Быстро ехать или медленно лететь - приобретаем лучший SSD

Ох уж эти рекламщики. Так завернут, что... Стоп! Давайте начнем с короткой истории. Заработав на "халтуре" неучтенную копеечку, срочно решил ее потратить на апгрейд чего-то нужного в собственном ПК. Что туда засунуть, чем себя удивить? Вроде джентльменский набор есть. Плата, процессор, память и видео - понятно. Есть и SSD (выпуска года так 17-го) под систему с танками от картошки, пару HDD c лучшими фильмами Мира и, даже есть возможность киношку по цифре посмотреть с помощью внутреннего тюнера. Сверху пару мониторов, метящие своей качественной картинкой прямо в мозг, минуя глаза... и т.д. Живи и радуйся, побеждай рандом в танках, да статейки почитывай. И как назло - эти рекламщики, с которых мы начали: "Представлены накопители Intel Optane Memory H10 с флеш-памятью QLC 3D NA"Вот так, представлены (а дело было весной этого года), а значит и увидеть их на прилавке дело недолгое. А тем более OPTANE легко поддерживается моей материнской платой. Но, почему OPTANE+QLC? Первая - сверх быстра и сверх дорога. Вторая модная и дешевая (это как сказать, хотя создана быть такой), но в чистом виде слабо конкурирующая с другими видами памяти. Не прикупить ли и мне новый твердотельничек, да такой, чтобы и дорого было, и вместительно, и очень быстро? Тогда буду стараться сделать идеальный выбор, разобравшись как в новых, так и глубоко  устоявшихся технологиях. Заодно и повспоминаем немного о том, что уже известно. Давайте разбираться вместе.

Итак. 

Появившись намного ранее флэш-памяти, Solid State Drive стал накопителем информации, не содержащим каких-либо механических компонентов. Пионером в создании стала корпорация Dataram, представив для промышленных целей SSD Bulk Core в 1976 году. Он содержал в себе 8 планок энергозависимой RAM-памяти, каждая из которых имела объем 256 килобайт. Стоимость составляла 9700 долларов США. Работал, был востребован, но из-за уязвимости данных высокого авторитета в соответствующих кругах не заслужил.

Потребительский класс стали завоевывать в 1982 году, оснастив компьютер Apple II внешним накопителем  RAM Disk, который стоил дороже самого компьютера, поэтому пользователями был принят с большой осторожностью, несмотря на агрессивную рекламу. 

Далее, в силу собственного характера и темперамента, я пропущу историю создания и распространения флеш-памяти, пропущу и пересказ того, как был создан первый SSD на ее основе. Всю эту информацию с легкостью можно почерпнуть в сети, готовясь к какому-нибудь докладу или создавая презентацию по теме. А вот на видах и классификациях современных SSD  мы с вами задержимся:

Память

Флеш-память различается методом соединения ячеек в массив. И имеет 2 конструкции: NOR и NAND.

NAND-тип флеш-памяти нам максимально интересен и он был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

А NOR оставим в стороне, поскольку отправим ее в РOST и БИОС наших компьютеров, где она давно применяется и неспешно раскроем виды NAND, применяемой для создания SSD. Немного утрируя для простоты, обязан сказать, что современный SSD - это один из видов NAND (а далее мы поймем, что и не только NAND)  памяти плюс контроллер, взаимодействующий с ней, который тоже может быть разного качества и поколения. И, все же память:

1. Планарный тип или 2D. 

Описывая ее, я бы начал с важной закономерности: уменьшая техпроцесс создания данной памяти - увеличивается ее плотность. Так будет до тех пор, пока не будет достигнуто физического ограничения.

2007 год - SLC – Single Level Cell – ячейка с одним уровнем. Имеет высокую производительность, низкое потребление электроэнергии, наибольшую скорость записи и количество циклов Program/Erase. Такой тип памяти обычно используется в серверах высокого уровня, поскольку стоимость SSD на их основе велика.

2011 год - MLC - Multi Level Cell – ячейка с несколькими уровнями. Обладает меньшей стоимостью, по сравнению с SLC, однако обладает меньшей выносливостью и меньшим количеством циклов Program/Erase. Является хорошим решением для коммерческих и рабочих платформ - имеет хорошее соотношение цена/скорость работы.

eMLC - Enterprise Multi Level Cell – ячейка, аналогичная по структуре обычной MLC, но с увеличенным ресурсом по циклам Program/Erase. По надежности eMLC находится между SLC и MLC, при этом цена не сильно выше, чем у последней. Типичное применение - рабочие станции и серверы среднего класса. (Давайте и эту память мы отбросим от ее рассмотрения, а остановимся на трех основных классах).

2016 год - TLC - Three Level Cell – ячейка с тремя уровнями. Обладает большей плотностью, но меньшей выносливостью, медленной скоростью чтения и записи и меньшим количеством циклов Program/Erase по сравнению с SLC.

Важной особенностью линии развития памяти в цепочке SLC-MLC-TLC является увеличение уровней ячеек. Но... резко падает выносливость, грубо говоря до серьезных цифр (на порядки) падает число циклов полной перезаписи. Да и скорость падает. Прямо регресс какой-то. Успокаивает то, что цена тоже падает и, как это ни странно, падает ощутимо. Плюс растет качество контроллеров, да всегда уменьшается техпроцесс. Впрочем, чтобы глубоко не погружаться в технические джунгли самому и не замучить вас, мои читатели, скажу, что эти страшные цифры снижения выносливости с переходом применения памяти от одной к другой вряд ли будут опасны для простого пользователя. Этих цифр хватит, чтобы мы с вами пользовались своим новым SSD много лет. Другое дело сервера и рабочие станции. Тут уж не грех и про эту самую  "выносливость" подумать. Но и производители не дремлют. Линейка PRO некоторых производителей, например, говорит нам о том, что диск на основе MLC прослужит долго при максимальных нагрузках, но и стоить будет значительно дороже аналога на TLC. Подведя промежуточный итог на этапе рассказа о типах памяти скажем так: SLC получила распространение в корпоративном сегменте, TLC стала безусловным монополистом в рознице, а продукция на основе MLC ориентирована, в первую очередь, на тех, кто ценит надежность и при этом хочет выжать все возможное из своей машины.

Все бы так и оставить, но потенциал двумерной NAND оказался ограничен. С этого я начал свой рассказ о памяти. Когда возможности 15-нанометрового технологического процесса были практически исчерпаны, а дальнейшее совершенствование программной части перестало обеспечивать сколь-либо заметного прироста важнейших показателей, на смену планарным микросхемам пришла флэш-память 3D NAND.

2. 3D NAND

- здесь разработана и применена технология вертикального расположения слоев кристаллов в одной плоскости, начали с нескольких слоев для увеличения плотности и успешно добрались до создания 96-слойной памяти. Самсунг еще в 2013 году, назвав память V-NAND,  уже выпустила ее на рынок. Но... идея была слишком свежа для полномасштабного выпуска  на  потребительский рынок, и эти 48 слоев такой памяти запомнились тогда как ожидание будущего - быстрого и ускоренного для SSD. А ещё был Intel и Micron с 32 слоями. Сами понимаете, где был, но ведь был. А потом было 64 и 72 слоя и не только от Самсунг, сейчас Самсунг 970EVO PLUS представлены 96 слоями. Кстати, ресурс трехмерной памяти выше, чем у обычной, примерно на порядок.

После того, как мы поговорим чуточку о другом, к видам памяти мы еще вернемся, да и у вас, мои дорогие читатели, появится повод дочитать мои размышления до конца.

А поговорим мы о физическом интерфейсе подключения и форм-факторе, что иногда одно и тоже, в свете разговора о пропускной способности. И здесь мы начнем с маленькой, но важной закономерности. Неважно сколько лет мы подключаем свои HDD к шине для накопителей, важно, что сможет позволить этот интерфейс нашей памяти. С какой скоростью он позволяет обмениваться информацией? Вспомним азбучные вещи:

1. IDE / SATA/ 

Кому-то интересно будет узнать, что IDE SSD тоже были как в форм-факторе 2,5 дюйма, так и 3,5, а вот список привычных интерфейсов пользовательского уровня для внутренних носителей:SATA 2 интерфейс обратно совместим и поддерживается на SATA 1 портах. SATA 3 интерфейс обратно совместим и поддерживается на SATA 1 и SATA 2 портах. Однако максимальная скорость диска будет медленнее из-за скоростных ограничений порта.

Как эти азбучные данные применить к размышлениям о SSD?  А вот как:
Например, SanDisk Extreme SSD поддерживает интерфейс SATA 6 Гбит/с  и при подключении к портам SATA 6 Гбит/с может доходить до 550/520MБ/s последовательного чтения и последовательной записи соответственно. Однако, когда диск подключен к порту SATA 3 Гбит/с, она может доходить до 285/275MБ/s последовательного чтения и последовательной записи соответственно.  В любом случае, это будет много быстрее, чем использование даже самого скоростного HDD.

Дальше возник совершенно простой вопрос. Поскольку память для SSD способна работать и на гораздо больших скоростях, а развитие и физические возможности интерфейса SАТА и всех его итераций исчерпали себя, то надо дать что-то другое данным носителям информацми. Дать новое или уже имеющееся и применяемое. Кстати, несмотря на то, что SАТА для HDD вполне достаточный интерфейс, задумывались о новом, как раз для HDD  дисков. А применять стали для SSD. Что же нашли? А вот что:

Далее я просто приведу пример других известных форм-факторов без комментариев. Потом вернемся к обсуждению новейших видов памяти с привязкой ее к этим форм-факторам и их интерфейсам. Мне кажется, что так нам будет легче внести ясность в предмет обсуждения:

Экзотику лишь упомянем. Это, например, накопитель, который вставляют прямо в слот оперативной памяти

Еще один, который сейчас редко встретишь. SATA-Express,  с интерфейсом, использующим 2 линии PCI-Express, что позволяет достигать максимальной пропускной способности в 2 ГБ. Реализации не нашел. Сейчас SSD-диски M.2 (забегая немного вперед) могут использовать 4 линии PCI-Express с пиковой пропускной способностью 4 ГБ/с. Для подключения используется специальный кабель.

2. mSATA

3.  PCI-E AIC (add-in-card)

4. U.2 

5. M.2  Для него существует целый ряд различных интерфейсов, но мы отметим основные - PCIe и SATA.

двигаемся дальше и поговорим о

NVMe 

это новый стандарт SSD-накопителей. Обычные SSD различных форм-факторов работают по интерфейсу SATA, который передает информацию медленнее, чем на это способен сам накопитель. NVMe работает по интерфейсу PCI Express, производительности которого нам за глаза хватает. Диск NVMe выдает бо́льшую скорость чтения-записи данных.

А еще сверх важно то, что протокол AHCI, который изначально разрабатывался для жёстких магнитных дисков, здесь больше не применяется, потому что абсолютно не учитывает особенности работы твердотельного накопителя, ограничивает его. Для NVMe компания Intel разработала собственный интерфейс — диски стали эффективнее работать с большим количеством одновременных запросов, быстрее обращаться в оперативную память за данными. Диск NVMe обеспечивает обработку бо́льшего количества запросов в единицу времени (IOPS). Гуляющий по сети слайд подтвердит мои слова:Для чего еще нам пригодится эта информация? А вот для чего. Взяв в руки или купив за приличные деньги разрекламированный SSD в форм-факторе M.2 мы должны быть уверены, что он будет работать по интерфейсу PCI Express. Такая возможность заложена в него производителем, да и плата должна иметь  не только разъем, но и соответствующую поддержку. Помним и про версии интерфейса и про количество линий: PCI-E 2.0x2 имеет пропускную способность 8 Гбит/с, а PCI-E 3.0x4 - 3.2 Гбайт/с. Но и это еще не все. Сами твердотельники именно этого форм-фактора имеют различную спецификацию по размеру. Не буду перегружать и без того объемную тему, скажу лишь, что ключ или размер SSD должен совпадать со спецификацией материнской платы.

Плывя по течению простых рассуждений о твердотельных накопителях, мы приближаемся к финалу повествования и вновь вспоминаем мою короткую историю в самом начале. OPTANE+QLC. Надо разобраться. Для этого мы мысленно возвращаемся в раздел Память. Начнем с несколько противоречивого лично  для меня этапа развития памяти:

3D NAND QLC.

Бесконечно наращивать слои в одном кристалле 3D NAND оказывается экономически невыгодным. Переход от 64 слоёв к 96 слоям в разы увеличивает длительность изготовления каждой кремниевой пластины с чипами 3D NAND. QLC - quad level cell  - четырехуровневая ячейка, соответственно содержит 4 бита данных и информации вмещает в 4 раза больше. В производстве не дороже, SSD выходит ниже по стоимости. Для записи 4 бит на ячейку нужно 16 различных значений напряжений (при использовании SLC – всего 2). Поэтому износ памяти больше. Серьезно дешевле, по сути, получилось, выносливость пострадала существенно, но и скорости подкачали. Да так подкачали, что стали заметно ниже, даже несмотря на цену. А что цена? В разы она не упала, конкуренты подороже выглядят более трезвым приобретением. Идеальный контроллер? Не знаю. Как бы там ни было, сейчас очень много SSD именно c 3D NAND QLC. Вот, например, SSD диск ADATA 2.5" SU630 240 Гб SATA III 3D QLC. Чем он плох, да еще и за плюс-минус 2000 рублей? Не хочу копаться дальше в этой технологии, ходы производителей для привлечения покупателей столь разнообразны, что... Давайте-ка перейдем к:

OPTANE. Intel Optane... Optane Memory.

На самом деле технология Optane - это 3D XPoint - три-ди кросс-поинт

 – это не NAND, это не NOR, это не DRAM. Здесь я должен углубиться в технологию и особенности этой памяти, но мне это сделать сложно, поскольку, кто же с нами поделится быстро-доступно о сложном, да и поделится ли? Интел и Микрон знают себе цену. Разработка совместная, но вендором выступает Интел. Быстро это. Это очень быстро. Дорого это. Очень дорого. Сегодня есть в потребительском классе не только  емкости 16 ГБ (используется один чип памяти 3D XPoint емкостью 16 ГБ) и 32 ГБ (используются два чипа памяти 3D XPoint емкостью 16 ГБ каждый), но и вполне себе полноценные SSD: 

Что сказать? Младшая версия обойдется нам от 25000 рублей, старшая в 2 раза дороже. Еще раз подчеркну, что здесь мы имеем бескомпромиссную скорость, заявленную надежность, хорошую гарантию и тот объем, который мы захотим себе позволить (из имеющихся). 

Я, начиная свой рассказ c прочтенной когда-то рекламы, и поверхностно погрузив вас в тонкости информации о SSD, принял для себя решение о том, какой SSD я бы хотел иметь в своем компьютере. И я приобрел его. Это "всего лишь":

Samsung 970 EVO Plus, емкостью 500 гб. 

 Вот его характеристики:И для чего тогда, скажете вы, все про OPTANE, да про прочее с ним рядом?..  Да! Можно было взять и OPTANE и дождаться свободного появления в рознице OPTANE+QLC (это кстати технология, позволяющая резко удешевить стоимость носителя за счет того, что основной выступает дешевая QLC, а кэш представлен определенным объемом 3D XPoint), но... приобретенный мною диск - это устройство, которое обошлось мне в одном из интернет-магазинов в неполные 9000 рублей. По моему мнению - это лучший представитель данного класса SSD, а Plus в маркировке - это не только 96 слоев V-NAND, но  еще и возможность беспроигрышно конкурировать с накопителями, заявленными для работы с PCIe 4.0.

Безусловно пора заканчивать. В самом финале скажу следующее:

1. Я делился с вами своими размышлениями о твердотельных накопителях. Задачи перед собой рассказать вам что-то более подробно, что-то менее - я не ставил. Очень многие вещи утрировал, а многие - опускал.

2. Мною не тестировался приобретенный накопитель. Такие тесты уже есть. Плюс, я даже не сказал, какой накопитель у меня был до этого. Не было такой цели.

3. Попытался рассказать попроще о довольно сложном. Возможно, данный материал здесь, учитывая высокий уровень теоретической и практической подготовки наших читателей, поможет кому-то ответить на еще не возникшие вопросы.

4. В теме про SSD еще есть о чем сказать. Есть даже чем удивить простого пользователя. Если звезды сойдутся, возьмемся за продолжение. Спасибо.