Стаття востаннє коригувалася 2022.01.25 та могла втратити свою актуальність !!!

Стаття про основні принципи роботи сучасних комп'ютерних запам'ятовуючих пристроїв - жорстких дисків (HDD) і твердотільних накопичувачів (SSD).

Читач дізнається про переваги та недоліки кожного типу носіїв, а також про те, що потрібно враховувати при їх виборі та придбанні.

Багато говорити про важливе значення запам'ятовуючих пристроїв та їх основні функції сенсу немає. Відомо, що вони зберігають всі дані, які знаходяться в комп'ютері: фотографії, відео, музика, програми, текстові файли тощо. На сьогоднішній день в комп'ютерній техніці використовуються запам'ятовуючі пристрої 2 основних типів - це жорсткі диски (HDD) та SSD. Іноді зустрічаються також "гібриди" SSHD, що поєднують у собі SSD та HDD.

Жорсткий диск

Жорсткий диск (накопичувач на жорстких магнітних дисках (НЖМД), "вінчестер", англ. - hard disk drive (HDD) – постійний запам'ятовуючий пристрій, в якому використовується принцип магнітного запису Всередині цього носія запис даних здійснюється на жорсткі пластини, виготовлені з легкометалевого сплаву або скла і вкриті шаром спеціального магнітного матеріалу (найчастіше двоокис хрому), знаходяться в гермоблоці та швидко обертаються на одній осі.

За рахунок обертання створюється своєрідний підпір повітря, завдяки якому зчитуюча і записуюча голівки не торкаються поверхні пластин, хоча і знаходяться дуже близько до них (всього кілька нанометрів). Це гарантує надійність запису та зчитування даних. При зупинці пластин головки переміщуються за межі їх поверхні ("паркуються"). Така конструкція забезпечує довговічність жорстких дисків, але вони сильно "бояться" ударів та падінь, особливо в процесі читання / запису, коли диск обертається та головки знаходяться над його поверхнею.

Крім пластин і головок, до складу жорсткого диска входить привод, двигун та блок електроніки.

Завдяки надійності, великій ємності та відносно невисокій вартості, жорсткі диски вже тривалий час є дуже поширеними. Водночас, за рядом характеристик (швидкість читання та запису, вага, розмір, ударостійкість та ін.) HDD помітно поступаються SSD (див. нижче).

У розмовній мові жорсткий диск часто називають "вінчестером" або скорочено "вінтом". Цей термін колись давно був запозичений у мисливського гвинтівкового набою "30-30 Winchester", популярного в США на момент створення першого жорсткого диска, який на той час мав співзвучну назву "30-30".

Що потрібно враховувати під час вибору

• Форм-фактор (розмір).

HDD бувають двох основних форм-факторів - 2.5" та 3.5". Існують також HDD "екзотичних" форм-факторів типу 1.8" або 1", але все це "пережитки минулого" і зустрічається вкрай рідко.

HDD формату 2.5" помітно менші 3.5" і призначені для використання переважно у портативній техніці (ноутбуках). Крім невеликих розмірів якихось переваг HDD 2.5" немають. HDD 3.5" зазвичай більш надійні, працюють швидше, і якщо розмір посадкового місця дозволяє, краще віддавати перевагу їм.

• Інтерфейс підключення

Всі поширені жорсткі диски (як 2.5", так і 3.5") мають однаковий інтерфейс підключення. Це інтерфейс SATA (див. нижче). Не так давно в домашніх комп'ютерах можна було зустріти HDD з інтерфейсом IDE, але зараз це вже раритет. Завдяки універсальності SATA у системний блок комп'ютера можна встановити HDD як 2.5", так і 3.5". Теоретично HDD 3.5" успішно працювали б і в ноутбуках, якби підходили туди за розмірами.

У серверних системах використовуються також HDD з інтерфейсом SAS. Вони добре показують себе у багатозадачних сценаріях, але дуже дорогі й не можуть підключатися до звичайної материнської плати.

• Швидкість обертання шпинделя

Шпиндель - це та вісь всередині жорсткого диска, на якій встановлені запам'ятовуючі пластини. Що вища швидкість її обертання, то швидше відбувається читання і запис даних. Але від цього також залежить рівень шуму, який створюється жорстким диском в процесі експлуатації. Багато сучасних HDD мають змінну швидкість обертання шпинделя. Вона автоматично збільшується або знижується, залежно від сценарію використання HDD у конкретний момент часу.

Швидкість обертання шпинделя домашніх HDD зазвичай не перевищує 7200 об/хв., серверних - може досягати 15000 об/хв.

• Розмір буферу

Буфер (або кеш) - це невелика (до 512 Mb), але швидка внутрішня пам'ять жорсткого диска, в яку тимчасово поміщаються дані перед записом на жорсткий диск або відразу ж після їх зчитування з диска. Справа в тому, що читання та запис даних на магнітну пластину (особливо запис) відбувається досить повільно. Буфер помітно згладжує "перепади швидкості" під час роботи з HDD. Чим його обсяг більший, тим комфортніший жорсткий диск у повсякденному використанні.

Зокрема, під час запису на HDD дані спочатку зберігаються в швидкий буфер і потім "потихеньку" записуються на запам'ятовуючу пластину. Це чітко помітно при копіюванні на жорсткий диск файлів, розмір яких значно перевищує обсяг буферу. Після його заповнення швидкість запису може впасти в рази.

• Використовувана технологія запису

У сучасних жорстких дисках використовується 2 основні технології запису - CMR та SMR.

CMR (Conventional Magnetic Recording), яку також часто називають PMR (Perpendicular Magnetic Recording) – це звичайний магнітний запис, суть якого максимально проста . Зчитуюча і записуюча головки жорсткого диска, проносячись над поверхнею запам'ятовуючої пластини, здійснюють читання і запис даних безпосередньо на цільову доріжку, не зачіпаючи сусідні.

Одніим із способів збільшення ємності жорсткого диска є підвищення щільності запису. З цією метою виробники HDD роблять так, щоб магнітні доріжки на пластинах були дуже вузькими і розташовувалися максимально близько одна до одної. При використанні CMR все впирається в ширину записуючої голівки, яка значно більша, ніж зчитуюча. При спробах розташувати доріжки щільніше, вузька зчитуюча голівка може їх зчитувати. А ось широка записуюча починає перекривати та записувати відразу кілька доріжок.

Щоб обійти проблему бул придуманий "черепичний" спосіб запису або SMR (Shingled Magnetic Recording). Суть його полягає в тому, що доріжки накладаються одна на одну (немов черепиця). При записі цільової доріжки перезаписується і доріжка, з якої є перехльостування. На наступному витку записується вже вона, але зачіпається наступна за нею. І це все триває доти, доки не запишуться нові дані і не буде відновлено стан вже наявних на диску даних, які були порушені в процесі запису. У гіршому випадку може знадобитися перезапис усіх доріжок зони запам'ятовуючої пластини.

SMR не найкращим чином впливає на швидкість запису. Щоб якось згладити проблему жорсткі диски з цією технологією оснащуються додатковим дисковим кешем (on-disk cache), який розміщується в найбільш швидких зовнішніх ділянках запам'ятовуючої пластини. Він є своєрідним доповненням до буфера HDD і записується за класичною технологією CMR без черепичного перехльостування доріжок. При надходженні даних на запис вони спочатку розміщуються в цьому кеші і потім поступово переміщуються в основну область запам'ятовуючої пластини, але вже за технологією SMR. Відбувається все це у "фоновому" режимі. Зазвичай справа до переповнення дискового буфера не доходить і користувач не помічає різниці між швидкістю дисків з CMR і SMR. Однак, при копіюванні великих обсягів даних дисковий кеш може заповнитися до того, як контролер перенесе вміст у область SMR. У такому разі швидкість запису помітно знижується.

SMR дозволяє досягнути великої ємності HDD без використання декількох запам'ятовуючих пластин, зменшує складність конструкції і розміри жорсткого диска, підвищує його енергоефективність. Зрозуміло, що вона широко застосовується в "ноутбучних" жорстких дисках (диски формату 2.5"). Проте останнім часом виробники активно впроваджують її і в сегмент HDD 3.5".

При виборі HDD все ж краще віддати перевагу технології CMR. Такі диски в цілому швидші, довговічніші та надійніші.

SSD

SSD (solid-state drive) або твердотільний накопичувач — запам'ятовуючий пристрій, що з'явився значно пізніше за HDD та працює на основі використання мікросхем пам'яті. На відміну від жорсткого диска, він не містить рухомих частин.

Конструктивно SSD має багато спільного зі звичайною флешкою. Це друкована плата, на якій розпаяні кілька енергонезалежних запам'ятовуючих мікросхем, контролер, що керує їх роботою, буфер, а також "допоміжні" елементи, які забезпечують живлення, обмін даними з материнською платою та ін. (на зображенні нижче SSD формату 2.5" без корпусу). По суті, від флешки SSD відрізняється лише продвинутою логікою обробки процесів, більш високими швидкостями читання / запису і більшим обсягом зберігання даних.

У порівнянні з жорсткими дисками SSD мають ряд переваг: в рази більш висока швидкість читання / запису (до 20 разів, залежно від конкретної моделі), повна відсутність вібрації та шуму, низьке енергоспоживання, компактні розміри, краща стійкість до температурних коливань та механічного впливу та ін.

Але є у SSD й суттєві недоліки - більш висока, ніж у HDD, вартість за таку саму ємність і менший ресурс перезапису. Останнє обов'язково потрібно враховувати під час експлуатації SSD. Не рекомендується проводити їх дефрагментацію, а також використовувати у сценаріях, пов'язаних із надмірним "невиправданим" записом даних. З операційних систем Windows лише Windows 7 і більш нові версії враховують ці особливості. При використанні попередніх версій Windows термін служби SSD скорочується.

Основні характеристики SSD, які необхідно враховувати під час їх вибору:

• Форм-фактор (фізичні розміри та інтерфейс підключення)

Залежно від сфери застосування, SSD найчастіше випускаються в наступних форм-факторах:

- SSD 2.5"

Такі SSD виглядають так само, як "ноутбучні" жорсткі диски 2.5". У них навіть інтерфейс підключення такий же (SATA). Існування SSD цього формату продиктоване необхідністю сумісності зі старими ноутбуками та комп'ютерами, створеними під HDD, в які, за задумом, вони повинні встановлюватися для прискорення роботи (поряд з наявними HDD або замість них). Вкрай рідко, але на ринку можна зустріти й SSD інших форматів, спочатку придуманих для HDD, наприклад, SSD 1.8".

SSD з цієї групи швидші за HDD не більше ніж у 5 разів, оскільки їх максимальна швидкість "впирається" в пропускну здатність інтерфейсу SATA, а вона, як відомо, не може перевищувати 600 Мбайт/с.

- SSD mSATA

SSD цього типу підключаються до материнської плати через інтерфейс mSATA. По суті, це зменшений варіант стандартного SATA, який використовується в SSD 2.5". Тут така сама кількість контактів і діють такі ж обмеження швидкості обміну даними. Головна відмінність полягає в способі підключення. У випадку з SATA використовується провід, а носії mSATA встановлюються безпосередньо у роз'єм на материнській платі.

Такі носії значно компактніші за SSD 2.5". Вони являють собою маленьку друковану плату розміром 50.8 x 29.85 мм з контактами на одній з вузьких граней. Вони більше підходять для ноутбуків та інших компактних пристроїв, звичайно ж, якщо є відповідний роз'єм (на зображенні процес установки SSD mSATA в ноутбук).

- SSD M.2

SSD M.2, як і SSD mSATA, являють собою маленьку прямокутну друковану плату з контактами на одній з коротких граней і вирізом для кріплення на протилежній. Але конфігурація контактів у M.2 зовсім не така, як у mSATA.

На одній або обох площинах плати розпаяні запам'ятовуючі мікросхеми і контролер. Ширина вузької грані SSD (тієї, на якій контакти) завжди становить 22mm, а варіантів її довжини може бути декілька (найчастіше 110mm, 80mm, 60mm, 42mm або 30mm). Довжину SSD обов'язково потрібно враховувати, оскільки в різних материнських платах можуть бути різні посадкові місця.

На грані з контактами крім самих контактів знаходиться 1 або 2 вирізи (ключі), які забезпечують правильне встановлення SSD у сумісний роз'єм материнської плати. Якщо ключів два, швидше за все, такий SSD для обміну даними з материнською платою використовує шину SATA. Його швидкість така ж, як і у звичайного SSD 2.5" або SSD mSATA. Якщо ж ключ один - то використовується шина PCI-E і спеціальний протокол NVMe, завдяки чому такий SSD значно швидший за перший варіант. Як уже згадувалося вище, швидкість обміну даними через шину SATA не може перевищувати 600 Мбайт/с. Ну а чотири лінії PCI-E версії 3.0 забезпечують швидкість передачі близько 4000 Мбайт/с (не кажучи вже про PCI-E 4.0 або 5.0).

Таким чином, SSD M.2 з одним ключем зазвичай кращии ніж SSD M.2 з двома ключами. Проте потрібно враховувати й можливості материнської плати. Старі комп'ютери та ноутбуки можуть не підтримувати SSD з одним ключем. Щоб це перевірити, потрібно оглянути роз'єм M.2, в який планується встановлення SSD. Якщо в ньому ключ знаходиться праворуч, туди можна встановлювати SSD обох типів, якщо ж він розташований ліворуч - роз'єм розрахований тільки на SSD з двома ключами.

Але, у разі чого, вирішення проблеми існує. SSD M.2 з одним ключем можна підключити через перехідник до стандартного роз'єму PCI-E материнської плати комп'ютера, звичайно ж, якщо він не зайнятий відеокартою або ще чимось.

- SSD U.2

Зовнішньо SSD U.2 схожий на SSD 2.5" (за фізичними розмірами), проте інтерфейс підключення у нього не SATA, а зовсім інший (див. зображення). Це новіший інтерфейс, який використовує 4 лінії PCI-E, за рахунок чого досягається висока швидкість передачі даних (трохи вище про це вже говорилося).

Підключити SSD U.2 до материнської плати комп'ютера можна через перехідник до стандартного роз'єму PCI-Express або роз'єму M.2 (див. зображення).

- SSD PCI-Express

Цей тип SSD зустрічається рідко, призначений для встановлення в роз'єм PCI-Express материнської плати. Сумісний з будь-яким комп'ютером, який має такий роз'єм (тобто будь-який сучасний ПК). Використання для підключення ліній PCI-Express дозволяє досягти високих швидкостей читання / запису, однак, компактністю та дешевизною такі SSD не відрізняються. Та, як уже згадувалося вище, в SSD PCI-Express можна "перетворити" будь-який SSD M.2 або SSD U.2, придбавши відповідний перехідник.

• Тип використовуваних мікросхем пам'яті

Вище вже згадувалося, що інформація на SSD зберігається в запам'ятовуючих мікросхемах. Всі вони працюють за так званим методом NAND, який забезпечує збереження в них інформації в бінарному коді навіть за відсутності живлення.

Будь-яка пам'ять NAND складається зі спеціальних транзисторів, які називаються комірками. Залежно від особливостей цих комірок сьогодні існує кілька типів мікросхем NAND:

SLC ("Single Level Cell", однорівнева комірка) - найстаріший тип пам'яті NAND, в якій кожна комірка зберігає один біт інформації (вона може приймати одне з двох значень - умовні "0" або "1");

MLC ("Multi Level Cell", багаторівнева комірка) - містить два біти інформації. Цей тип пам'яті з'явився після SLC. Кількість можливих значень у кожнмій з її комірок збільшено до чотирьох ("00", "01", "10", "11");

TLC ("Triple Level Cell", трирівнева комірка) – комірки пам'яті цього типу містять по три біти інформації. Відповідно, кожна з них може приймати вже одне з 8 значень ("000", "001", "010", "011", "100", "101", "110", "111");

QLC ("Quad Level Cell", чотирирівнева комірка) – кожна комірка пам'яті містить 4 біти і може приймати одне з 16 значень ("0000", "0001", "0010", "0011", "0100", "0101", "0110", "0111", "1000", "1001", "1010", "1011", "1100", "1101", "1110" ", "1111");

PLC ("Penta Level Cell", п'ятирівнева комірка) – у кожній комірці такої пам'яті міститься 5 біт інформації, кількість можливих варіантів значень – 32 (перераховувати не буду, можна здогадатися за аналогією).

Однорівнева пам'ять SLC з'явилася найпершою і досить давно. Кожен наступний тип пам'яті з'являвся після попереднього як наслідок розвитку технологій. PLC-пам'ять узагалі з'явилася зовсім недавно і в конкретних пристроях на ринку поки що не зустрічається. За чутками, йдуть розробки пам'яті із шестирівневими комірками. Чим більше бітів у кожній комірці, тим більше інформації в результаті може містити мікросхема пам'яті, тим менше цих мікросхем необхідно для створення SSD певного обсягу і тим він виходить дешевшим.

Але, як не парадоксально, чим більше бітів в комірці, тим менш надійними є такі мікросхеми NAND, тим нижчий ресурс служби SSD та швидкість його роботи. Тобто, за інших рівних умов найкращими є SSD на основі SLC, а найгіршими – на основі PLC.

	SLC	MLC	TLC	QLC	PLC
Ресурс циклів перезапису комірки при використанні техпроцесу виготовлення 50nm	11000	10000	2500	800	400

При оцінці типу пам'яті потрібно бути уважним, щоб не "купитися" на хитрощі деяких виробників і продавців. Як бачимо вище, дворівнева пам'ять називається MLC ("Multi Level Cell" , тобто "багаторівнева", а не саме "дворівнева" ). Справа в тому, що вона з'явилася до того, як виробники почали замислюватися про подальше збільшення кількості бітів на комірку. Щоб уникнути плутанини логічно було б перейменувати її в DLC ("Dual Level Cell"), оскільки ТLC, QLC і PLC, які з'явилися пізніше, теж є багаторівневими. Але цього не сталося і тепер деякі виробники (Samsung, наприклад) у характеристиках своїх SSD скорочено можуть вказувати тип пам'яті MLC (тобто багаторівнева пам'ять), навіть коли там стоять мікросхеми TLC або QLC. Це потрібно враховувати і перед придбанням чітко проясняти усі нюанси.

3D NAND, V-NAND, BiCS

Очевидно, що безкінечно збільшувати кількість рівнів у комірках недоцільно, оскільки з кожним новим рівнем вони стають менш надійними. Логіка керування комірками при цьому сильно ускладнюється, що ставить високі вимоги перед контролером SSD, а швидкість запису / читання помітно падає.

Здавалося б, що шлях подальшого збільшення об'єму SSD повинен полягати в тому, щоб зробити комірки дрібнішими, і щоб їх більше поміщалося в кожну мікросхему пам'яті. Але й у цьому напрямку є межа. Чим тонший техпроцес виготовлення комірок, тим менше циклів перезапису вони здатні витримати. Ресурс перезапису комірок з однаковою кількістю рівнів, але виготовлених за різним техпроцесом, може відрізнятися в рази.

Рішення знайшлося у вигляді технології 3D-NAND, яка передбачає перехід від двовимірного (планарного) розміщення комірок до тривимірного. Комірки в мікросхемі розміщуються шарами, кількість яких може перевалювати за 100. Збільшується висота кристала, але площа залишається незмінною. Це дозволяє підвищити загальну кількість комірок в кристалі без зменшення техпроцесу, тобто збільшити обсяг зберігання даних без шкоди для ресурсу перезапису.

3D-NAND – це загальна назва тривимірного розміщення комірок у мікросхемі. Компанія Samsung свій варіант цієї технології назвала V-NAND (скорочено від Vertical NAND). Компанії Toshiba і SanDisk, які об'єднали зусилля у цьому питанні, вигадали абревіатуру BiCS (Bit Cost Scalable).

Тривимірне розміщення комірок дало можливість виробникам не тільки збільшити їх кількість у кристалі NAND, але й розширити відстань між ними (щоб транзистори не впливали один на одного), використовувати надійний та дешевий техпроцес виготовлення більший 20nm, а також створювати в SSD "запасний" простір, призначений для прихованих службових операцій і заміни комірок пам'яті, які вийшли з ладу.

Поступово була переосмислена й сама структура комірок. На зміну класичним транзисторам із плаваючим затвором прийшли більш надійні, швидкі та довговічні транзистори з пасткою заряду (CTF, Charge Trap Flash). Удосконалюється їх розміщення в кристалі з метою пошуку найбільш ефективного варіанта (циліндричне, U-подібне, "бутербродами" з кількох блоків тощо).

Завдяки тривимірному розміщенню комірок і технологіям, що забезпечують їх рівномірне використання в SSD, в цілому, сучасні мікросхеми пам'яті з багаторівневими комірками не є чимось настільки страшним, як може здатися на перший погляд. Не потрібно намагатися за будь-яку ціну придбати SSD на основі SLC. Вони дуже дорогі та на ринку зустрічаються рідко. Наприклад, вартість SSD на основі SLC ємністю 128 Гб дорівнюватиме вартості SSD на основі TLC ємністю 1 Терабайт. Тобто вартість одиниці простору на першому у 8 разів вище, ніж на другому. При цьому TLC-накопичувач навіть у найжорсткіших умовах експлуатації здатний прослужити кілька років.

Орієнтуватися потрібно на гарантований ступінь довговічності SSD, який зазвичай позначається терміном TBW (Total Bytes Written). Цей показник означає кількість терабайт інформації, які можна записати на SSD, перш ніж він вийде з ладу. Наприклад, досить "немолодий" SSD Samsung 860 Evo ємністю 500 ГБ з TLC-пам'яттю має TBW 300. Тобто, на нього гарантовано можна записати 300 Терабайт інформації, а це близько 800 Гб щодня впродовж року, чого в умовах домашнього чи офісного використання просто не може бути.

• Контролер SSD

Контролер - це спеціальна мікросхема SSD, яка керує роботою мікросхем пам'яті. Від контролера залежать багато характеристик роботи SSD, зокрема надійність і швидкість читання / запису, особливо якщо для обміну даними він використовує шину PCI-E і протокол NVMe (див. вище). У випадку з SSD 2.5", mSATA або M.2 з шиною SATA швидкість часто "впирається" саме у можливості шини SATA і вплив контролера відчувається слабко.

У магазинах або на офіційних сайтах виробників дані про контролера SSD зазвичай відсутні. Єдиний надійний спосіб прояснити ситуацію – огляди незалежних блогерів та користувачів, які вже придбали SSD цієї моделі.

Клас жорсткого диска / SSD

Колись один із провідних виробників запам'ятовуючих пристроїв, компанія Western Digital (WD), почала класифікувати свої жорсткі диски та SSD за категоріями залежно від завдань, для вирішення яких вони більше підходять. Пізніше такий підхід "підхопили" деякі інші виробники (але не всі) і це значно спрощує завдання правильного вибору HDD / SSD. Сьогодні на ринку можна зустріти носії наступних категорій:

• для домашніх комп'ютерів із низькою швидкістю читання / запису та не високою якістю комплектуючих. У жорстких дисках цієї категорії швидкість обертання шпинделя зазвичай 5400 об/хв. У класифікації WD ці HDD/SSD позначаються як "Green". Вони зазвичай найдешевші, не відрізняються високою надійністю і підходять для зберігання фільмів, музики, фото та інших файлів, які не становлять особливої ​​цінності. Гарантія на такі пристрої зазвичай не більше 2 років;

• прості дешеві жорсткі диски та SSD, але з більш високою швидкістю роботи. У HDD швидкість обертання шпинделя дорівнює 7200 об/хв. Це те саме, що й диски попередньої категорії, але трохи швидше. Western Digital називає їх Blue;

• швидкі жорсткі диски / SSD для домашніх комп'ютерів та робочих станцій. Надійність та якість тут помітно краща, ніж у попередніх 2 категорій. Гарантія виробника на них зазвичай близько 5 років. Western Digital маркує їх чорним кольором (Black);

• надійні диски / SSD для невеликих (домашніх) мережевих сховищ. У HDD цього типу зазвичай використовуються технології, що переводять їх у сплячий режим при тривалому простоюванні. Диски WD цієї категорії позначаються як Red або Red+;

• диски, оптимізовані під одночасний запис кількох потоків даних (наприклад, у системах відеоспостереження з великою кількістю камер). Такі пристрої WD позначає пурпуровим кольором (Purple);

• надійні запам'ятовуючі пристрої, "заточені" під одночасне виконання великої кількості завдань, пов'язаних з пошуком і зчитуванням даних, які знаходяться на них. Область застосування – сервери та центри обробки даних (Western Digital Gold);

• пристрої, призначені для використання в багатодискових RAID-масивах та системах тривалого зберігання даних. На відміну від носіїв попередньої категорії, вони не "люблять" багатозадачні сценарії, а більше підходять для резервного копіювання, мають підвищений ресурс перезапису та напрацювання на відмову, краще "переносять" високі температури (Western Digital Re, Western Digital (Se).