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Drive Anatomy: SSD

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Partie 1. Anatomie du lecteur: disques durs

Aussi dur que la pierre


De la même manière que les transistors ont révolutionné le domaine informatique en augmentant la vitesse de commutation et en effectuant des opérations mathématiques, l'utilisation de dispositifs semi-conducteurs comme dispositifs de stockage a conduit au même résultat.

Toshiba a fait ses premiers pas dans cette direction, qui a proposé le concept de mémoire flash en 1980 . Quatre ans plus tard, elle crée la mémoire NOR et, en 1987, la mémoire NAND. Le premier spot publicitaire lecteur flash ( disque SSD ou SSD) a été publié en 1991 par SunDisk (rebaptisé SanDisk plus tard).

La plupart des gens ont commencé à se familiariser avec les SSD à partir de soi-disant clés USB . Aujourd'hui encore, leur structure dans son ensemble ressemble à celle de la plupart des SSD.


Sur la gauche se trouve une seule puce mémoire NAND SanDisk. Comme SRAM, il est utilisé dans les caches CPU et GPU. Il est rempli de millions de "cellules" créées à partir de transistors à grille flottante modifiés . Ils utilisent une haute tension pour enregistrer et effacer la charge dans des sections individuelles du transistor. Lors de la lecture d'une cellule, une tension réduite est appliquée à la section.

Si la cellule n'est pas chargée, alors lorsqu'une basse tension est appliquée, le courant circule. Cela fait comprendre au système que la cellule a l'état 0; dans le cas contraire, il a l'état 1 (c'est-à-dire qu'aucun courant ne circule lorsque la tension est appliquée). Grâce à cela, la lecture à partir de la mémoire NAND est très rapide, mais l'écriture et la suppression de données ne sont pas si rapides.

Les meilleures cellules de mémoire appelées cellules homologues(cellules à niveau unique, SLC), n'ont qu'une seule quantité de charge créée sur le site du transistor; cependant, il existe des cellules de mémoire qui peuvent avoir plusieurs niveaux de charge. En général, toutes désignées sous le nom de cellules à plusieurs niveaux ( cellules à plusieurs niveaux, MLC) , mais l'acronyme industriel NAND-MLC memory 4 indique une charge de production. D'autres types ont des noms similaires: trois niveaux (triple niveau, TLC) et quatre niveaux (niveau quadruple, QLC) ont respectivement 8 et 16 niveaux de charge différents.

Cela affecte la quantité de données pouvant être stockée dans chaque cellule:

  • SLC - 1 niveau = 1 bit
  • MLC - 4 niveaux = 2 bits
  • TLC - 8 niveaux = 3 bits
  • QLC - 16 niveaux = 4 bits

Etc. QLC semble être les meilleures cellules, non? Ce n'est malheureusement pas le cas. Les courants sont très faibles et sensibles au bruit électrique, par conséquent, pour déterminer différents niveaux de charge de la cellule, vous devez lire la valeur plusieurs fois pour la confirmer. En bref, les SLC sont les cellules les plus rapides, mais occupent l'espace le plus physique, et les QLC sont les plus lentes, mais pour votre argent, vous obtenez plus de bits.

Contrairement à SRAM et DRAM, lorsque l'alimentation est coupée, la charge dans la mémoire flash est sauvegardée et sa fuite est trèslent. Dans le cas de la mémoire système, les cellules sont déchargées en nanosecondes et doivent donc être constamment mises à jour. Malheureusement, l'utilisation de la tension et la fourniture de charges endommagent les cellules, et donc les SSD s'usent avec le temps. Pour lutter contre cela, des procédures délicates sont utilisées pour minimiser le taux d'usure; ils rendent généralement l'utilisation des cellules la plus uniforme.

Cette fonction est contrôlée par la puce de contrôle illustrée à droite. Il effectue également les mêmes tâches que la puce LSI utilisée dans le disque dur. Cependant, les lecteurs avec disques tournants ont des puces distinctes pour le cache DRAM et le firmware Serial Flash, et les deux contrôleurs sont intégrés dans le lecteur flash USB. Et comme ils sont conçus pour être bon marché, vous n'obtiendrez pas beaucoup de fonctionnalités d'eux.

Mais en raison du manque de pièces mobiles, nous pouvons nous attendre à ce que les performances de la mémoire flash soient supérieures à celles du disque dur. Regardons les métriques à l'aide de CrystalDiskMark :


Au début, les résultats sont décevants. Les vitesses de lecture / écriture séquentielle et d'écriture aléatoire sont bien pires que le disque dur testé; cependant, la lecture aléatoire est bien meilleure, et c'est l'avantage qu'offre le flash. L'écriture et la suppression de données sont assez lentes, mais la lecture se fait généralement instantanément.

Cependant, ce test a une autre caractéristique imperceptible. Le test de mémoire USB fournit une connectivité uniquement selon la norme USB 2.0, qui a une vitesse de transfert maximale de seulement 60 Mo / s, et le disque dur utilise le port SATA 3.3, qui offre un débit 10 fois plus. De plus, la technologie de mémoire flash utilisée est assez simple: les cellules sont de type TLC et sont disposées en longues bandes parallèles; cet arrangement est appelé plat(plan) ou bidimensionnel (2D).

La mémoire flash utilisée dans les meilleurs SSD modernes est de type SLC ou MLC, c'est-à-dire qu'elle fonctionne un peu plus vite et s'use un peu plus lentement, et les bandes sont pliées en deux et doublées verticalement, formant une structure cellulaire verticale ou tridimensionnelle . Ils utilisent également l'interface SATA 3.0, bien qu'ils utilisent de plus en plus un système PCI Express plus rapide via l'interface NVMe.

Prenons un exemple: le Samsung 850 Pro , qui utilise ces astuces avec une disposition verticale.


Contrairement au lourd disque Seagate de 3,5 pouces , ce SSD ne mesure que 2,5 pouces et est beaucoup plus fin et plus léger.

Ouvrons-le (merci à Samsung d'avoir utilisé des boulons Torx aussi bon marché qui se sont presque effondrés lorsqu'ils ont été démontés ...) et voyons pourquoi:


Il n'y a presque rien dedans!

Pas de disques, pas de leviers, pas d'aimants - une seule carte de circuit imprimé composée de plusieurs puces.


Alors que voit-on ici? Les petites puces noires sont des régulateurs de tension et les autres remplissent les fonctions suivantes:

  • Samsung S4LN045X01-8030: processeur tri-core ARM Cortex R4 pour le traitement des instructions, des données, de la correction des erreurs, du chiffrement et de la gestion de l'usure
  • Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 Mo de mémoire SDRAM DDR2 utilisée pour le cache
  • Samsung K9PRGY8S7M: chaque puce est de 64 Go de mémoire flash verticale MLC de type NAND à 32 couches (au total 4 puces, deux sont situées de l'autre côté de la carte)

Nous avons des cellules de mémoire flash 2 bits, plusieurs puces de mémoire et beaucoup de cache, ce qui devrait fournir des performances accrues. Pourquoi? Rappelez-vous que l'écriture de données dans la mémoire flash est un processus assez lent, mais avoir plusieurs puces flash vous permet d'enregistrer en parallèle. Une clé USB n'a pas beaucoup de DRAM pour stocker des données prêtes à l'enregistrement, donc une puce distincte sera également utile. Retour à CrystalDiskMark ...


L'amélioration s'est avérée énorme . La vitesse de lecture et d'écriture est devenue beaucoup plus élevée et les retards sont beaucoup moins importants. Que faut-il d'autre pour le bonheur? Plus petit et plus léger, pas de pièces mobiles; Les SSD consomment également moins d'énergie que les lecteurs de disques mécaniques.

Bien sûr, tous ces avantages ont un prix, et ici le mot «prix» est utilisé littéralement: vous souvenez-vous que pour 350 $, vous pouvez acheter un disque dur de 14 To ? Si vous prenez le SSD, vous ne pourrez acheter que 1 ou 2 To pour ce montant . Si vous voulez un lecteur du même niveau, la meilleure chose à faire jusqu'à présent est de dépenser 4300 $ sur un SSD de niveau entreprise d'une capacité de 15,36 To!

Certains fabricants ont faitdisques durs hybrides - disques durs standard avec un peu de mémoire flash sur leurs cartes de circuits imprimés; il est utilisé pour stocker des données sur des disques, auxquels on accède souvent. Vous trouverez ci-dessous une carte d'un disque hybride Samsung de 1 To (parfois appelé SSHD ).


Dans le coin supérieur droit de la carte se trouvent la puce NAND et son contrôleur. Tout le reste est à peu près le même que dans le modèle Seagate, que nous avons examiné dans un post précédent.

Nous pouvons utiliser CrystalDiskMark pour la dernière fois pour voir s'il y a un avantage tangible à utiliser la mémoire flash comme cache, mais la comparaison sera injuste, car les disques de ce lecteur tournent à une vitesse de 7200 tr / min (et le disque dur WD, que nous utilisé pour l'autopsie - à partir de seulement 5400 tr / min):


Les performances sont légèrement meilleures, mais la raison en est probablement l'augmentation de la vitesse de rotation - plus le disque se déplace rapidement sous les têtes de lecture / écriture, plus vous pouvez transférer des données rapidement. Il convient également de noter que les fichiers générés par le test de référence ne seront pas reconnus par l'algorithme comme étant activement lisibles, ce qui signifie que le contrôleur ne sera probablement pas en mesure d'utiliser correctement la mémoire flash.

Malgré cela, de meilleurs tests ont montré une amélioration des performances du disque dur avec un SSD intégré. Cependant, une mémoire flash bon marché est susceptible de tomber en panne beaucoup plus rapidement qu'un disque dur de haute qualité, donc les disques hybrides ne valent probablement pas notre attention - l'industrie du disque est beaucoup plus intéressée par les SSD.

Avant de poursuivre, il convient de mentionner que la mémoire flash n'est pas la seule technologie utilisée dans les disques SSD. Intel et Micron ont inventé conjointement un système appelé 3D XPoint . Au lieu d'écrire et d'effacer les charges des charges dans les cellules pour créer les états 0 et 1, pour générer des bits dans ce système, les cellules changent leur résistance électrique.

Intel a vanté cette nouvelle mémoire sous la marque Optane, et lorsque nous l'avons testée, les performances étaient exceptionnelles . Comme le prix du système, mais dans le mauvais sens. Un disque Optane pour seulement 1 To coûte aujourd'hui plus de 1200 $ , soit quatre fois plus qu'un SSD de même taille basé sur la mémoire flash.

Le troisième et dernier lecteur, que nous explorerons dans le prochain article, sera un lecteur optique.

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