Твердотельный накопитель () — компьютерное энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти, альтернатива жёстким дискам (HDD). Наиболее распространённый вид твердотельных накопителей использует для хранения данных флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создаётся на базе DRAM-памяти, снабжённой дополнительным источником питания — аккумулятором. Помимо собственно микросхем памяти, подобный накопитель содержит управляющую микросхему — контроллер.
В настоящее время твердотельные накопители используются как в носимых (ноутбуках, нетбуках, планшетах), так и в стационарных компьютерах для повышения производительности. На 2016 год наиболее производительными выступали SSD формата M.2 с интерфейсом NVMe, а к 2025 году их скорость достигла 14900 Мбайт/с.
По сравнению с традиционными жёсткими дисками твердотельные накопители имеют меньший размер и вес, являются бесшумными, а также многократно более устойчивы к механическим повреждениям (например, при падении) и имеют гораздо бо́льшую скорость производимых операций. В то же время, они имеют в несколько раз бо́льшую стоимость в пересчёте на гигабайт и меньшую износостойкость (ресурс записи).
Описание SSD представляют собой устройства, хранящие данные в микросхемах вместо вращающихся металлических дисков или магнитных лент. Причина их появления отражает тот факт, что скорость обработки данных в процессоре намного превышает скорость записи данных в HDD. Магнитные диски на протяжении десятилетий доминировали в корпоративном сегменте хранения данных, за это время (с 1950-х) ёмкость носителей выросла в двести тысяч раз, скорость работы процессоров тоже сильно возросла, но скорость доступа к данным изменилась значительно меньше и диски стали «узким местом». Проблему решают твердотельные накопители — они обеспечивают намного большие скорости работы с данными по сравнению с жёсткими дисками. SSD за счёт использования микросхем флеш-памяти по своим характеристикам существенно отличаются от жёстких дисков с магнитными пластинами.
С целью оптимизации использования SSD в 2011 году был разработан интерфейс NVMe — , поддержка которого была добавлена в Windows, начиная только с версии 8.1. В Windows 7 поддержку протокола обеспечивает исправление (hotfix) KB2990941. Не все материнские платы поддерживают интерфейс NVMe, поэтому всё ещё сохраняет популярность старый интерфейс SATA.
Основные характеристики твердотельных накопителей: наименьшее время доступа к данным: от ста до тысячи раз быстрее, чем у механических дисков; высокая скорость, вплоть до нескольких гигабайт в секунду для произвольно расположенных данных; высокие значения IOPS благодаря высокой скорости и низкому времени доступа; низкая цена производительности, лучшее соотношение цены к производительности среди всех устройств хранения; высокая надёжность; SSD дают уровень сохранности данных такой же, как другие полупроводниковые устройства.
В отличие от жёстких дисков, цена SSD очень сильно зависит от доступной ёмкости, что связано с ограниченной плотностью размещения ячеек памяти и ограничением размера кристалла в микросхеме.
Гибридные накопители Существуют также гибридные жёсткие диски (), в которых совмещена твердотельная память и механический жёсткий диск. Подобное объединение позволяет воспользоваться частью преимуществ флеш-памяти (быстрый произвольный доступ) при сохранении небольшой стоимости хранения больших объёмов данных. Флеш-память в них используется в качестве буфера (кэша) небольшого объёма (к примеру, в Seagate Momentus XT от 4 до 8 Гбайт), либо (реже) может быть доступной как отдельный накопитель ().
Технология Intel Smart Response позволяет совместно использовать SSD и HDD с целью кеширования часто используемых данных (файлов) на SSD, плюс к тому более эффективно использует SSHD.
У других производителей также есть свои технологии для использования SSD для кеширования данных, хранящихся в HDD: Marvell HyperDuo (в контроллере Marvell 88SE9130), Adaptec MaxIQ (MaxCache), LSI CacheCade. Из них только HyperDuo предназначена для домашнего использования.
Название
К твердотельным накопителям относятся только накопители на полупроводниках. Жёсткие и оптические диски к ним не относятся, хотя они, строго говоря, являются твёрдыми телами. Эта терминология противоположна используемой в лазерах — твердотельными лазерами называют лазеры на основе любых твёрдых тел, за исключением полупроводников.
Первоначально твердотельные накопители называли «твердотельными дисками» (), хотя ни один из твердотельных накопителей не является диском. Сейчас это название становится малоупотребительным.
История развития 1978 год — американская компания StorageTek разработала первый полупроводниковый накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти). 1982 год — американская компания Cray представила полупроводниковый накопитель на RAM-памяти для своих суперкомпьютеров Cray-1 со скоростью 100 Мбит/с и Cray X-MP со скоростью 320 Мбит/с, объёмом 8, 16 или 32 миллиона 64-разрядных словCray-1 and Cray X-MP computer systems solid-state storage device (SSD) reference manual HR-0031 1982. 1995 год — израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти. 2008 год — южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD-накопитель объёмом 128 ГБ со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с. 2025 год — Sandisk представила потребительский накопитель WD Black SN8100 стандарта PCIe 5.0 со скоростью чтения и записи 14 900 Мбайт/с и 14 000 Мбайт/с соответственно.
Производители и рынок Флеш-память NAND для SSD выпускалась компаниями SanDisk, Toshiba (, она же Kioxia Holdings на CNews), в 2016 году — Samsung, Intel, Micron.
В 2013 году крупнейшими производителями микросхем NAND были Samsung, Toshiba, Micron и SK-Hynix, микросхем контроллеров для SSD — , Marvell, , Phison и JMicron. В том же году Samsung, Toshiba и Micron начали выпускать накопители с микросхемами , которая позволила снизить стоимость устройств, особенно высокой ёмкости.
В I квартале 2016 года крупнейшими производителями SSD были компании Samsung Electronics (первое место, около 40 % рынка), SanDisk (12 %), Lite-On (Toshiba может прибрать к рукам SSD-бизнес Lite-On и бренд Plextor // 3DNews, 17.08.2019 / , Lite-On), Kingston, Intel, Micron, OCZ, . Несмотря на то, что Toshiba Memory была и является одним из крупнейших производителей микросхем NAND, доля компании на рынке самих SSD составляла (на 2016) только 3,9 %. С 2016 года Samsung выпускает «потребительские» SSD с микросхемами 3D NAND исключительно собственного производства.
Дефицит микросхем 2021 года привёл к «качелям цен» на SSD из-за их перепроизводства, а затем, на фоне резкого падения продаж SSD, к обвалу цен в конце 2022 годаSSD готовятся полностью «убить» жёсткие диски. Цены обваливаются, и этому не видно конца // CNews, 28 сентября 2022Цены на SSD валятся в пропасть из-за резкого падения продаж. Во всём виноваты облачные провайдеры // CNews, 15 сентября 2022. В 2023 году средняя цена на чипы TLC рослаСтавицкий А. TrendForce: цены на SSD-накопители вырастут на 50 процентов в 2024 году // Лента.ру, 30.12.2023; аналитики предсказывают подорожание твердотельных накопителей на рынке и в 2024 годуСША и Корея кошмарят весь мир. Всего из-за двух жадных компаний цены на SSD взлетят на четверть после многолетнего падения // CNews, 2 апреля 2024.
В 2024 году в Китае был разработан новый контроллер SSD, поддерживающий все актуальные интерфейсы, включая PCIe 5.0. Он построен на открытой архитектуре RISC-V и почти не греется во время работыКитай играючи решил фатальную проблему SSD. Они больше не будут перегреваться и гореть // CNews, 28 марта 2024.
Форм-факторы и интерфейсы
Архитектура и функционирование
NAND SSD
Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились во второй половине 90-х годов прошлого века, но начали уверенное завоевание рынка в связи с прогрессом в микроэлектронике и улучшением основных характеристик, в том числе стоимости за гигабайт. До середины 2000-х годов уступали традиционным накопителям — жёстким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью доступа к произвольным блокам информации (скорость поиска, скорость начального позиционирования). С 2012 года уже выпускаются твердотельные накопители со скоростями чтения и записи, во много раз превосходящими возможности жёстких дисков.
К 2016 году были созданы микросхемы NAND с тремя различными по плотности хранения данных технологиями: SLC (Single Level Cell), один бит на ячейку; MLC (Multi Level Cell) — два бита; TLC (Triple Level Cell) — три бита. TLC обеспечивает наибольшую плотность хранения данных (втрое выше, чем планарная SLC), но имеет наименьший срок службы и меньшую надёжность, которые компенсируются производителями за счёт усложнения обработки данных.
Дальнейшее развитие технологии NAND — 3D TLC, в которой ячейки TLC размещены на кристалле в несколько слоёв. Например, Samsung SSD 850 EVO использует 3D-память с 32 слоями 3-битных ячеек TLC; производитель обещает для них надёжность на уровне устройств с планарными двухбитовыми MLC.
С 2017 года начали распространяться NAND QLC (Quad Level Cell — четыре бита)Новейшие технологии в SSD c 3D NAND-памятью // «CHIP», 7.12.2017. На начало 2022 года рекордной являлась выпущенная компанией Micron в 2021 году микросхема 3D NAND 7-го поколения с 176 слоями и частотой интерфейса 1,6 ГГц; при этом потребительским стандартом являются 96—144-слойные микросхемыИтоги 2021 года: SSD-накопители // 3DNews, 14 января 2022.
RAM SSD
Эти накопители построены на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера) наподобие RAM drive и характеризуются сверхбыстрым чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость за единицу объёма и низкая надёжность (опасность полной и безвозвратной потери данных при отключении питания), которая частично компенсируется наличием встроенного в устройство аккумулятора. Используются в основном для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и/или оперативного копирования.
Примерами таких накопителей являются и серия (последние известны в Европе как ACARD ANS-9010 и 9010BA).
Другие В 2015 году компании Intel и Micron заявили о выходе новой энергонезависимой памяти 3D XPoint. Intel планировала выпустить SSD-накопители на основе 3D XPoint с использованием интерфейса PCI Express в 2016 году, которые были бы быстрее и выносливее, чем накопители на основе NAND. В марте 2017 года Intel выпустила первый SSD-накопитель с использованием технологии 3D XPoint — Intel Optane P4800X.
Преимущества SSD
Количество произвольных операций ввода-вывода в секунду (IOPS) у SSD на порядок выше, чем у жёстких дисков, за счёт возможности одновременного запуска множества операций и более низкой латентности каждой операции (нет необходимости ожидать оборота диска перед доступом, а также ожидать наведения головки диска на нужную дорожку). Благодаря этому запуск программ и операционной системы происходит значительно быстрее. Скорость линейного чтения/записи выше, чем у распространённых жёстких дисков, и в ряде операций может быть близка к пропускной способности интерфейсов (SAS/SATA III 600 МБ/с). Твердотельные накопители могут реализовываться с более быстрыми интерфейсами: SATA III, PCI Express, NGFF (M.2, в вариантах с PCIe), SATA Express, NVM Express (стандарт на подключение SSD по шинам PCI Express), U.2. Малые габариты и вес. Для твердотельных накопителей были разработаны более компактные типовые размеры, например mSATA, U.2, NGFF (M.2). Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации.