčanja vrtečih se plošč ali klikanja premikajočih se glav, zaradi česar je uporaba prenosnika ali računalnika v dnevni sobi veliko prijetnejša v tihih okoljih.

Prav tako so bolj odporni na udarce in vibracije. Trdi disk med delovanjem se lahko resno poškoduje, če prejme močan udarec, saj lahko bralno-pisalna glava opraska ploščo. SSD, ki je sestavljen samo iz pomnilniških čipov, veliko bolje prenese te udarce, kar je še posebej zanimivo pri prenosniki, ki potujejo v nahrbtnikih ali kovčkih.

V strežnikih, podatkovnih centrih in visokozmogljivih okoljih SSD-ji omogočajo obdelavo ogromne količine vhodno/izhodnih operacij na sekundo. Zaradi tega Idealni so za podatkovne baze, velike podatke in kritične aplikacije.kjer šteje vsaka milisekunda. Ni naključje, da so se napovedi uporabe v podatkovnih centrih v zadnjih letih močno povečale.

Slabosti in omejitve: ni vse popolno

Vendar imajo tudi SSD diski svoje pomanjkljivosti. Prva in najbolj očitna je cena na gigabajt je še vedno višja kot pri mehanskih trdih diskihČeprav so se stroški precej znižali, je trdi disk še vedno očitno cenejši, če želite shraniti veliko količino podatkov po najnižji možni ceni.

Medtem ko je notranji trdi disk s kapaciteto 1 TB mogoče najti za nekaj deset evrov, SSD z enako kapaciteto je še vedno precej dražji.To še posebej velja, ko govorimo o modelih z visoko zmogljivostjo ali večjo kapaciteto. Zato mnogi namizni računalniki združujejo hiter SSD za operacijski sistem in programe z velikim trdim diskom za varnostne kopije, filme, fotografije in tako naprej.

Drug vidik, ki ga je treba upoštevati, je, da imajo celice bliskovnega pomnilnika omejeno število ciklov pisanja in brisanjaVsakič, ko se celica reprogramira, njena fizična struktura utrpi majhno električno obrabo in z leti doseže točko, ko ne more več zanesljivo beležiti podatkov.

V praksi to ne pomeni, da se bo SSD odpovedal v dveh dneh. Sodobni krmilniki uporabljajo zelo napredne tehnike, kot je izravnavanje obrabe, ki Enakomerno porazdeli zapise po vseh celicah pogona. Namesto večkratnega prepisovanja istih območij, SSD-ji vključujejo tudi prekomerno zagotavljanje pomnilnika za notranjo zamenjavo degradiranih blokov.

Kljub temu, ko enota postane zelo prenatrpana in notranje reorganizacije postanejo pogostejše, je mogoče opaziti, da Vztrajni zapisi ne vzdržujejo več enake hitrosti kot prvi danzlasti pri enostavnejših modelih ali tistih, ki se intenzivno uporabljajo (na primer strežniki z milijoni dnevnih operacij pisanja).

Koliko časa SSD dejansko zdrži?

Veliko vprašanje, ki si ga mnogi zastavljajo, je: ali SSD zdrži manj časa kot trdi disk? Niansiran odgovor je, da od danes naprej Visokokakovostni SSD-ji imajo zelo visoko zanesljivost In za povprečnega domačega uporabnika je zelo težko porabiti njegovo uporabno dobo, preden zamenja opremo.

Proizvajalci običajno navajajo vzdržljivost v TBW (zapisani terabajti), kar pomeni, koliko terabajtov je mogoče zapisati na pogon, preden se statistično tveganje za okvaro začne povečevati. Testi vzdržljivosti, ki so jih izvedla specializirana spletna mesta, so pokazali, kako Nekateri modeli so prenesli več kot 2 petabajta zapisov (2000 TB), preden odpove, kar bi običajen uporabnik dosegel z desetletji.

Kar zadeva celično tehnologijo, trenutno prevladujejo pomnilniki NAND. TLC (trojnivojska celica)Te celice shranijo tri bite na celico, kar omogoča večjo gostoto in nižje stroške. Prej so bile pogoste celice MLC (dva bita na celico), v zelo zahtevnih okoljih pa so se uporabljale celice SLC (en bit na celico), ki so ponujale večjo vzdržljivost, vendar previsoko ceno in so zdaj na potrošniškem trgu praktično izumrle.

Da bi nadomestili to nižjo upornost na celico, proizvajalci dodajajo vedno naprednejše mehanizme za odpravljanje napak, prekomerno oskrbovanje in algoritme za upravljanje obrabe. Zato Običajne garancije so v potrošniškem razredu od 3 do 5 let in lahko zdržijo do 10 let v profesionalnih in poslovnih modelih.

V praksi: razen če izjemno intenzivno uporabljate neprekinjeno pisanje (zelo aktivni strežniki baz podatkov, neprekinjeno snemanje videa itd.), Življenjska doba sodobnega SSD-ja je več kot dovolj za normalen cikel domačega ali profesionalnega računalnika.Pomembno je, kot vedno, vzdrževati varnostne kopije, saj noben medij za shranjevanje ni nesmrten.

Vrste SSD-jev in njihovi priključni vmesniki

Poleg notranjih komponent so SSD-ji na voljo v različnih fizičnih oblikah in uporabljajo različne vmesnike za komunikacijo z računalnikom. To vpliva tako na združljivost kot na največjo zmogljivost, ki jo lahko ponudijo, zato je priporočljivo razmisliti o različnih možnostih. vedeti, kaj je nameščeno v vašem računalniku ali kaj lahko namestite.

The notranji SSD-ji To so pogoni, ki so nameščeni v računalniku in so neposredno povezani z matično ploščo. Uporabljajo lahko tipičen 2,5-palčni priključek SATA ali bolj kompaktne formate, kot so mSATA, M.2 ali U.2. V sodobnih prenosnikih je pogosto najti ... M.2 NVMe SSDveliko manjši in hitrejši od klasičnega SATA.

The zunanji SSD-ji Delujejo kot tradicionalni zunanji trdi diski: povezujejo se prek USB-ja (idealno USB 3.0 ali novejšega), Thunderbolt-a ali eSATA-e in so zelo uporabni za prenos podatkov. hitre varnostne kopije ali kot prenosni pogon za uporabo na različnih računalnikih. V notranjosti lahko vsebujejo SATA SSD ali NVMe pogon, nameščen v ohišju z USB-adapterjem.

Glede vmesnikov lahko ločimo dve glavni družini: SSD-ji, ki temeljijo na SATA / mSATA / SATA III in tiste, ki temeljijo na PCI Express s protokolom NVMePrvi so se rodili kot neposredna zamenjava za mehanski trdi disk z uporabo istih priključkov in so bili ključni za popularizacijo SSD-jev, vendar jih omejuje teoretični maksimum vmesnika SATA (okoli 550-600 MB/s realno).

Sodobni visokozmogljivi SSD-ji uporabljajo PCIe in protokol NVMe (Non-Volatile Memory Express)Tukaj podatki potujejo neposredno prek vodila PCI Express, istega, ki ga uporabljajo grafične kartice, kar omogoča večjo pasovno širino in drastično zmanjšanje zakasnitve. Ni neobičajno videti modele, ki presegajo 3000 MB/s pri zaporednem branju in pisanju, v zadnjih generacijah pa še več, zaradi česar jih še posebej cenijo zahtevni igralci in tisti, ki delajo z zelo velikimi datotekami.

Ti NVMe pogoni običajno vključujejo hladilnike, včasih tovarniško nameščene, da preprečijo skokovito zvišanje temperature pri neprekinjeni obremenitvi. Če vaša matična plošča to podpira, Izbira pogona NVMe PCIe je najneposrednejši način za povečanje hitrosti vašega sistema..

Zakaj SSD postane počasnejši, ko je poln?

Verjetno ste že slišali, da ni dobra ideja, da SSD napolnite do roba. In to ni mit: zaradi načina delovanja bliskovnega pomnilnika, Manj prostega prostora kot je, več dela mora opraviti krmilnik. najti bloke s praznimi stranmi in reorganizirati podatke.

Ko je pogon skoraj nov, je večina blokov praznih, zato se vsako pisanje opravi bliskovito hitro: preprosto zapolnite vse proste strani. Sčasoma zaradi večkratnega brisanja in pisanja ostane le nekaj praznih strani. majhni otoki praznega prostora, raztreseni po številnih blokih, obdano s stranmi z veljavnimi podatki.

Za ponovno pisanje na ta območja mora SSD kopirati veljavne podatke iz vsakega bloka v pomnilnik, izbrisati celoten blok in nato ponovno zapisati podatke skupaj z novimi podatki, pri čemer mora upoštevati fizične omejitve bliskovnega pomnilnika. Bolj ko je pogon poln, pogosteje mora ta postopek ponoviti, kar pomeni, da počasnejše efektivne hitrosti pisanja pri dolgotrajni obremenitvi.

Z vidika uporabnika je to še posebej opazno pri hkratni obdelavi velikih količin podatkov (npr. kopiranje več gigabajtov hkrati) na SSD-ju, ki se že bliža svoji omejitvi zmogljivosti. Zato je običajno priporočljivo pustite razumen rob prostega prostora (na primer 10–20 %), da ima krmilnik manevrski prostor.

Proizvajalci tudi neopazno rezervirajo del celotne zmogljivosti kot prostor za prekomerno zagotavljanje, prav zato, da bi ublažili to poslabšanje zmogljivosti. Modeli, namenjeni profesionalni ali strežniški uporabi. Vključujejo še več skritega prostora. za izboljšanje vzdržljivosti in daljše ohranjanje stabilne hitrosti.

Primeri uporabe: od domačega prenosnika do podatkovnega centra

V domačem okolju se najpogosteje uporabljajo SSD diski kot glavna enota operacijskega sistema in aplikacijZ zamenjavo trdega diska s SSD-jem ali dodajanjem novega pogona, če matična plošča to omogoča, lahko prenosnik ali osebni računalnik izpred nekaj let dobi veliko drugo življenje.

Postali so tudi norma v svetu igre na srečoČasi nalaganja iger so znatno krajši, odprti svetovi se nalagajo z manj zamika, posodobitve pa se nameščajo hitreje. Konzole naslednje generacije in številni igralni prenosniki so zdaj standardno opremljeni s pogoni NVMe SSD.

V profesionalnih okoljih so SSD-ji ključni za delovne postaje, urejanje videoposnetkov v ločljivosti 4K ali 8K, 3D-oblikovanje, delo z virtualnimi stroji in vse ostalo, kar je povezano s tem. premikanje ogromnih datotek in veliko majhnih operacij branja in pisanjaOkretnost, ki jo ponujajo v primerjavi z RAID-om mehanskih diskov, je ogromna, poleg tega pa zavzamejo manj prostora in porabijo manj energije.

V svetu podjetij in računalništva v oblaku se SSD-ji uporabljajo v shranjevalnih nizih in omarah za zagotavljanje visokozmogljive nosilce podatkov za baze podatkov, spletne aplikacije in delovne obremenitve velikih podatkovTukaj pridejo v poštev poslovni PCIe SSD-ji, pogoni U.2, strežniško specifični formati in hibridne rešitve, ki združujejo bliskovni pomnilnik s tradicionalnimi diski za uravnoteženje stroškov in zmogljivosti.

Vse kaže, da se bodo cene z nadaljnjim padcem in povečanjem gostote SSD-ji bodo še naprej pridobivali na veljavi, dokler ne postanejo prevladujoči standard. za praktično vse vrste visokozmogljivih shranjevalnih naprav, pri čemer so mehanski diski premeščeni v zelo specifične niše, kjer je pomembna le cena na terabajt.

Če pogledamo celotno sliko, pogon SSD ni zgolj »hiter trdi disk«, temveč ključna komponenta sodobne arhitekture osebnih računalnikov. Zaradi svoje kombinacije Hitrost, odpornost na udarce, tišina in zanesljivostPostal je prva priporočena nadgradnja za pomlajevanje starejše opreme in bistvena komponenta v novih sistemih. Razumevanje njegovega notranjega delovanja – z njegovimi NAND celicami, bloki, zbiranjem smeti in strategijami za izravnavo obrabe – vam pomaga, da ga kar najbolje izkoristite, izberete pravo vrsto (SATA ali NVMe, notranji ali zunanji) in ohranite dovolj prostega prostora za ohranjanje odlične zmogljivosti še vrsto let.

Povezani članek:

Kaj je v mapi C:\Windows\Prefetch in kdaj jo je treba očistiti, da pospešite računalnik?

Isaac

Strasten pisec o svetu bajtov in tehnologije nasploh. Rad delim svoje znanje s pisanjem in to je tisto, kar bom počel v tem blogu, saj vam bom pokazal vse najbolj zanimive stvari o pripomočkih, programski opremi, strojni opremi, tehnoloških trendih in še več. Moj cilj je, da vam pomagam krmariti po digitalnem svetu na preprost in zabaven način.