Продовжуючи розповідь про пристрої зберігання даних, не можна оминути стороною SSD — один із найпоширеніших типів накопичувачів, який активно витісняє традиційні жорсткі диски з ринку. У цьому матеріалі розглянемо, що таке SSD, їхні різновиди, а також переваги та недоліки в порівнянні з HDD. Окрім того, детальніше зупинимося на типах пам’яті, що використовуються в SSD та характеристиках пристроїв.

Що таке SSD

SSD (Solid State Drive) – твердотільний накопичувач – пристрій без механічних частин, що використовує мікросхеми енергонезалежної флеш-пам’яті для зберігання даних.

SSD бувають внутрішніми (встановлюються всередині комп’ютера або ноутбука) та зовнішніми (підключаються ззовні через USB, Thunderbolt тощо).

Залежно від типу, внутрішні SSD можуть мати вигляд продовгуватої друкованої плати з мікросхемами або плати в пластиковому чи металевому прямокутному корпусі з роз’ємом для підключення до комп’ютера з одного боку.

Зовнішні SSD мають більшу різноманітність у дизайні та формі. Наприклад можуть нагадувати PowerBank, чи USB-флешку.

Для чого потрібен SSD

У компʼютерах та ноутбуках, твердотільні накопичувачі, як і жорсткі диски, слугують пристроями постійної пам’яті. Тобто на них зберігаються: операційна система, програми, документи, мультимедійний контент, тимчасові файли, а також вміст оперативної памʼяті, в режимі сну.

На зовнішні SSD також можна встановлювати операційні системи, проте їх частіше використовують як сховища для користувацьких даних: документів, фото, відео тощо. Зовнішні SSD підходять для швидкого перенесення файлів між пристроями, створення резервних копій і розширення пам’яті.

Порівняння SSD та HDD

Якщо SSD виконує ті ж самі функції що й HDD, то чому ж попит на них росте? Основними перевагами твердотільні накопичувачі порівняно з жорсткими дисками є:

• Швидкість передачі даних – SSD значно швидші за HDD. Швидкість доступу до даних в них вимірюється мікросекундами, тоді як у жорстких дисків це мілісекунди. А загальна швидкість читання та запису SSD перевищує HDD у 5 – 50 разів;
• Енергоспоживання – твердотільні накопичувачі споживають менше енергії, що позитивно впливає на автономність, наприклад, ноутбуків;
• Рівень шуму – відсутність рухомих частин робить SSD безшумними;
• Механічна стійкість – завдяки відсутності рухомих частин SSD менш чутливі до механічних пошкоджень;
• Мала вага та компактність – твердотільні накопичувачі легші та менші за розмірами в порівнянні з жорсткими дисками.

Швидкість є основною перевагою SSD над HDD. Вона забезпечує в 2 – 4 рази швидше завантаження операційних систем, програм та файлів. Це особливо помітно при роботі з великими обсягами даних або при використанні ресурсомістких програм, таких як відеоредактори чи ігри. Завдяки високій швидкості зчитування та запису, SSD значно зменшують час, необхідний для копіювання та перенесення файлів. Саме завдяки цьому заміна жорсткого диска на SSD є чудовим варіантом для підвищення продуктивності старих ПК.

Проте твердотільні накопичувачі мають й свої недоліки. Основних є два:

• Вища ціна за гігабайт – при однаковому обсязі пам’яті вартість SSD може в декілька разів перевищувати вартість жорсткого диску;
• Кількість циклів перезапису – SSD мають обмежену кількість циклів запису та стирання інформації, що впливає на їх довговічність при інтенсивному використанні. Хоча ця проблема значною мірою вирішується у сучасних SSD завдяки технологіям управління зносом, все ж на це варто звертати увагу при виборі пристрою.

Зважаючи на переваги та недоліки пристроїв, існує поширений варіант влаштування постійної пам’яті в комп’ютері: невеликий за обсягом SSD для операційної системи і програм, щоб комп’ютер працював швидко, та HDD більшого розміру для файлів документів та медіа.

Як влаштований SSD

Влаштування твердотільного накопичувача загалом не складне. Основними його компонентами є:

• Друкована плата;
• Контролер памʼяті;
• Мікросхеми памʼяті.

Розглянемо детальніше.

Друкована плата

Друкована плата є платформою, на яку встановлюються інші компоненти. Вона звʼязує їх між собою, перетворюючи в єдину систему.

На одній з граней друкованої плати розташовується інтерфейс (контакти) підключення пристрою до компʼютера. Він може бути як окремим елементом, припаяним до плати, так і її частиною.

Контролер

Контролер SSD – мікросхема, яка керує роботою твердотільного накопичувача. Вона координує зчитування, запис і управління комірками пам’яті. Це свого роду «мозок» SSD, що визначає його продуктивність, довговічність і функціональні можливості.

Функції контролера:

• Керування записом і зчитуванням – визначає, як дані записуються в пам’ять і як швидко їх можна прочитати;
• Вирівнювання зносу (Wear Leveling) – розподіляє навантаження між комірками пам’яті, щоб подовжити термін служби SSD;
• Error Correction Code (ECC) – виправляє помилки, що виникають при зчитуванні/запису даних;
• Збирання сміття (Garbage Collection) – оптимізує використання пам’яті шляхом перерозподілу і очищення блоків;
• Шифрування – деякі контролери підтримують апаратне шифрування даних;
• Кешування – використання DRAM або SLC-кешу для підвищення швидкості роботи.

Мікросхеми памʼяті

Мікросхеми пам’яті – це електронні компоненти, які використовуються безпосередньо для зберігання інформації. Вони складаються із комірок пам’яті які зберігають дані декількома методами, наприклад, через наявність або відсутність електричних зарядів чи їхні фізичні властивості.

В залежності від обʼєму накопичувача кількість мікросхем може змінюватись.

Інші компоненти

Важливим компонентом SSD що, однак, присутній не на всіх моделях, є мікросхема буферної памʼяті. Це проміжний швидкий кеш між контролером і основною пам’яттю, який використовується для тимчасового зберігання даних, що записуються або читаються. Як правило, це DRAM. Вона підвищує швидкодію накопичувача, зменшуючи затримки при доступі до інформації.

Не дивлячись на те що, контролери SSD можуть самостійно виконувати шифрування даних, багато сучасних твердотільних накопичувачів оснащуються окремими мікросхемами для цього. Це дозволяє захистити дані на диску, забезпечуючи високий рівень безпеки без навантаження на процесор комп’ютера.

Звісно, не варто забувати про корпус та радіатори охолодження. Наявність цих компонентів також не обовʼязкова і залежить від типу SSD.

Типи памʼяті

В компʼютері SSD є частиною енергонезалежної системи памʼяті, де інформація зберігається навіть без подачі живлення. Для цього в них використовують технологію флеш-памʼяті.

Флеш-пам’ять — це тип пам’яті, де інформація зберігається в комірках з транзисторів, використовуючи електричні заряди або їх відсутність (чи силу заряду) для представлення бітів інформації. Такий спосіб зберігання даних дозволяє швидко їх записувати та читати. Пристрої з флеш-пам’яттю не мають рухомих частин, на відміну від жорстких дисків, що робить їх більш стійкими до фізичних пошкоджень. USB-накопичувачі, смартфони, планшети — всі вони використовують флеш-пам’ять.

Існує декілька типів флеш-памʼяті: NAND-флеш та NOR-флеш. У SSD використовують перший тип – NAND-флеш. ЇЇ використання обумовлено високою щільністю зберігання даних, а також високою швидкістю запису та зчитування, особливо при роботі з великими обсягами даних. Крім того, NAND є дешевшою у виробництві, що робить пристрої з її використанням доступнішими за ціною.

Типи NAND

NAND-флеш, в свою чергу також поділяється на декілька типів:

SLC (Single-Level Cell) — це тип NAND, в якому в одній комірці пам’яті зберігається лише один біт інформації (електричний заряд є або немає). SLC є швидким та надійним типом памʼяті, з довгим терміном служби, оскільки кожна комірка зазнає менше циклів запису/стирання. Це робить SLC ідеальним для застосувань, де важлива висока швидкість і надійність.

MLC (Multi-Level Cell) — в кожній комірці зберігаються два біти інформації. В такий спосіб досягається більша щільність зберігання даних. Однак через це ж MLC має меншу швидкість запису та зчитування порівняно з SLC, оскільки для визначення бітів доводиться виконувати додаткові дії.

Технологія MLC передбачає більшу кількість циклів стирання, що негативно впливає на довговічність пристрою. Цей тип є дешевшим в порівнянні ціни за гігабайт з SLC, що робить його популярним для споживчих SSD.

TLC (Triple-Level Cell) — це NAND де в кожній комірці зберігається по три біти інформації. TLC має ще вищу щільність зберігання даних, що робить її ще дешевшою, але й  швидкість запису/стирання та довговічність порівняно з SLC та MLC тут, аналогічно – нижчі. TLC часто використовується в бюджетних SSD.

QLC (Quad-Level Cell) — це, як можна здогадатись, коли в кожній комірці памʼяті зберігається по чотири біти інформації. QLC забезпечує дуже високу щільність зберігання даних, що робить його дешевим у виробництві, але цей тип має найнижчі показники швидкості та довговічності. QCL використовується у недорогих твердотільних накопичувачах, де важливіше максимізувати обсяг пам’яті.

Види SSD

Твердотільні накопичувачі можна розділити за кількома критеріями: призначенням, типом памʼяті, форм фактором та інтерфейсом підключення.

Призначення (внутрішні та зовнішні SSD) та типи памʼяті вже розглянуті. Залишились форм-фактори та інтерфейси.

Форм-фактор SSD

За форм-фактором твердотільні накопичувачі можна розділити на:

• 2.5″;
• U.2;
• M.2;
• PCIe
• mSATA

2.5″ SSD

Пристрій, що має форму стандартного жорсткого диска для ноутбуків. Його можна легко встановити в ПК або ноутбук, якщо є відповідний порт. Найкраще підходить для апгрейду старої техніки.

U.2 SSD

Має аналогічні розміри що й 2.5″ SSD, але для підключення до компʼютера використовується інший розʼєм. Використовуються, як правило, на серверах або потужних робочих станціях.

M.2 SSD

Невелика продовгувата плата, що вставляється в материнську плату, та фіксується болтом. Мають стандартну ширину в 22 мм, проте бувають в чотирьох розмірах за довжиною: 30 мм, 42 мм, 60 мм, 80 мм. Позначаються відповідно як: 2230, 2242, 2260, 2280. Також існує розмір плат 22*110 (22110). Проте він використовується рідше, зазвичай на серверах або інших спеціалізованих пристроях.

При виборі слід звертати увагу під який розмір M.2 розраховане місце на материнській платі.

Форм-фактор M.2 використовується в сучасних ПК та ноутбуках.

PCIe (AIC – Add-in Card)

Це окремі плати розширення, на кшталт відеокарт, що підключаються в розʼєм PCI-Express на материнській платі.

mSATA SSD

Застарілий форм-фактор SSD який був розроблений для компактних пристроїв, таких як ультрабуки та деякі ноутбуки. Нагадує M.2 SSD проте має інші розміри (50.8 × 29.85 мм).

Інтерфейс

Інтерфейс (або тип підключення) забезпечує передачу даних між SSD та іншими компонентами ПК. Також від інтерфейсу залежить швидкість передачі даних.

Інтерфейс, та розʼєм для підключення – не одне й те ж. Деякі форм-фактори SSD можуть використовувати різні інтерфейси для передачі даних використовуючи один й той же розʼєм на материнській платі. Тому при виборі пристрою слід звертати увагу, не лише на розʼєм, а й який саме інтерфейс використовується для підключення SSD.

Існує два поширених інтерфейси підключення SSD до материнських плат:

• SATA;
• NVMe.

SATA

SATA (Serial ATA, Serial Advanced Technology Attachment) – інтерфейс для підключення накопичувачів, таких як жорсткі диски, твердотільні накопичувачі, оптичні диски, тощо.

За весь час вийшло три версії стандарту основною зміною в яких була пропускна здатність:

• SATA I – 150 МБ/с;
• SATA II – 300 МБ/с;
• SATA III – 600 МБ/с.

Інтерфейс використовує два розʼєми для підключення пристрою:

• SATA (Data) – 7-контактний роз’єм для передачі даних.
• SATA (Power) – 15-контактний роз’єм для живлення накопичувача.

Форм-фактори SSD, що використовують цей інтерфейс:

• 2.5″ SSD;
• M.2.
• mSATA

SATA залишається актуальним для HDD та частини бюджетних SSD, але для високошвидкісних накопичувачів використовується PCIe/NVMe.

NVMe

NVMe (Non-Volatile Memory Express) — інтерфейс і протокол для підключення твердотільних накопичувачів (SSD) через шину PCIe.

Основні особливості NVMe:

• Висока швидкість — використовує переваги PCIe, забезпечуючи значно більшу пропускну здатність, ніж SATA;
• Низька затримка — оптимізований для роботи з флеш-пам’яттю, що зменшує затримки під час доступу до даних;
• Паралельна обробка запитів — підтримує тисячі черг і команд одночасно (на відміну від SATA з його одним потоком команд).

Форм-фактори SSD, що використовують NVMe:

• M.2;
• U.2;
• PCIe.

SATA SSD обмежені швидкістю приблизно 550 МБ/с, тоді як NVMe SSD можуть досягати 7000+ МБ/с (залежно від покоління PCIe).

Характеристики SSD

Ми майже розібралися з SSD накопичувачами, залишилось лише поговорити про характеристики. Отже:

• Тип пам’яті – SLC, MLC, TLC, QLC. Впливає на швидкість, надійність і ресурс запису SSD;
• Інтерфейс – SATA чи NVMe. Визначає максимальну швидкість передачі даних і сумісність з пристроями;
• Форм-фактор – 2.5″, M.2, mSATA, U.2 або PCIe-карта. Визначає можливість використання в різних системах;
• Об’єм пам’яті – від 120 ГБ до 8 ТБ і більше. Впливає на можливості зберігання даних. Зазвичай вказується величиною, не кратною степені двійки (не 256 Гб, а 240; не 512 Гб, а 480 Гб). Це пов’язано з тим, що контролери накопичувачів резервують частину пам’яті на заміну блоків, що вичерпали свій ресурс;
• Швидкість читання/запису – варіюється від 500 МБ/с (SATA) до 7000+ МБ/с (NVMe);
• Ресурс запису (TBW) – загальний обсяг даних, який можна записати на SSD протягом усього строку його експлуатації. Є гарним індикатором того, як довго може прослужити накопичувач за нормальних умов експлуатації;
• Наявність DRAM-буфера – прискорює роботу накопичувача;
• Контролер – визначає продуктивність, ефективність роботи з пам’яттю та довговічність SSD;
• Енергоспоживання – особливо важливо для ноутбуків, де економія заряду акумулятора має значення.

Висновки

SSD — це важливий етап у розвитку технологій зберігання даних. Забезпечуючи значні переваги у швидкості та надійності, безшумна робота SSD, їх компактність і менша чутливість до механічних пошкоджень роблять їх ідеальними для сучасних комп’ютерів та ноутбуків. Проте варто пам’ятати про вищу ціну порівняно з HDD і обмеження щодо кількості циклів запису.

Водночас постійний розвиток технологій, зниження вартості та збільшення терміну служби SSD робить їх дедалі доступнішими та ефективнішими для повсякденного використання, тому вони вже в багатьох пристроях використовуються за замовчуванням.