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Anatomia da unidade: SSD

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Parte 1. Anatomia da unidade: discos rígidos

Tão duro quanto pedra


Da mesma maneira que os transistores revolucionaram o campo do computador, aumentando a velocidade de comutação e execução de operações matemáticas, o uso de dispositivos semicondutores como dispositivos de armazenamento levou ao mesmo resultado.

Os primeiros passos nessa direção foram dados pela Toshiba, que propôs o conceito de memória flash em 1980 . Quatro anos depois, ela criou a memória NOR e, em 1987, a memória NAND. A primeira unidade flash comercial ( unidade de estado sólido ou SSD) foi lançada pela SunDisk (mais tarde renomeada como SanDisk) em 1991.

A maioria das pessoas começou a se familiarizar com os SSDs dos chamados pen drives . Ainda hoje, sua estrutura como um todo se assemelha à da maioria dos SSDs.


À esquerda, há um único chip de memória SanDisk NAND. Como a SRAM, é usada em caches de CPU e GPU. Ele é preenchido com milhões de "células" criadas a partir de transistores de porta flutuante modificados . Eles usam alta voltagem para registrar e apagar a carga em seções individuais do transistor. Ao ler uma célula, uma tensão reduzida é aplicada à seção.

Se a célula não estiver carregada, quando uma tensão baixa for aplicada, a corrente fluirá. Isso faz o sistema entender que a célula possui o estado 0; no caso oposto, possui o estado 1 (ou seja, nenhuma corrente flui quando a tensão é aplicada). Graças a isso, a leitura da memória NAND é muito rápida, mas a gravação e exclusão de dados não é tão rápida.

As melhores células de memória chamadas células pares(células de nível único, SLC), possuem apenas uma quantidade de carga criada no local do transistor; no entanto, existem células de memória que podem ter vários níveis de carga. Em geral, todas referidas como células de vários níveis (células multinível, MLC) , mas a sigla da indústria NAND-MLC memory 4 denota uma taxa de produção. Outros tipos têm nomes semelhantes: três níveis ( nível triplo, TLC) e quatro níveis (nível quad, QLC) têm, respectivamente, 8 e 16 níveis de carga diferentes.

Isso afeta a quantidade de dados que podem ser armazenados em cada célula:

  • SLC - 1 nível = 1 bit
  • MLC - 4 níveis = 2 bits
  • TLC - 8 níveis = 3 bits
  • QLC - 16 níveis = 4 bits

Etc. O QLC parece ser as melhores células, certo? Infelizmente, não é. As correntes são muito pequenas e sensíveis ao ruído elétrico; portanto, para determinar diferentes níveis de carga da célula, você precisa ler o valor várias vezes para confirmá-lo. Em resumo, os SLCs são as células mais rápidas, mas ocupam o espaço mais físico, e os QLCs são os mais lentos, mas pelo seu dinheiro você obtém mais bits.

Diferente da SRAM e DRAM, quando a energia é desligada, a carga na memória flash é salva e seu vazamento é muitolento. No caso da memória do sistema, as células são descarregadas em nanossegundos e, portanto, devem ser constantemente atualizadas. Infelizmente, o uso de tensão e o suprimento de carga danificam as células e, portanto, os SSDs se desgastam com o tempo. Para combater isso, procedimentos complicados são usados ​​para minimizar a taxa de desgaste; eles geralmente tornam o uso de células o mais uniforme.

Esta função é controlada pelo chip de controle mostrado à direita. Ele também executa as mesmas tarefas que o chip LSI usado no disco rígido. No entanto, as unidades com discos giratórios possuem chips separados para o cache DRAM e o firmware Serial Flash, e os dois controladores estão integrados na unidade flash USB. E como eles são projetados para serem baratos, você não terá muita funcionalidade deles.

Porém, devido à falta de partes móveis, podemos esperar com confiança que o desempenho da memória flash seja superior ao do HDD. Vejamos as métricas usando o CrystalDiskMark :


A princípio, os resultados são decepcionantes. As velocidades de leitura / gravação sequencial e gravação aleatória são muito piores que o disco rígido testado; no entanto, a leitura aleatória é muito melhor e essa é a vantagem que o flash oferece. A gravação e exclusão de dados é bastante lenta, mas a leitura geralmente é feita instantaneamente.

No entanto, este teste tem outro recurso imperceptível. O teste de memória USB fornece conectividade apenas de acordo com o padrão USB 2.0, que possui uma velocidade máxima de transferência de apenas 60 MB / s, e o HDD usou a porta SATA 3.3, que fornece taxa de transferência 10 vezes mais. Além disso, a tecnologia de memória flash usada é bastante simples: as células são do tipo TLC e estão dispostas em longas faixas paralelas; esse arranjo é chamado plano(planar) ou bidimensional (2D).

A memória flash usada nos melhores SSDs modernos é do tipo SLC ou MLC, ou seja, funciona um pouco mais rápido e se desgasta um pouco mais devagar, e as faixas são dobradas ao meio e alinhadas na vertical, formando uma estrutura celular vertical ou tridimensional . Eles também usam a interface SATA 3.0, embora cada vez mais estejam usando um sistema PCI Express mais rápido por meio da interface NVMe.

Vamos dar uma olhada em um exemplo: o Samsung 850 Pro , que usa esses truques com um layout vertical.


Ao contrário da pesada unidade Seagate de 3,5 polegadas , esse SSD tem apenas 2,5 polegadas de tamanho e é muito mais fino e mais leve.

Vamos abri-lo (obrigado à Samsung por usar parafusos Torx tão baratos que quase desmoronaram quando desmontados ...) e ver o porquê:


Não há quase nada nele!

Sem discos, sem alavancas, sem ímãs - apenas uma placa de circuito impresso composta por vários chips.


Então, o que vemos aqui? Pequenos chips pretos são reguladores de tensão e o restante desempenha as seguintes funções:

  • Samsung S4LN045X01-8030: Processador tri-core baseado em ARM Cortex R4 para instruções de processamento, dados, correção de erros, criptografia e gerenciamento de desgaste
  • Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 MB DDR2 SDRAM usado para cache
  • Samsung K9PRGY8S7M: cada chip possui 64 GB de memória flash vertical MLC do tipo NAND de 32 camadas (no total 4 chips, dois estão localizados no outro lado da placa)

Temos células de memória flash de 2 bits, vários chips de memória e muito cache, o que deve fornecer desempenho aprimorado. Por quê? Lembre-se de que gravar dados na memória flash é um processo bastante lento, mas ter vários chips flash permite gravar em paralelo. Um pendrive USB não possui muita DRAM para armazenar dados prontos para gravação, portanto, um chip separado também ajudará. Voltar ao CrystalDiskMark ...


A melhoria acabou sendo enorme . A velocidade de leitura e escrita tornou-se muito maior e os atrasos são muito menores. O que mais é necessário para a felicidade? Menor e mais leve, sem partes móveis; Os SSDs também consomem menos energia que as unidades de disco mecânicas.

É claro que todas essas vantagens têm um preço, e aqui a palavra "preço" é usada literalmente: você se lembra que por US $ 350 você pode comprar um disco rígido de 14 TB ? Se você usar o SSD, nesse valor, poderá comprar apenas 1 ou 2 TB . Se você deseja uma unidade do mesmo nível, até agora, a melhor coisa a fazer é gastar US $ 4.300 em um SSD de nível empresarial com capacidade de 15,36 TB!

Alguns fabricantes fizeramHDDs híbridos - discos rígidos padrão com um pouco de memória flash em suas placas de circuito; é usado para armazenar dados em discos, que são frequentemente acessados. Abaixo está uma placa de uma unidade híbrida de 1 TB da Samsung (às vezes chamada de SSHD ).


No canto superior direito da placa estão o chip NAND e seu controlador. Todo o resto é quase o mesmo que no modelo da Seagate, que examinamos em um post anterior.

Podemos usar o CrystalDiskMark pela última vez para ver se há algum benefício tangível no uso da memória flash como cache, mas a comparação será injusta, pois as unidades dessa unidade giram a uma velocidade de 7200 rpm (e o HDD WD, que nós usado para autópsia - a partir de apenas 5400 rpm):


O desempenho é um pouco melhor, mas o motivo disso provavelmente é o aumento da velocidade de rotação - quanto mais rápido o disco se move sob as cabeças de leitura / gravação, mais rápido você pode transferir dados. Também é importante notar que os arquivos gerados pelo teste de benchmark não serão reconhecidos como lidos ativamente pelo algoritmo, o que significa que o controlador provavelmente não poderá usar corretamente a memória flash.

Apesar disso, melhores testes mostraram uma melhoria no desempenho do HDD com um SSD integrado. No entanto, é provável que a memória flash barata falhe muito mais rapidamente do que um HDD de alta qualidade, portanto as unidades híbridas provavelmente não merecem nossa atenção - o setor de unidades está muito mais interessado em SSDs.

Antes de prosseguirmos, vale a pena mencionar que a memória flash não é a única tecnologia usada em unidades de estado sólido. A Intel e a Micron inventaram em conjunto um sistema chamado 3D XPoint . Em vez de escrever e apagar as cargas de carga nas células para criar os estados 0 e 1, para gerar bits nesse sistema, as células alteram sua resistência elétrica.

A Intel divulgou essa nova memória com a marca Optane e, quando a testamos, o desempenho foi excelente . Como o preço do sistema, mas em um sentido ruim. Hoje, um drive Optane com apenas 1 TB custa mais de US $ 1.200 - quatro vezes mais que um SSD do mesmo tamanho com base na memória flash.

A terceira e última unidade, que exploraremos no próximo artigo, serão unidades ópticas.

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