Budowa i zasada działania dysku SSD
Jak działa i jak zbudowany jest dysk SSD?
Dysk SSD (ang. Solid State Drive) inaczej dysk półprzewodnikowy jest urządzeniem opartym o układy pamięci flash (podobnie jak pendrive).
Nie posiada zatem żadnych ruchomych części podatnych na uszkodzenia mechaniczne (spowodowane np. przez wibracje, wstrząsy, uderzenia i upadki). Z tego samego powodu dyski SSD są również bezgłośne.
Dyski SSD mogą pracować również w wyższych temperaturach (do 85 st. C). Dla porównania zwykły dysk HDD dobrze znosi temperatury do 50 st. C.
Z uwagi na dużą wydajność oraz coraz niższe ceny dyski SSD są obecnie coraz chętniej kupowane. Niestety jednak są one podatne na uszkodzenia oprogramowania układowego (ang. firmware)
oraz uszkodzenia elektroniczne. Stąd też nasze laboratorium zajmuje się odzyskiwaniem danych również z dysków tego typu.
Format i interfejs dysku SSD
Standardowe dyski SSD występują najczęściej w 3 formatach (ang. form factor): 2.5" SATA, mSATA oraz M.2.
Format 2.5" SATA to klasyczne dyski w obudowie o rozmiarze 2.5" (i grubości najczęściej 7 mm) montowane w standardowych miejscu i pasujące do typowego gniazda dysku twardego w laptopie lub komputerze stacjonarnym. Ten rodzaj dysku wykorzystuje interfejs SATA, który jest szeroko stosowany w komputerach, co oznacza, że można go łatwo podłączyć do większości komputerów. Zatem jest to najbardziej uniwersalna forma nośników SSD.
Dysk mSATA (mini-SATA) ma formę karty rozszerzeń o rozmiarze 30mm x 50,95mm (i grubości od 3,5 do 5 mm) i zwykle są montowane bezpośrednio na płycie głównej laptopa lub komputera. Dyski tego typu wykorzystują interfejs mSATA, który jest w zasadzie miniaturą interfejsu SATA. Ze względu na swoją mniejszą formę, dyski mSATA były szczególnie przydatne w urządzeniach, w których przestrzeń jest ograniczona np. ultrabooki lub netbooki.
Format M.2 (dawniej znany jako NGFF, ang. Next Generation Form Factor) to nowy standard karty rozszerzeń montowanych na płycie głównej w gnieździe rozszerzeń M.2 lub na specjalnej adapterze PCI-E posiadającym gniazdo M.2.
Ze standardu tego korzystają nie tylko dyski SSD lecz także moduły Wi-Fi, Bluetooth, NFC, GPS, LTE.
Dyski M.2 są mniejsze niż standardowe dyski SSD 2.5" ale większe niż dyski mSATA. Są to karty o szerokości 22mm i długości 42 mm (oznaczenie 2242), 60 mm (2260) lub 80 mm (2280) - obecnie najpopularniejszy.
Elementy na kartach M.2 mogą być zabudowane jednostronnie (ang. Single-Sided) lub dwustronnie (ang. Dual-Sided). Standard M.2 jest następcą standardu mSATA.
Klucze i interfejsy w dyskach SSD M.2
Dyski SSD w formacie M.2 mogą wykorzystywać interfejs (magistralę) SATA lub znacznie szybszy interfejs PCI-E. Nie są one ze sobą kompatybilne.
Niektóre płyty główne mogą w złączach M.2 obsługiwać oba standardy. Natomiast dysk SSD M.2 może obsługiwać tylko jeden wybrany standard.
Samo złącze M.2 występuje w różnych wariantach zwanych kluczami. W przypadku dysków SSD wykorzystywane są klucze B (6 pinów na krótszej części złącza) i M (5 pinów) oraz ich kombinację B + M (dwa wycięcia).
Przyjęło się obecnie, że z klucza M korzystają szybkie dyski SSD PCI-E (magistrala PCI-e x4), natomiast z klucza B dyski SATA.
Klucz B + M może być wykorzystywany zarówno przez interfejs SATA jak i wolniejszą wersję PCI-E (magistrala PCI-e x2).
Pozostałe klucze są zarezerwowane dla innych urządzeń. Przykładowo moduły Wi-Fi i Bluetooth korzystają z kluczy A, E oraz A + E.
Przed zakupem dysku SSD w formacie M.2 warto sprawdzić w dokumentacji laptopa lub płyty głównej zastosowany interfejs i klucz gniazda M.2 oraz akceptowaną długość oraz grubość karty.
Nawet w przypadku dysków z kluczem B + M, które zawsze będą fizycznie pasowały do złącza M.2, nie ma pewnośći, że będą one działać. Na szczęście umieszczenie w złączu M.2 nieobsługiwanego dysku
nie spowoduje jego uszkodzenia. Nie będzie jedynie wykrywany przez komputer.
Wydajność dysków SSD
Dyski SSD korzystające z interfejsu SATA niezależnie od formatu (2.5" SATA, mSATA lub M.2) mają podobną wydajność. Górnym ograniczeniem jest przepustowość na poziomie ok. 560 MB/s.
Dyski M.2 PCI-E z kluczem M korzystając z magistrali PCI-e 3.0 x4 maskymalnie mogą osiągnąć transfery na poziomie 4000 MB/s.
Natomiast dyski M.2 PCI-E z kluczem B + M korzystając z magistrali PCI-e 3.0 x2 mogą osiągnąć połowę tego transferu czyli ok. 2000 MB/s.
Można zatem ogólnie powiedzieć, że dyski M.2 z kluczem M są szybsze od dysków z kluczem B lub B+M. Oczywiście podane transfery to maksymalne wartości.
W praktyce wydajność dysku SSD zależy od zastosowanych komponentów (kontroler, pamięci). Możliwa jest sytuacja, że dobry dysk SSD z interfejsem SATA będzie szybszy niż dysk PCI-E bazujący na kiepskich komponentach.
Z drugiej strony użytkownik w codziennych zastosowaniach (samo ładowanie systemu, oglądanie filmów, przeglądanie zdjęć, stron www itp.) może nie zauważyć różnicy w wydajności lub będą to subtelne różnice.
W celu podniesienia wydajności dysków SSD w obecnych systemach operacyjnych (np. od Windows 7) stosuje się funkcję TRIM w połączeniu z mechanizmem porządkowania nieużywanych komórek (ang. Garbage Collection).
W przeciwieństwie do tradycyjnych dysków HDD, w SSD nie można nadpisywać nieużywanych komórek. Wcześniej należy je wyczyścić, co zajmuje czas. Z tego względu mechanizm Garbage Collection podczas
nieaktywności dysku porządkuje go po tym jak funckja TRIM poinformuje dysk, że konkretne komórki zostały zwolnione.
Niestety mechanizm ten poza zaletą w postaci podniesienia ogólnej wydajności pracy dysku ma również istotną wadę.
Mianowice dane oznaczone jako usunięte są fizycznie bezpowrotnie kasowane i nie ma możliwości ich odzyskania.
Programy do odzyskiwania danych mogą nawet odnajdywać usunięte pliki ale po ich odzyskaniu okaże się, że są one całkowicie puste.
Budowa i zasada działania dysków SSD
Niezależnie od formatu i interfejsu ich zasada działania wszystkich dysków SSD jest taka sama.
Dane użytkownika fizycznie przechowywane są w komórkach układów pamięci flash (pamięć NAND typu: SLC, MLC, TLC lub QLC) - 1.
Jest to pamięć nieulotna, czyli nie wymaga podtrzymywania zasilania do utrzymania informacji.
W tej pamięci znajduje się również specjalny, krytyczny obszar nazywany strefą serwisową (SA, ang. Service Area) zawierający dane konfiguracyjne dysku oraz oprogramowanie układowe (firmware).
Jest on ukryty przed użytkownikiem.
Sercem dysku SSD jest kontroler - 2 odpowiadający za komunikację z układami pamięci oraz pracę całego dysku.
Dba on również o równomierne zużycie komórek pamięci (ang. wear leveling).
W wolnym czasie kontroler oczyszcza fizycznie nieużywane komórki (funkcja TRIM), aby zapewnić maksymalną wydajność całego napędu, gdyż dane można zapisać tylko do pustych komórek. W tradycjnych dyskach HDD
nie miało to znaczenia, czy komórki są puste czy nie. Niektóre kontrolery (np. Sandforce) również szyfrują i deszyfrują w locie dane zawarte w modułach pamięci.
Aby przyspieszyć pracę dysku operacje zapisu/odczytu są buforowane w szybkiej pamięci podręcznej (pamięć DRAM) - 3.
Złącza zewnętrzne odpowiadają za komunikację dysku z otoczeniem (interfejsy - 4 - np. SATA, mSATA, M.2) oraz zasilanie - 5. W przypadku dysków mSATA i M.2 mamy jedno złącze łączące obie funkcje.
Po włączeniu zasilania kontroler wczytuje firmaware a następnie inicjalizuje dysk SSD do pracy odczytując dane ze strefy serwisowej. Wszelkie uszkodzenia tego obszaru mogą zaburzyć pracę dysku uniemożliwiając dostęp do danych użytkownika.
Żywotność dysków SSD
Dyski SSD do przechowywania danych używają pamięci flash typu NAND. Główną wadą takiej pamięci jest to, że jej komórki zużywają się z każdym zapisem i po pewnym czasie nie nadają się do dalszej pracy.
Aby zwiększyć czas bezproblemowej pracy pamięci, kontroler dysku SSD rozkłada zapisywane dane tak, aby równomiernie wykorzystywać wszystkie komórki pamięci (ang. wear leveling).
Mechanizm ten zapobiega nadmiernemu zużyciu pojedynczych komórkek pamięci.
W obecnych dyskach SSD stosowane są 3 rodzaje komórek: SLC (ang. Single Level Cell) - szybsze, trwalsze ale mniej pojemne i droższe,
MLC (ang. Multi Level Cell) - tańsze i bardziej pojemne ale wolniejsze i mniej trwałe oraz TLC (ang. Triple Level Cell) - najtańsze i najbardziej pojemne ale najmniej trwałe.
Trwałość komórki pamięci mierzona jest liczbą cykli zapisów/kasowania (P/E), które można na komórce przeprowadzić. Należy również pamiętać, że kasowanie komórek niezbędne do zapisania nowych danych,
jest również operacją zapisu zmiejszającą jej trwałość. Ogólnie czas życia komórek pamięci flash mieści się w przedziale od 3 tys. (TLC) poprzez 10 tys. (MLC) do 100 tys. (SLC) cykli P/E (programowania/kasowania).
Natomiast żywotność całych dysków SSD mierzy się parametrem TBW (ang. Total Bytes Written) oznaczający całkowitą ilość zapisanych terabajtów w całym okresie eksplotacji dysku.
Dla przedłużenia życia dysku SSD należy ograniczyć w systemie wszelkie zbędne operacje zapisu/kasowania takie jak np. defragmentację, indeksowanie, wstępne ładowanie do pamięci (w systemie Windows).
Dodatkowo nie powinno się dysku SSD zapełniać w 100%. Warto zostawić minimum 10% wolnego miejsca, aby mechanizm rownoważenia zużycia komórek mógł optymalnie działać.