Как работает SSD

0
75

Вероятно, ни один из компьютерных компонентов, произведенных выше, не обеспечивает такого большого увеличения производительности, как SSD. Тщательное изучение его принципов работы показывает, что этот носитель данных — это гораздо больше, чем набор систем флэш-памяти.


Содержание
Структура ячейки флэш-памяти Типы памяти — NAND и NOR MLC и SLC — более одного бита на ячейку Защита в виде контроллера

Носители данных с ферромагнитными вращающимися пластинами являются этапом в истории ИТ-сектора, который сопровождал компьютеры с самого начала их истории в 1950-х годах. Каждый, кто открутил обычный жесткий диск, заметил, что это сложное устройство, состоящее из множества элементов. По сравнению с ними построение моделей SSD, в которых данные хранятся в стационарных полупроводниковых системах, кажется удивительно простым — всего около десятка микросхем Flash на плате, верно? Не совсем Если присмотреться к внутреннему виду такого современного диска, то окажется, что это независимая система хранения данных с усовершенствованным контроллером, буфером и резервом памяти.

Структура ячейки флэш-памяти

Твердотельные накопители сохраняют данные в ячейки Flash. В отличие от DRAM, который используется в модулях RAM, флэш-память является энергонезависимой. Для сохранения одного бита в технологии DRAM требуется транзистор с конденсатором, который должен постоянно снабжаться электроэнергией. В Flash-системах конденсатор не нужен. Вместо этого используются два транзистора. Один называется управляющим, а другой — плавающим . Плавающий затвор создает своеобразную ловушку, которая при применении может постоянно захватывать и удерживать электроны — даже после отключения напряжения. Ловушка изолирована слоем оксида кремния, и электроны проникают в него через квантово-механическое явление, называемое туннельным эффектом. Электроны, захваченные в плавающем затворе, влияют на электрическое поле соседнего управляющего затвора, то есть на проводимость ячейки флэш-памяти. Измеряемое пороговое напряжение, которое используется для инициирования проводимости в ячейке (транзисторе), увеличивается с нагрузкой на плавающий затвор и позволяет отличать незаряженную ячейку памяти от заряженной. Описанный эффект можно обратить вспять. Приложение напряжения сброса (выше нормального) выбрасывает электроны из плавающего затвора, что увеличивает проводимость элемента. Одна система флэш-памяти состоит из миллиардов таких ячеек.

Как работает SSD

Схема работы ячейки флэш-памяти — при подаче регистрирующего напряжения электроны проникают через плавающий затвор, изменяя электрическое поле управляющего затвора и одновременно проводимость ячейки.

Типы памяти — NAND и NOR

Ячейки в системе Flash можно расположить и соединить двумя различными способами. Соответственно выделяются два типа флэш-памяти — NAND и NOR. Оба использовали технологию плавающих затворов, но разную логическую структуру, а также способ чтения и записи битов. В простейшей организации ячеек памяти они расположены в строках и столбцах. Каналы, соединяющие ячейки одного ряда друг с другом, называются горизонтальными линиями или линиями слов, в то время как ячейки одного столбца связаны друг с другом вертикальными линиями, так называемыми битовые строки. Описанная система, используемая в памяти типа NOR, позволяет адресовать и считывать отдельные ячейки. Если к строке слова приложено напряжение для считывания содержимого данной ячейки, в зависимости от ее заряда, напряжение появится в соответствующей строке битов. Логический оператор NOR позволяет определить, какое битовое значение хранится в конкретной ячейке — 0 или 1 (0 NOR 0 = 1; 1 NOR 0 = 0). Однако описанная система NOR имеет серьезный недостаток, который затрудняет ее реализацию в системах памяти. Горизонтальные и вертикальные линии занимают много места и, кроме того, обеспечивают очень сложную структуру системы памяти. Дополнительным недостатком технологии являются высокие производственные затраты.

Для производства носителей данных, которые не требуют однобитовой адресации, подходит другой тип Flash, в котором он ссылается на целые блоки размером от 512 до 4096 байт. Он использует логический элемент NAND (из комбинации NOT и AND). В этом типе памяти ячейки отдельных столбцов соединены друг с другом последовательно через разрядную линию. Однако горизонтальные линии слова бегут строка за строкой, соединяясь по очереди с каждой ячейкой. Поэтому чтение осуществляется целыми строками, называемыми страницами памяти. Когда напряжение чтения приложено к строке слова, битовые строки дают в результате содержимое всех ячеек в данной строке.

Как работает SSD

Память NAND — этот вариант используется в средствах массовой информации. Вы не можете напрямую ссылаться на отдельные области памяти, но только на целые строки (страницы памяти).

MLC и SLC — более одного бита на ячейку

Современные технологии позволяют увеличить плотность записи. Используя разные уровни напряжения, можно получить несколько состояний заряда в одной ячейке памяти. Для этого нагрузка плавающего затвора делится на несколько уровней и, в зависимости от приложенного регистрирующего напряжения, накапливает в нем определенное количество электронов. Такие ячейки называются многоуровневыми ячейками (MLC). Вы можете сохранить до трех бит информации в ячейке, которая может различать восемь уровней заряда. Между тем обычная ячейка, известная как одноуровневая ячейка (SLC), может хранить только один бит. Технология MLC используется в общедоступных жестких дисках SSD, картах памяти и карманных USB-накопителях (pendrives). Однако у дешевых носителей MLC срок службы намного короче — максимальное количество циклов записи в них значительно меньше, чем в памяти SLC. Одноуровневая ячейка выдерживает около 100 000 операций записи. В зависимости от производителя, многоуровневая ячейка имеет всего несколько тысяч циклов записи. Тогда оксидный слой теряет свои изоляционные свойства, становится проницаемым, а ячейки памяти теряют информацию, хранящуюся в них.

Как работает SSD

NOR memory — расположение строк слов и битовых строк позволяет ссылаться на конкретные ячейки памяти. Однако сложная структура отрицательно влияет на скорость чтения и записи данных.

Защита в виде контроллера

Чтобы остановить быстрое старение диска и предотвратить преждевременный выход из строя элементов MLC, производители используют хитрые приемы. Встроенный контроллер равномерно распределяет операции записи по всем страницам памяти и, таким образом, по всему пространству носителя. Кроме того, он имеет обширный буфер, который позволяет упорядочивать предварительно сохраненные данные в структурированные структуры. Каждая команда записи данных, которую операционная система отправляет на твердотельный накопитель, оптимизируется внутренней микропрограммой ( встроенным ПО ) устройства, а затем разбивается на разные страницы памяти. Рассматриваемые методы называются выравниванием износа . Следовательно, надежность SSD-диска при ежедневной бесперебойной работе определяется не только качеством полупроводниковых ячеек памяти, но и алгоритмами, реализованными в логике контроллера.

Постоянное удаление содержимого SSD

Логика контроллера на диске SSD управляет операциями записи, чтобы использовать все области памяти как можно более равномерно. Таким образом, он продлевает срок службы опоры, но имеет неблагоприятный побочный эффект. Предотвращает необратимую очистку и перезапись содержимого SSD. Даже многократная перезапись файлов или даже всего пространства хранения не дает полной гарантии того, что ранее собранные данные будут безвозвратно потеряны. Например, команде исследователей из Калифорнийского университета во главе с Майклом Вэем удалось прочитать предположительно удаленные ресурсы с SSD с помощью встроенного контроллера.

Только прямые команды ATA позволяют эффективно удалять данные из отдельных областей памяти, чтобы их нельзя было снова прочитать. Набор команд SSD включает Команда ATA Secure Erase, которая может быть инициирована приложениями. Некоторые производители прикрепляют правильные инструменты к своим твердотельным накопителям. Кроме того, вы можете использовать решение, которое не зависит от производителей или моделей накопителей. Он предоставляется Parted Magic ($ 5), автономной системой, основанной на среде Linux. Он оснащен надежный инструмент разметки GParted и многие другие дисковые программы. Parted Magic предназначен для опытных пользователей. Используйте его на свой страх и риск! Инструмент для удаления данных должен использоваться только на дисках, подключенных напрямую через интерфейс SATA. Ни при каких обстоятельствах не пытайтесь очищать носители, подключенные к вашему компьютеру через порты USB или eSATA. Образ ISO, загруженный из Интернета, должен быть записан на чистый диск, а с него должен быть загружен компьютер. После запуска системы вы увидите англоязычный рабочий стол со структурой команд, напоминающей меню «Пуск» Windows. Нажмите System Tools в нем Стереть диск . Затем укажите Внутренний: команда безопасного стирания записывает нули во всю область данных , выберите диск и подтвердите, нажав OK .