JAK DZIAŁA DYSK SSD

JAK DZIAŁA DYSK SSD
Aleksander Polnik
W przemyśle informatycznym coraz większą popularność zdobywają dyski SSD (Solid State Drive
lub czasem nazywane Solid State Disk), które różnymi aspektami znacznie przewyższają popularne dyski
HDD (Hard Disk Drive). Dzięki zastosowaniu takiego dysku nasz system operacyjny oraz aplikacje znajdujące
się na nim zadziałają o wiele szybciej i sprawniej.
Zasadniczą różnicą pomiędzy SSD a HDD jest metoda przechowywania danych. Dysk HDD składa się
z zespołu talerzy pokrytych cienką warstwą magnetyczną oraz głowic elektromagnetycznych, które
umożliwiają zapis i odczyt danych. Dysk SSD w przeciwieństwie do dysku HDD bazuje na pamięciach
półprzewodnikowych oraz nie wykorzystuje żadnych ruchomych części.
Dyski SSD zapisują dane w komórkach pamięci Flash. W każdej komórce możemy wyróżnić dwa
tranzystory zwane bramkami: sterującą (połączoną z linią słowa) i pływającą (otoczoną izolatorem). Po
przyłożeniu odpowiednio wysokiego napięcia, możliwe jest przejście elektronów z kanału przez warstwę
izolującego tlenku krzemku do bramki pływającej, która wyłapuje elektrony i przetrzymuje je na stałe –
także po odłączeniu napięcia. Liczba zapisanych elektronów określa wartość bitową komórki. Złapane
elektrony oddziałują na przewodność komórki pamięci Flash. Napięcie, które inicjuje proces przewodzenia
w komórce pamięci Flash wzrasta wraz z ładunkiem bramki pływającej, dzięki temu możliwe jest
odróżnienie nienaładowanej komórki od naładowanej. Kasowanie danych z komórki możliwe jest poprzez
doprowadzenie odpowiedniego napięcia, które wyrzuci elektrony z bramki pływającej, czego skutkiem
będzie wzrost przewodności komórki. Warto dodać, iż jeden układ pamięci Flash składa się z miliardów
takich komórek.
Obrazek 1 Komórka pamięci flash. Źródło: pcworld.pl
Komórki pamięci Flash mogą być ułożone z wykorzystaniem bramek logicznych NAND lub NOR.
Typy te różnią się sposobem zapisywania oraz odczytywania bitów jak i strukturą logiczną. W układzie typu
NOR, komórki ułożone są w wiersze i kolumny. Składające się na wiersze elementy połączone są ze sobą
kanałami poziomymi (liniami słowa), a te na kolumny - kanałami pionowymi (liniami bitu). Dzięki temu
układowi możliwe jest odczytanie pojedynczej komórki. Aby odczytać zawartość takiej komórki należy
doprowadzić napięcie do linii słowa, następnie w zależności od ładunku komórki na odpowiedniej linii bitu
pojawi się napięcie. Operator logiczny NOR pozwoli nam ustalić, jaka wartość bitowa zapisana jest w
komórce. Pamięć Flash typu NOR umożliwia więc bezpośredni dostęp do każdej komórki pamięci, przez co
czas zapisu i kasowania jest stosunkowo dłuższy w porównaniu do pamięci stosującej typ NAND. Z tego
względu nadaje się ona do przechowywania danych niewymagających częstej aktualizacji takich jak
firmware różnego rodzaju urządzeń. Dyski SSD, w których występują bramki NOR są o wiele mniej popularne
poprzez strukturę układu pamięci, która zajmuje więcej miejsca od tej drugiej oraz wysokie koszty produkcji.
Obrazek 2 Schemat pamięci NOR. Źródło: bloglenovo.pl
Częściej stosowanym typem jest ten, który wykorzystuje bramkę logiczną NAND. W tym typie
pamięci, komórki kolumn połączone są szeregowo z liniami bitu. Linie słowa łączą wiersz z wierszem. Po
przyłożeniu napięcia do linii słowa, linia bitu poda jako wynik zawartość wszystkich komórek w danym
Obrazek 3 Schemat pamięci NAND. Źródło: bloglenovo.pl
wierszu. Wnioskując pamięć Flash typu NAND odczytuje dane w formie pojedynczych „stron”, przez co nie
jest możliwe uzyskanie dostępu do poszczególnych komórek, tak jak w przypadku pamięci typu NOR, lecz
przewagą takiego rozwiązania jest szybkość zapisu, kasowania i odczytu danych oraz niskie koszty produkcji.
Posiadające bramki NAND dyski SSD możemy podzielić na trzy typy, ze względu na różną możliwą
ilość bitów przypadającą na każdą komórkę. Pierwszym z nich jest typ MLC (Multi Level Cell), który jest
stosowany w większości dysków SSD. Pozwala on na przechowywanie dwóch bitów informacji w jednej
komórce pamięci. Dyski korzystające z tego typu są najtańsze oraz najczęściej wybierane przez klientów.
Drugim z nich jest typ SLC (Single Level Cell), w którym każda komórka może przechować tylko jeden bit.
Zaletą takiego zastosowania jest żywotność komórek, dużo szybszy odczyt, energooszczędność i trwałość.
W tym typie możliwe jest wykonanie około 100 000 operacji zapisu do jednej komórki, przy czym w komórce
MLC tylko do kilku tysięcy. Wadą jest cena, która znacząco przewyższa dyski wykorzystujące MLC. Trzecim
typem jest TLC (Triple Level Cell), który daje możliwość zapisu 3 bitów danych w jednej komórce pamięci.
Jednak żywotność takiej komórki jest dziesięciokrotnie mniejsza od typu MLC.
Dysk SSD posiada układ sterujący, który różni się od tego stosowanego w dyskach HDD. Nie musi on bowiem
sterować żadnymi mechanicznymi elementami tj. prędkością obrotową talerzy czy ruchem głowic. Realizuje
on zadania związane z zapisem, odczytem i kolejkowaniem zadań. Należący do układu sterującego dysku
SSD kontroler adresuje komórki pamięci Flash oraz dba o to, aby informacje zapisywały się równomiernie
na całym obszarze nośnika, co przedłuża znacząco żywotność dysku SSD. Z kontrolerem współgra pamięć
podręczna (cache), która jako pewnego rodzaju zasobnik ułatwia mu kolejkowanie zadań. Układ sterujący
dysku SSD „tłumaczy” również strukturę obszarów pamięci dysku SSD na informacje zrozumiałe dla
kontrolera dysku twardego, który znajduje się na płycie głównej komputera. Ten drugi posługuje się takim
typem adresowania, jak w przypadku tradycyjnych dysków – dzieli go na cylindry, głowice i sektory. Układ
sterujący dysku SSD przelicza te dane na wewnętrzną strukturę adresowania SSD. Dzięki temu dysk SSD
posiada pełną zgodność z dotychczasowymi konstrukcjami komputerów. Komunikacja między kontrolerem
a komputerem przeprowadzana jest najczęściej przez interfejs SATA III (6 Gb/s), tak jak w tradycyjnych
dyskach HDD.
Obrazek 4 Przekrój dysku SSD. Źródło: bloglenovo.pl