Pamięć Flash ma swoje początki już w latach 70 i 80 ubiegłego wieku. Od tamtego czasu ludzie rozwinęli technologie służące wytwarzaniu pamięci tego typu. Nowe technologie umożliwiły stosunkowo tanie i powtarzalne produkowanie pamięci Flash. Z biegiem lat pamięci Flash trafiły do konsumentów. Dzisiaj są wszędzie i to z nich właśnie są zbudowane dyski SSD.
Warto wspomnieć, że tak samo szybko jak się pojawiły na rynku, dyski SSD zmieniły równowagę sił na swoją korzyść. Ich fenomenalne prędkości sprawiły, że nawet najwolniejsze z nich kilkukrotnie pokonują najszybsze dyski HDD. Aktualnie dyski półprzewodnikowe cały czas ewoluują i stają się coraz szybsze. W tym artykule omówię, jak zapisywane są na nich dane. A przede wszystkim omówię to, z czego są zbudowane, aby lepiej zobrazować i zrozumieć dyski SSD oraz technologie za nimi stojące.
Jeden pojedyńczy pixel zdjęcia zajmuje aż 24 bity informacji. Zdjęcie wykonane w rozdzielczości 4032 na 3024 zawiera aż 12 192 768 pixeli co daje aż 292 626 432 bitów informacji. A to tylko jedno zdjęcie. Te dane trzeba gdzieś zapisać…
Spis treści:
- Z czego składają się dyski SSD?
- Budowa pamięci Flash
- Jak działają komórki pamięci dysków SSD?
- Żywotność komórek pamięci SLC TLC MLC QLC
- Co to jest kontroler pamięci i jak działa?
- Czym jest DRAM?
- Co jeśli dysk SSD zacznie się psuć?
- Co to jest S.M.A.R.T?
- Najdłużej żyjący dysk SSD
Budowa dysków półprzewodnikowych SSD
Są to płytki PCB z wlutowanymi pamięciami Flash. Każdy dysk posiada również kontroler pamięci. Droższe dyski SSD mogą posiadać dodatkowo wbudowaną pamięć DRAM. Dyski półprzewodnikowe charakteryzują się brakiem ruchomych elementów, przez co są bardziej odporne na wstrząsy i wibracje. W przeciwieństwie do dysków twardych są znacznie bardziej wytrzymałe. Dyski HDD mogą bowiem żyć krócej nawet poprzez nie odpowiednie ułożenie ich w obudowie komputera. Taki problem nie spotyka dysków SSD.
Pamięć flash – budowa
Niestety tak mało poświęca się im uwagi. Cała uwaga jest poświęcana przede wszystkim procesorom – bo są tak małe, że aż niesamowite. Pamięci flash są również bardzo złożone, a to co skrywają w środku – bardzo małe.
Patrząc ludzkim okiem na pamięć flash widzimy czarny mały prostokąt z napisem modelu i logiem producenta. Mało kto jednak zastanawia się, co skrywają te układy scalone.
Okazuję się, że w pamięci flash skrywają się całe metropolie. Przybliżając – dostrzeżemy wiele mikroskopijnych warstw (stron) ponakładanych w ściśle ustalonych odstępach. Warstwy te są szerokie oraz cienkie – coś jak mikroskopijne druciki. Poukładane są zawsze równolegle do siebie. Dlatego konstrukcja może wydawać się, jakby miała położone na siebie warstwy.
Przybliżając dalej – pomiędzy tymi warstwami zobaczymy słupki (struny), które przechodzą przez wszystkie warstwy drucików zwanych stronami. Słupki z kolei zawierają w sobie z komórki pamięci. Te przechowują w sobie informacje za pomocą elektronów. Wszystkie elementy pamięci są powielane w każdym kierunku przy zachowaniu takich samych odstępów. Konstrukcja przypomina rusztowanie. Najlepiej budowę czipu zobrazuje grafika, którą przygotowałem:
Prawdziwa pamięć (według szacunków – producenci dokładnych wielkości nie zdradzają) zawiera od 96 do 136 warstw stron w wysokości, 30 000 – 60 000 strun szerokości oraz od 16 000 – 48 000 rzędów długości. Każda komórka pamięci może, w zależności od zastosowanej technologii przetrzymywać od 1 bita (SLC) do nawet 4 bitów (QLC) informacji. Warto wspomnieć, że grubość opisanej konfiguracji nie przekracza 1/3 grubości kartki papieru. A sami producenci w jednym układzie scalonym potrafią ułożyć aż 8 takich konstrukcji na sobie, aby zwiększyć ich pojemność.
Podobnie jak w procesorach tutaj również wszystko jest wyliczone co do atomów.
Jak działa komórka pamięci flash?
W komórce pamięci (Memory cell) jest coś takiego jak Charge Trap Flash, czyli pułapka na elektrony. Dlaczego na elektrony? Gdyż to właśnie elektrony symbolizują stan bitów – jeżeli są w danym miejscu komórki zwanym pułapką wówczas komputer czyta to jako „1” jeżeli natomiast ich tam nie ma – jako „0”.
Jak wiadomo każdy plik, program, system jest opisany jako ciąg zer i jedynek w systemie binarnym – taki system rozumie komputer i co najciekawsze każdy program pisany za pomocą języków programowania np. Javy po skompilowaniu zostaje przetłumaczony na ciąg zer i jedynek, ponieważ komputer innych wartości po prostu nie zrozumie.
Bardzo dobrze obrazują to Dyski HDD działające na zasadzie ładunków magnetycznych – jeżeli ładunek znajduje się w wybranym miejscu tarczy dysku wówczas komputer czyta to jako „1”. Na tych dyskach to głowica magnetyczna zapisuje dane – w postaci ładunków magnetycznych.
W dyskach SSD elektrony przenikają barierę pod wpływem poprowadzenia napięcia przez określoną struną oraz stroną. Gdy zatrzymają się na środku wtedy taka komórka reprezentuje wartość „1”.
Quantum Tunneling – zjawisko przenikania elektronów, które ma miejsce w przypadku zapisu danych w komórce pamięci. Bariera dzieląca elektrony od pułapki musi mieć 8 nanometrów grubości ~ 75-100 atomów. Nie może być grubsza, ponieważ inaczej elektrony nie mogłyby się przedostać. Nie może być również cieńsza, ponieważ elektrony mogłyby inaczej „wyciec” samoistnie.
Przedstawiany przykład dotyczy komórek SLC zdolnych do zapisu tylko jednego bitu. Komórki innych rodzajów kości działają na takiej samej zasadzie ale są inaczej zbudowane.
Żywotność pamięci flash dysków SSD
Elektrony w komórkach pamięci po pewnym czasie blokują się i nie są wstanie przelatywać dalej. Taka komórka staje się bezużyteczna. Zjawisko jest znacznie szybsze w rodzajach pamięciach flash, które przechowują powyżej jednego bitu w komórce. W zależności od tego więcej bitów przechowuje komórka naraz, tym krócej jest sprawna. Pamięci SLC są najżywotniejsze, ponieważ przechowują tylko 1 bit informacji.
Komórka SLC jest w stanie przeżyć nawet 100 000 cykli zapisu i kasowania danych.
Natomiast komórka MLC, która przechowuje 2 bity informacji, jest w stanie przeżyć już 10 000 cykli (10x mniej niż SLC).
TLC – 3 bity danych na komórkę. Wytrzymują jeszcze mniej – 500 do 3000 cykli. Duża rozbieżność. Niewątpliwie fabryka, z której dysk „wyjeżdża”, może być czynnikiem decydującym.
QLC – 4 bity. Firma Toshiba twierdzi, że komórki jej pamięci QLC wytrzymują „aż” do 1000 cykli. Brak informacji na temat innych producentów.
PLC – 5 bitów na komórkę. Brak informacji na temat potencjalnej żywotności takich komórek. Z pewnością jeszcze mniejsza niż QLC.
Jak producenci przeciwdziałają zużywaniu się pamięci SSD? – Odpowiedź jest prosta – montują więcej komórek.
Jak działa kontroler pamięci flash dysku SSD
Każdy dysk/pendrive posiada swój kontroler. Jest to układ scalony, który decyduje który bit ma zostać zapisany w której komórce. Jak już wspomniałem – komórek może być tyle, co gwiazd w drodze mlecznej a segregacja danych jest bardzo ważna. To od tego procesu zależą dalsze losy danych. Odpowiada za niego oczywiście kontroler.
Taki układ ma niewątpliwie bardzo odpowiedzialne zadanie, gdyż powinien zadbać o to, by wszystkie komórki dysku zużywały się równocześnie. W przeciwnym wypadku powstaną „martwe” segmenty dysku gdy inne będą miały się świetnie…
Oprócz segregacji każdego bita, kontroler ma bezpośrednie przełożenie na wydajność dysku. Nawet najlepsze pamięci w połączeniu z wolnym kontrolerem nie wykorzystają swojego potencjału. Godnym polecenia kontrolerem, który znam (tylko dla dysków SATA) jest Phison PS3111-S11. Oferuje on jedne z najlepszych prędkości na SATĘ oraz dyski, które go posiadają, nie miewają zbyt wielu błędów w zapisie (patrz Goodram IRDM). Jest również żywotny.
Dyski M.2 niewątpliwie będą potrzebować szybszych kontrolerów gdyż jak wiadomo z tego artykułu lub tego dyski te są zbyt szybkie żeby ograniczać je SATĄ.
Co to jest DRAM w dysku?
Podręczna pamięć operacyjna dysku. Działa tak jak RAM komputera, ale stanowi integralną część dysku SSD. Służy przesyłaniu plików jako bufor. Pamięć tego typu jest znacznie szybsza od pamięci flash dysku, ale jest ulotna, oznacza to, że po odcięciu zasilania dane na niej zapisane przepadają. Najszybsze dyski SSD posiadają nawet 1 GB DRAM. Jeżeli dysk nie posiada pamięci DRAM lub posiada jej za mało, to posiłkuje się pamięcią RAM komputera.
Co jeśli dysk SSD jest o krok od zużycia się?
Dyski, których komórki są o krok od wymarcia, mogą wykonać prawdopodobnie najbardziej heroiczny i korzystny dla użytkownika uczynek. Ich kontrolery mogą zarządzić przerwanie jakiegokolwiek zapisu i kasowania danych. Dlaczego jest to korzystne dla użytkownika? -Równoważy się z przerwaniem wymierania komórek pamięci. Takie dyski dalej umożliwiają odczyt danych. Dzięki temu użytkownik ich nie straci i będzie mógł je nadal skopiować na inny nośnik a szlachetny dysk SSD nie odejdzie bez ostatniego słowa…
Aby dysk mógł kontrolować stan swoich komórek, musi obsługiwać S.M.A.R.T. Również jego producent musi umożliwić mu działanie na własną rękę.
Co to jest S.M.A.R.T ?
S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) – technologia samo-monitorująca stan dysku. Raportuje błędy w zapisie związane z wymarciem komórek. Analizuje ogólny stan dysku. Jak wspomniałem powyżej, może zdziałać bardzo wiele i uchronić nasze dane. Dyski obsługujące S.M.A.R.T mogą być sprawdzane przez użytkownika za pomocą programów komputerowych służących do diagnostyki.
Najdłużej żywotny dysk SSD
Tylko jeden model wyrywa się przed resztę wśród tanich i wytrzymałych dysków. Został wykonany w technologii MLC. Ponad roczny test przeprowadziło MoreleTV. Test przeciążał dyski do granic możliwości. Pokazał również że jest model znacznie wytrzymalszy od reszty konkurencyjnych dysków SSD.
Jego wynik zachwyca, 120GB wersja dysku zdołała zapisać (i kasować) 1 200 000 GB, zanim jego podzespoły nie nadawały się już do użytku. Konkurencja dysku miała wyniki plasujące się na poziomie od 100 000GB do 700 000GB. Dysk pochodzi od polskiego producenta i nazwa się GOODRAM IRDM.
Produkcja SmartMob.pl
Źródła wiedzy: wiedza własna Autora, zewnętrzne: pierwsze drugie trzecie czwarte.
Źródło grafik: produkcja własna.
Źródło zdjęć: bank zdjęć.