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Laufwerksanatomie: SSD

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Teil 1. Anatomie des Laufwerks: Festplatten

Steinhart


Ebenso wie Transistoren das Computerfeld revolutionierten, indem sie die Schaltgeschwindigkeit erhöhten und mathematische Operationen durchführten, führte die Verwendung von Halbleiterbauelementen als Speichervorrichtungen zum gleichen Ergebnis.

Die ersten Schritte in diese Richtung wurden von Toshiba unternommen, das 1980 das Konzept des Flash-Speichers vorschlug . Vier Jahre später schuf sie NOR-Speicher und 1987 NAND-Speicher. Das erste kommerzielle Flash-Laufwerk ( Solid State Drive oder SSD) wurde 1991 von SunDisk (später in SanDisk umbenannt) veröffentlicht.

Die meisten Menschen begannen ihre Bekanntschaft mit SSDs von sogenannten USB- Sticks . Noch heute ähnelt ihre Struktur insgesamt der der meisten SSDs.


Auf der linken Seite befindet sich ein einzelner SanDisk NAND-Speicherchip. Wie SRAM wird es in CPU- und GPU-Caches verwendet. Es ist mit Millionen von "Zellen" gefüllt, die aus modifizierten Floating-Gate-Transistoren erzeugt wurden . Sie verwenden Hochspannung, um die Ladung in einzelnen Abschnitten des Transistors aufzuzeichnen und zu löschen. Beim Lesen einer Zelle wird eine reduzierte Spannung an den Abschnitt angelegt.

Wenn die Zelle nicht geladen ist, fließt Strom, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird. Dies macht das System verständlich, dass die Zelle den Zustand 0 hat; im entgegengesetzten Fall hat es den Zustand 1 (d. h. es fließt kein Strom, wenn Spannung angelegt wird). Dank dessen ist das Lesen aus dem NAND-Speicher sehr schnell, aber das Schreiben und Löschen von Daten ist nicht so schnell.

Die besten Speicherzellen werden Peer- Zellen genannt(einstufige Zellen, SLC) haben nur eine Ladungsmenge, die an der Transistorstelle erzeugt wird; Es gibt jedoch Speicherzellen, die mehrere Ladungsstufen haben können. Im Allgemeinen bezeichnen alle als Mehrebenenzellen (Mehrebenenzellen, MLC) bezeichneten Zellen , aber das Industrie-Akronym NAND-MLC-Speicher 4 bezeichnet die Produktionsgebühr. Andere Typen haben ähnliche Namen: Drei Ebenen (Triple Level, TLC) und vier Ebenen (Quad Level, QLC) haben 8 bzw. 16 verschiedene Ladungsstufen.

Dies wirkt sich darauf aus, wie viele Daten in jeder Zelle gespeichert werden können:

  • SLC - 1 Ebene = 1 Bit
  • MLC - 4 Ebenen = 2 Bits
  • DC - 8 Ebenen = 3 Bits
  • QLC - 16 Ebenen = 4 Bits

Usw. QLC scheint die besten Zellen zu sein, oder? Leider ist es nicht. Die Ströme sind sehr klein und empfindlich gegenüber elektrischem Rauschen. Um unterschiedliche Ladungspegel der Zelle zu bestimmen, müssen Sie den Wert mehrmals lesen, um ihn zu bestätigen. Kurz gesagt, SLCs sind die schnellsten Zellen, belegen jedoch den meisten physischen Raum, und QLCs sind die langsamsten, aber für Ihr Geld erhalten Sie mehr Bits.

Im Gegensatz zu SRAM und DRAM wird beim Ausschalten die Ladung im Flash-Speicher gespeichert und die Leckage ist sehr großlangsam. Beim Systemspeicher werden Zellen in Nanosekunden entladen und müssen daher ständig aktualisiert werden. Leider beschädigen die Verwendung von Spannung und die Zufuhr von Ladung die Zellen, und daher nutzen sich SSDs mit der Zeit ab. Um dem entgegenzuwirken, werden knifflige Verfahren angewendet, um die Verschleißrate zu minimieren. Sie machen normalerweise die Verwendung von Zellen am einheitlichsten.

Diese Funktion wird über den rechts gezeigten Steuerchip gesteuert. Es führt auch die gleichen Aufgaben aus wie der in der Festplatte verwendete LSI-Chip. Laufwerke mit sich drehenden Festplatten verfügen jedoch über separate Chips für den DRAM-Cache und die Serial Flash-Firmware, und beide Controller sind in das USB-Flash-Laufwerk integriert. Und da sie so konzipiert sind, dass sie billig sind, erhalten Sie nicht viel Funktionalität von ihnen.

Aufgrund des Fehlens beweglicher Teile können wir jedoch davon ausgehen, dass die Leistung des Flash-Speichers höher sein wird als die der Festplatte. Schauen wir uns die Metriken mit CrystalDiskMark an :


Die Ergebnisse sind zunächst enttäuschend. Die sequentiellen Lese- / Schreib- und Zufallsschreibgeschwindigkeiten sind viel schlechter als bei der getesteten Festplatte. Zufälliges Lesen ist jedoch viel besser, und dies ist der Vorteil, den Flash bietet. Das Schreiben und Löschen von Daten ist recht langsam, das Lesen erfolgt jedoch normalerweise sofort.

Dieser Test weist jedoch ein weiteres nicht wahrnehmbares Merkmal auf. Der USB-Speichertest bietet nur Konnektivität gemäß dem USB 2.0-Standard, der eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit von nur 60 MB / s aufweist, und die Festplatte verwendet den SATA 3.3-Anschluss, der einen zehnmal höheren Durchsatz bietet. Darüber hinaus ist die verwendete Flash-Speichertechnologie recht einfach: Die Zellen sind vom DC-Typ und in langen parallelen Streifen angeordnet; Diese Anordnung wird flach genannt(planar) oder zweidimensional (2D).

Der in den besten modernen SSDs verwendete Flash-Speicher ist vom SLC- oder MLC-Typ, dh er arbeitet etwas schneller und nutzt sich etwas langsamer ab. Die Streifen werden in zwei Hälften gebogen und aufrecht ausgerichtet, wodurch eine vertikale oder dreidimensionale Zellstruktur entsteht. Sie verwenden auch die SATA 3.0-Schnittstelle, obwohl sie zunehmend ein schnelleres PCI Express-System über die NVMe-Schnittstelle verwenden.

Schauen wir uns ein solches Beispiel an: das Samsung 850 Pro , das diese Tricks mit vertikalem Layout verwendet.


Im Gegensatz zum schweren 3,5-Zoll-Seagate-Laufwerk ist diese SSD nur 2,5 Zoll groß und viel dünner und leichter.

Öffnen wir es (danke an Samsung für die Verwendung so billiger Torx-Schrauben, die bei der Demontage fast auseinander fielen ...) und sehen, warum:


Da ist fast nichts drin!

Keine Scheiben, keine Hebel, keine Magnete - nur eine Leiterplatte bestehend aus mehreren Chips.


Was sehen wir hier? Kleine schwarze Chips sind Spannungsregler, und der Rest führt die folgenden Funktionen aus:

  • Samsung S4LN045X01-8030: ARM Cortex R4-basierter Tri-Core-Prozessor zur Verarbeitung von Anweisungen, Daten, Fehlerkorrekturen, Verschlüsselung und Verschleißmanagement
  • Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 MB DDR2-SDRAM für den Cache
  • Samsung K9PRGY8S7M: Jeder Chip besteht aus 64 GB 32-lagigem NAND-MLC-Flash-Speicher (insgesamt 4 Chips, zwei befinden sich auf der anderen Seite der Platine).

Wir haben 2-Bit-Flash-Speicherzellen, mehrere Speicherchips und viel Cache, was die Leistung steigern sollte. Warum? Denken Sie daran, dass das Schreiben von Daten in den Flash-Speicher ein ziemlich langsamer Vorgang ist, aber mit mehreren Flash-Chips können Sie parallel aufnehmen. Ein USB-Stick verfügt nicht über viel DRAM zum Speichern von Daten, die für die Aufzeichnung bereit sind. Daher hilft auch ein separater Chip. Zurück zu CrystalDiskMark ...


Die Verbesserung stellte sich als enorm heraus . Die Geschwindigkeit des Lesens und Schreibens ist viel höher geworden, und die Verzögerungen sind viel geringer. Was braucht man sonst noch zum Glück? Kleiner und leichter, keine beweglichen Teile; SSDs verbrauchen auch weniger Strom als mechanische Festplatten.

Natürlich haben all diese Vorteile einen Preis, und hier wird das Wort "Preis" wörtlich verwendet: Erinnern Sie sich, dass Sie für 350 US-Dollar eine 14-TB-Festplatte kaufen können ? Wenn Sie die SSD nehmen, können Sie für diesen Betrag nur 1 oder 2 TB erwerben . Wenn Sie ein Laufwerk mit dem gleichen Level möchten, können Sie bisher am besten 4.300 US-Dollar für eine SSD auf Unternehmensebene mit einer Kapazität von 15,36 TB ausgeben !

Einige Hersteller gemachtHybrid-Festplatten - Standard-Festplatten mit etwas Flash-Speicher auf ihren Leiterplatten; Es wird verwendet, um Daten auf Datenträgern zu speichern, auf die häufig zugegriffen wird. Unten finden Sie eine Karte eines Samsung 1-TB-Hybridlaufwerks (manchmal auch als SSHD bezeichnet ).


In der oberen rechten Ecke der Platine befinden sich der NAND-Chip und sein Controller. Alles andere ist ungefähr das gleiche wie beim Seagate-Modell, das wir in einem früheren Beitrag untersucht haben.

Wir können CrystalDiskMark zum letzten Mal verwenden, um festzustellen, ob die Verwendung des Flash-Speichers als Cache einen konkreten Vorteil bietet. Der Vergleich ist jedoch unfair, da sich die Laufwerke dieses Laufwerks mit einer Geschwindigkeit von 7200 U / min drehen (und die Festplatte WD, die wir verwenden) zur Autopsie verwendet - ab nur 5400 U / min):


Die Leistung ist etwas besser, aber der Grund dafür ist wahrscheinlich die erhöhte Rotationsgeschwindigkeit - je schneller sich die Festplatte unter den Lese- / Schreibköpfen bewegt, desto schneller können Sie Daten übertragen. Es ist auch erwähnenswert, dass die durch den Benchmark-Test generierten Dateien vom Algorithmus nicht als aktiv gelesen erkannt werden, was bedeutet, dass der Controller den Flash-Speicher höchstwahrscheinlich nicht korrekt verwenden kann.

Trotzdem zeigten bessere Tests eine Verbesserung der Festplattenleistung mit einer integrierten SSD. Billiger Flash-Speicher fällt jedoch wahrscheinlich viel schneller aus als eine hochwertige Festplatte, sodass Hybridlaufwerke unsere Aufmerksamkeit wahrscheinlich nicht wert sind - die Laufwerksbranche ist viel mehr an SSDs interessiert.

Bevor wir fortfahren, sollte erwähnt werden, dass der Flash-Speicher nicht die einzige Technologie ist, die in Solid-State-Laufwerken verwendet wird. Intel und Micron haben gemeinsam ein System namens 3D XPoint erfunden . Anstatt die Ladungen von Ladungen in die Zellen zu schreiben und zu löschen, um die Zustände 0 und 1 zu erzeugen, um Bits in diesem System zu erzeugen, ändern die Zellen ihren elektrischen Widerstand.

Intel hat diesen neuen Speicher unter der Marke Optane angepriesen, und als wir ihn getestet haben, war die Leistung hervorragend . Wie der Preis des Systems, aber in einem schlechten Sinne. Ein Optane-Laufwerk für nur 1 TB kostet heute mehr als 1.200 US-Dollar - viermal mehr als eine SSD derselben Größe, die auf einem Flash-Speicher basiert.

Das dritte und letzte Laufwerk, das wir im nächsten Artikel untersuchen werden, sind optische Laufwerke.

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