Устройство и характеристики жесткого диска и SSD

Жесткий диск для компьютера — как выбрать по технологии производства, объему памяти, скорости, и производителю

Все программное обеспечение компьютера хранится на его жестком диске. При включении компьютера он одним из первых компьютерных узлов включается в работу и одним из последних – выключается. Любые операции считывания и сохранения информации, запуска программ и приложений, игр, музыки, фото и видео файлов пользователя происходят путем обращения к этому устройству. Магнитный жесткий диск для компьютера, установленный в ПК, сервере или ноутбуке разных производителей, должен обладать большим объемом, быть надежным и обеспечить пользователю скоростной доступ к его информации.

Винчестер, винт – так может называться постоянное запоминающее устройство компьютера, его основная память. Конструктивно он представляет собой параллелепипед длиной 10-15 см, шириной 7-10 см, толщиной 0,7-3 см. Различают встроенные в корпус ноутбука или настольного компьютера диски, и внешние, которые подключаются к компьютеру по USB-кабелю. При создании первых микроконтроллеров с применением микропроцессора применялись постоянные запоминающие устройства на микросхемах, стирание информации в которых производилось ультрафиолетовым облучением.

Создание ПК потребовало разработки устройства быстрой записи, считывания информации. Первые HDD (Hard Disk Drive) созданы по аналогии с виниловыми пластинками – в корпусе находится несколько дисков с магнитным покрытием на вращающемся шпинделе, считывающая и записывающая головка, работающая по принципу магнитной головки магнитофона, механизм ее позиционирования, интерфейс связи с материнской платой. Совсем недавно появились твердотельные накопители больших объемов информации SSD, которые идут на смену HDD, но они пока не сильно распространены ввиду дороговизны.

Технология производства HDD накопителей на жестком магнитном диске для компьютера совершенствуется несколько десятков лет. Сейчас массово используются HDD размером от 1 Тб и выше, стоимость которых от 3000 рублей. Дальнейший рост емкости памяти магнитных накопителей ограничен их размерами и технологическими возможностями. Серьезным их недостатком являются подвижные механические элементы, по вине которых выходит из строя все устройство при встрясках. HDD являются более дешевыми, чем объясняется их популярность для обычных домашних компьютеров.

Магнитные HDD не имели альтернативы до 2009 года, когда было предложено новое устройство хранения больших объемов информации – Solid State Drive (SSD). Основанный на применении микросхем, которые могут располагаться, как на материнской плате, так и в отдельном корпусе, этот тип накопителя появился в серийных детских компьютерах тайваньской компании Quanta Computer с 2007 года в качестве флэш-памяти. Затем уже ASUS начал комплектовать SSD-устройствами линейку нетбуков серии EEE PC 700. Плюсами этой технологии являются:

• беззвучная работа;
• высокая производительность накопителя;
• маленькие размеры;
• низкое энергопотребление.

На стыке двух технологий – старой HDD и инновационной SSD-памяти появился их гибрид – SSHD (Solid State Hybrid Drive). Он представляет из себя жесткий HDD, которому добавлена быстрая флэш-память MLC для организации быстрого и мощного кэша для хранения операционной системы и часто используемых пользователем программ. Объем кэша сейчас устанавливается размером до 8 Гб. При обращении к устройству памяти вначале информация ищется в кэше, и только при ее отсутствии – производится обращение к HDD-памяти. Результатом такой гибридизации является рост скорости работы на 30-40 %.

Жесткий диск

Жесткий диск (накопитель на жёстких магнитных дисках (НЖМД), «винчестер», англ. — hard disk drive (HDD) – постоянное запоминающее устройство, в котором используется принцип магнитной записи. Внутри этого носителя запись данных осуществляется на жесткие пластины, изготовленные из легкометаллического сплава или стекла и покрытые слоем специального магнитного материала (чаще всего двуокисью хрома). В зависимости от конструкции, в жестком диске могут использоваться одна или несколько таких пластин, расположенных в гермоблоке и быстро вращающихся на одной оси.

За счет вращения создается своеобразный подпор воздуха, благодаря которому считывающая и записывающая головки не касаются поверхности пластин, хотя и находятся очень близко к ним (всего несколько нанометров). Это гарантирует надежность записи и считывания данных. При остановке пластин головки перемещаются за пределы их поверхности («паркуются»). Такая конструкция обеспечивает долговечность жестких дисков, но они сильно «боятся» ударов и падений, особенно в процессе чтения / записи, когда диск вращается и головки находятся над ее поверхостью.

Кроме пластин и головок, в состав жесткого диска входит привод, двигатель и блок электроники.

Благодаря надежности, большой емкости и относительно невысокой стоимости, жесткие диски уже длительное время являются очень распространеными. В то же время, по ряду характеристик (скорость чтения и записи, вес, размер, удароустойчивость и др.) HDD заметно уступают SSD (см. ниже).

В разговорной речи жесткий диск часто называют «винчестером» или сокращенно «винтом». Этот термин когда-то давно был позаимствован у охотничьего винтовочного патрона «30-30 Winchester», популярного в США на момент создания первого жесткого диска, который в то время имел созвученое название «30-30».

Что нужно учитывать при выборе

• Форм-фактор (размер).

HDD бывают двух основных форм-факторов — 2.5″ и 3.5″. Есть также HDD «экзотических» форм-факторов, типа 1.8″ или 1″, но все это «пережитки прошлого» и встречается крайне редко.

HDD формата 2.5″ заметно меньше 3.5″ и предназначены для использования, главным образом, в портативной технике (ноутбуках). Кроме небольших размеров каких-то преимуществ у HDD 2.5″ нет. HDD 3.5″ обычно более надежны, работают быстрее, и если размер посадочного места позволяет, лучше отдавать предпочтение им.

• Интерфейс подключения

Все потребительские жесткие диски (как 2.5″, так и 3.5″) имеют одинаковый интерфейс подключения. Это интерфейс SATA (см ниже). Не так давно в домашних компьютерах можно было встретить HDD с интерфейсом IDE, но сейчас это уже раритет. Благодаря универсальности SATA в системный блок компьютера можно установить HDD как 2.5″, так и 3.5″. Теоретически HDD 3.5″ успешно работали бы и в ноутбуках, если бы подходили туда по размерам.

В серверных системах используются также HDD с интерфейсом SAS. Они хорошо показывают себя в многозадачных сценариях, но очень дорогие и не могут подключаться к обычной материнской плате.

• Скорость вращения шпинделя

Шпиндель — это та ось внутри жесткого диска, на которой установлены запоминающие пластины. Чем выше скорость ее вращения, тем быстрее происходит чтение и запись данных. Но от этого также напрямую зависит уровень шума, создаваемый жестким диском в процессе эксплуатации. Многие современные HDD имеют изменяемую скорость вращения шпинделя. Она автоматически увеличивается или снижается в зависимости от сценария использования HDD в конкретный момент времени.

Скорость вращения шпинделя домашних HDD обычно не превышает 7200 об/мин., серверных — может достигать 15000 об/мин.

• Размер буфера

Буфер (или кэш) — это небольшая (до 512 Mb), но быстрая внутренняя память жесткого диска, в которую временно помещаются данные перед их записью на жесткий диск или сразу же после их считывания с диска. Дело в том, что чтение и запись данных на магнитную пластину (особенно запись) происходит довольно медленно. Буфер заметно сглаживает «перепады скорости» при работе с HDD. Чем его объем больше, тем комфортнее жесткий диск в повседневном использовании.

В частности, во время записи на HDD данные сначала сохраняются в быстрый буфер и затем «потихонечку» записываются на запоминающую пластину. Это отчетливо заметно при копировании на жесткий диск файлов, размер которых значительно превышает объем буфера. После его заполнения скорость записи может упасть в разы.

• Используемая технология записи

В современных жестких дисках используется 2 основные технологии записи — CMR и SMR.

CMR (Conventional Magnetic Recording), которую также часто называют PMR (Perpendicular Magnetic Recording) – это обычная магнитная запись, суть которой предельно проста. Считывающая и записывающая головки жесткого диска, проносясь над поверхностью запоминающей пластины, выполняют чтение и запись данных напрямую на целевую дорожку, не затрагивая соседние.

Одним из способов увеличения емкости жесткого диска является повышение плотности записи. С этой целью производители HDD делают так, чтобы магнитные дорожки на запоминающих пластинах были очень узкими и располагались максимально близко друг к другу. При использовании CMR все упирается в ширину записывающей головки, которая значительно крупнее считывающей. При попытках расположить дорожки плотнее, узкая считывающая головка может их считывать. А вот широкая записывающая начинает перекрывать и записывать сразу несколько дорожек.

Чтобы обойти проблему была придумана «черепичная» запись или SMR (Shingled Magnetic Recording). Суть ее состоит в том, что дорожки как бы накладываются друг на друга (словно черепица). При записи целевой дорожки перезаписывается и дорожка, с которой есть «перехлест». На следующем витке записывается уже она, но затрагивается также следующая за ней. И это все продолжается до тех пор, пока не запишутся все новые данные и не будет восстановлено состояние уже имеющихся на диске данных, которые были затронуты в процессе записи. В худшем случае может потребоваться перезапись всех дорожек зоны запоминающей пластины.

SMR не лучшим образом сказывается на скорости записи. Чтобы как-то сгладить проблему жесткие диски с этой технологией оснащаются дополнительным дисковым кэшем (on-disk cache), который размещается в наиболее быстрых внешних участках запоминающей пластины. Он является своего рода дополнением к буферу HDD и записывается по классической технологии CMR без черепичного перехлеста дорожек. При поступлении данных на запись они сначала размещаются в этом кэше и затем постепенно перемещаются в основную область запоминающей пластины, но уже по технологии SMR. Происходит все это в «фоновом» режиме. Обычно дело до переполнение дискового буфера не доходит, и пользователь не замечает разницы между скоростью работы дисков с CMR и SMR. Однако, при копировании больших объемов данных дисковый кэш может заполнится до того, как контроллер перенесет его содержимое в область SMR. В таких случаях скорость записи заметно снижается.

SMR позволяет достичь большой емкости HDD без использования нескольких запоминающих пластин, уменьшает сложность конструкции и размеры жесткого диска, повышает его энергоэффективность. По понятным причинам она широко применяется в «ноутбучных» жестких дисках (диски формата 2.5″). Однако в последнее время производители активно внедряют ее и в сегмент HDD 3.5″.

При выборе HDD все же лучше отдать предпочтение технологии CMR. Такие диски в целом быстрее, долговечнее и надежней.

SSD (solid-state drive) или твердотельный накопитель — запоминающее устройство, появившееся значительно позже HDD, работающее на основе использования микросхем памяти и, в отличие от жесткого диска, не содержащее движущихся частей.

Конструктивно SSD имеет много общего с обычной флешкой. Это печатная плата, на которой распаяны несколько энергонезависимых запоминающих микросхем, контролер, управляющий их работой, буфер, а также «вспомогательные» элементы, обеспечивающие питание, обмен данными с материнской платой и т.д. (на изображении ниже SSD формата 2.5″ без корпуса). По сути, от флешки SSD отличается только продвинутой логикой обработки процессов, более высокими скоростями чтения /записи и большим объемом хранимых данных.

По сравнению с жесткими дисками SSD имеют ряд преимуществ: в разы более высокая скорость чтения / записи (до 20 раз, в зависимости от конкретной модели), полное отсутствие вибрации и шума, низкое энергопотребление, компактные размеры, лучшая стойкость к температурным колебаниям и механическому воздействию и др.

Но есть у SSD и существенные недостатки — более высокая, чем у HDD, стоимость за такую же емкость и меньший ресурс перезаписи. Последнее обязательно нужно учитывать при эксплуатации SSD. Не рекомендуется делать их дефрагментацию, а также использовать в сценариях, связанных с чрезмерной «неоправданной» записью данных. Из операционных систем Windows только Windows 7 и версии новее учитывают эти особенности. При использовании более ранних версий Windows срок службы SSD сокращается.

Основные характеристики SSD, которые необходимо учитывать при их выборе:

• Форм-фактор (физические размеры и интерфейс подключения)

В зависимости от сферы применения, SSD наиболее часто выпускаются в следующих форм-факторах:

Такие SSD выглядят точно так же, как «ноутбучные» жесткие диски 2.5″. У них даже интерфейс подключения такой же (SATA). Существование SSD этого формата продиктовано необходимостью совместимости со старыми ноутбуками и компьютерами, созданными под HDD, в которые, по задумке, они должны устанавливаться для ускорения работы (рядом с уже имеющимися HDD или вместо них). Крайне редко, но на рынке можно встретить и SSD других форматов, изначально придуманных для HDD, например, SSD 1.8″.

SSD из этой группы быстрее HDD не больше чем в 5 раз, поскольку их максимальная скорость «упирается» в пропускную способность интерфейса SATA, а она, как известно, не может превышать 600 Мбайт/с.

SSD этого типа подключаются к материнской плате через интерфейс mSATA. По сути, это уменьшенный вариант стандартного SATA, который используется в SSD 2.5″. Здесь точно такое же количество контактов и действуют точно такие же ограничения по скорости обмена данными. Главное различие заключается в способе подключения. В случае с SATA используется провод, а носители mSATA устанавливаются непосредственно в разъем на материнской плате.

Такие носители значительно компактнее SSD 2.5″. Они представляют собой маленькую печатную плату размером 50.8 x 29.85 мм с контактами на одной из узких граней. Следовательно, они больше подходят для ноутбуков и других компактных устройств, естественно, если там есть соответствующий разъем (на изображении процесс установки SSD mSATA в ноутбук).

SSD M.2, как и SSD mSATA, представляет собой маленькую прямоугольную печатную плату с контактами на одной из коротких граней и вырезом для крепления на противоположной. Но конфигурация контактов в M.2 совершенно не такая, как в mSATA.

На одной или обеих плоскостях платы распаяны запоминающие микросхемы и контроллер. Ширина узкой грани SSD (той, на которой контакты) всегда составляет 22mm, ну а вариантов ее длины может быть несколько (чаще всего 110mm, 80mm, 60mm, 42mm или 30mm). Длину SSD обязательно нужно учитывать, поскольку у разных материнских плат могут быть разные посадочные места.

На грани с контактами кроме самих контактов находится 1 или 2 выреза (ключа), обеспечивающих правильную установку SSD в совместимый разъем материнской платы. Если ключей два, скорее всего такой SSD для обмена данными с материнской платой использует шину SATA. Его скорость такая же, как и у обычного SSD 2.5″ или SSD mSATA. Если же ключ один — то используется шина PCI-E и специальный протокол NVMe, благодаря чему такой SSD значительно быстрее первого варианта. Как уже упоминалось выше, скорость обмена данными через шину SATA не может превышать 600 Мбайт/с. Ну а 4 линии PCI-E версии 3.0 обеспечивают скорость передачи около 4000 Мбайт/с (не говоря уже о PCI-E 4.0 или 5.0).

Таким образом, SSD M.2 с одним ключом обычно предпочтительнее SSD M.2 с двумя ключами. Однако, нужно учитывать и возможности материнской платы. Старые компьютеры и ноутбуки могут не поддерживать SSD с одним ключом. Чтобы это проверить, нужно осмотреть разъем M.2, в который планируется установка SSD. Если в нем ключ находится справа, туда можно устанавливать SSD обоих типов, если же он расположен слева — разъем рассчитан только на SSD с двумя ключами.

Но, в случае чего, решение проблемы существует. SSD M.2 с одним ключом можно подключить через переходник к стандартному разъему PCI-E материнской платы компьютера, конечно, если он не занят видеокартой или чем-то еще.

Внешне SSD U.2 похож на SSD 2.5″ (по физическим размерам), однако интерфейс подключения у него не SATA, а совсем другой (см. изображение). Это более новый интерфейс, использующий 4 линии PCI-E, за счет чего достигается высокая скорость передачи данных (чуть выше об этом уже говорилось).

Подключить SSD U.2 к материнской плате компьютера можно через переходник к стандартному разъему PCI-Express или же разъему M.2 (см. изображение).

— SSD PCI-Express

Этот тип SSD встречается редко, предназначен для установки в разъем PCI-Express материнской платы. Совместим с любым компьютером, у которого есть такой разъем (т.е любым современным ПК). Использование для подключения линий PCI-Express позволяет достичь высоких скоростей чтения / записи, однако, компактностью и дешевизной такие SSD не отличаются. Но, как уже упоминалось выше, в SSD PCI-Express можно «превратить» любой SSD M.2 или SSD U.2, приобретя соответствующий переходник.

• Тип используемых микросхем памяти

Выше уже упоминалось, что информация на SSD хранится в запоминающих микросхемах. Все они работают по так называемому методу NAND, обеспечивающему сохранение в них информации в двоичном коде даже при отсутствии питания.

Любая память NAND состоит из специальных запоминающих транзисторов, называемых ячейками. В зависимости от особенностей этих ячеек, сегодня существует несколько типов микросхем NAND:

SLC («Single Level Cell», одноуровневая ячейка) – самый старый тип памяти NAND, в которой каждая ячейка хранит один бит информации (она может принимать одно из двух значений — условные «0» либо «1»);

MLC («Multi Level Cell», многоуровневая ячейка) — содержит два бита информации. Этот тип памяти появился после SLC. Количество возможных значений в каждой из его ячеек увеличено до четырех («00», «01», «10», «11»);

TLC («Triple Level Cell», трехуровневая ячейка) – ячейки памяти этого типа содержат по три бита информации. Соответственно каждая из них может принимать уже одно из 8 значений («000», «001», «010», «011», «100», «101», «110», «111»);

QLC («Quad Level Cell», четырехуровневая ячейка) – каждая ячейка памяти содержит 4 бита и может принимать одно из 16 значений («0000», «0001», «0010», «0011», «0100», «0101», «0110», «0111», «1000», «1001», «1010», «1011», «1100», «1101», «1110», «1111»);

PLC («Penta Level Cell», пятиуровневая ячейка) – в каждой ячейке такой памяти содержится 5 бит информации, количество возможных вариантов значений – 32 (перечислять не буду, можно догадаться по аналогии).

Одноуровневая память SLC появилась самой первой и довольно давно. Каждый следующий тип памяти появлялся после предыдущего как следствие дальнейшего развития технологий. PLC-память вообще появилась совсем недавно и в конкретных устройствах на рынке пока еще не встречается. По слухам, идут разработки памяти с шестиуровневыми ячейками. Чем больше битов в каждой ячейке, тем больше информации в итоге может содержать микросхема памяти, тем меньше этих микросхем нужно для создания SSD определенного объема и тем он получается дешевле.

Но, как ни парадоксально, чем больше битов в ячейке, тем менее надежными являются такие микросхемы NAND, тем ниже ресурс службы SSD и скорость его работы. То есть, при прочих равных условиях самыми лучшими являются SSD на основе SLC, а самыми худшими – на основе PLC.

SLC	MLC	TLC	QLC	PLC
Ресурс циклов перезаписи ячейки при использовании техпроцесса изготовления 50nm	11000	10000	2500	800	400

При оценке типа памяти нужно быть внимательным, чтобы не попасться на уловки некоторых «хитрых» производителей и продавцов. Как видно выше, двухуровневая память называется MLC («Multi Level Cell», то есть «многоуровневая», а не конкретно «двухуровневая»). Дело в том, что она появилась до того, как производители начали задумываться о дальнейшем увеличении количества битов на ячейку. Во избежание путаницы логично было бы переименовать ее в DLC («Dual Level Cell «), поскольку появившиеся позже TLC, QLC и PLC тоже являются многоуровневыми. Но этого не произошло и теперь некоторые производители (Samsung, например) в характеристиках своих SSD сокращенно могут указывать тип памяти MLC (то есть, многоуровневая память), даже там, где стоят микросхемы TLC или QLC. Это нужно учитывать и перед приобретением четко прояснять все нюансы.

3D NAND, V-NAND, BiCS

Очевидно, что бесконечно увеличивать количество уровней в ячейках нецелесообразно, поскольку с каждым новым уровнем они становятся менее надежными. Логика управления ячейками при этом сильно усложняется, что ставит высокие требования перед контроллером SSD, а скорость записи / чтения заметно падает.

Казалось бы, что путь дальнейшего увеличения объема SSD должен заключаться в том, чтобы сделать ячейки более мелкими, и чтобы их больше помещалось в каждую микросхему памяти. Но и в этом направлении есть предел. Чем тоньше техпроцесс изготовления ячеек, тем меньше циклов перезаписи они способны выдержать. Ресурс перезаписи ячеек с одинаковым количеством уровней, но изготовленных по разному техпроцессу, может отличаться в разы.

Решение нашлось в виде технологии 3D-NAND, которая подразумевает переход от двумерного (планарного) размещения ячеек к трехмерному. Ячейки в микросхеме размещаются слоями, количество которых может переваливать за 100. Увеличивается высота кристалла, но площадь остается прежней. Это позволяет повысить общее количество ячеек в кристалле без уменьшения техпроцесса, то есть, увеличить объем хранения данных без ущерба для ресурса перезаписи.

3D-NAND – это общее название трехмерного размещения ячеек в микросхеме. Компания Samsung свой вариант этой технологии назвала V-NAND (сокращенно от Vertical NAND). Компании Toshiba и SanDisk, объединившие усилия в этом вопросе, придумали аббревиатуру BiCS (Bit Cost Scalable).

Трехмерное размещение ячеек дало возможность производителям не только увеличить их количество в кристалле NAND, но и расширить расстояние между ними (чтобы транзисторы не влияли друг на друга), использовать надежный и дешевый техпроцесс изготовления более 20nm, а также создавать в SSD «запасное» пространство, предназначенное для скрытых служебных операций и замены вышедших из строя ячеек памяти.

Постепенно была переосмыслена и сама структура ячеек. На смену классическим транзисторам с плавающим затвором пришли более надежные, быстрые и долговечные транзисторы с ловушкой заряда (CTF, Charge Trap Flash). Совершенствуется их размещение в кристалле с целью поиска наиболее эффективного варианта (цилиндрическое, U-образное, «бутербродами» из нескольких блоков и т.д.).

Благодаря трехмерному размещению ячеек и технологиям, обеспечивающим их равномерное использование в SSD, в целом, современные микросхемы памяти с многоуровневыми ячейками не являются чем-то на столько страшным, как могло показаться на первый взгляд. Не нужно пытаться любой ценой приобрести SSD на основе SLC. Они очень дорогие и на рынке встречаются редко. К примеру, стоимость SSD на основе SLC емкостью 128 Гб будет равна стоимости SSD на основе TLC емкостью 1 Терабайт. То есть, стоимость единицы пространства на первом в 8 раз дороже, чем на втором. При этом, TLC-накопитель даже в самых жестких условиях эксплуатации способен прослужить несколько лет.

Ориентироваться нужно на гарантированную степень долговечности SSD, которая обычно обозначается термином TBW (Total Bytes Written). Этот показатель означает количество терабайт информации, которые можно записать на SSD, прежде чем он выйдет из строя. Например, довольно «немолодой» SSD Samsung 860 Evo емкостью 500 ГБ с TLC-памятью имеет TBW 300. То есть, на него гарантированно можно записать 300 Терабайт информации, а это около 800 Гб каждый день в течении года, чего в условиях домашнего или офисного использования просто быть не может.

• Контроллер SSD

Контроллер – это специальная микросхема SSD, которая управляет работой микросхем памяти. От контроллера зависят многие характеристики работы SSD, в частности надежность и скорость чтения / записи, особенно, если для обмена данными он использует шину PCI-E и протокол NVMe (см. выше). В случае с SSD 2.5″, mSATA или M.2 с шиной SATA скорость часто «упирается» именно в возможности шины SATA и влияние контроллера ощущается слабо.

В магазинах или на официальных сайтах производителей данные о контроллере SSD обычно отсутствуют. Единственный надежный способ прояснить ситуацию — обзоры независимых блогеров и пользователей, которые уже приобрели SSD этой модели.