Что надёжнее, SSD или HDD? Холивар продолжается…

Почти семь лет назад (13 августа 2015 года) компания Samsung представила первый в мире SSD на 16 ТБ ^[1], но после этого бурное развитие как будто застопорилось. Где супердешёвые SSD на десятки терабайт, почему мы их не видим во всех компьютерах вокруг? Неужели до сих пор живы мифы о ненадёжности SSD?

Попробуем разобраться.

❯ Память для межконтинентальных баллистических ракет

Немного истории. Энергонезависимая память была изобретена в прошлом веке специалистом компании American Bosch Arma учёным и пионером в области цифровых компьютеров Вэн Цинг Чоу (Wen Tsing Chow) ^[2], который создал PROM ^[3] (программируемую память для чтения) бортовых компьютеров межконтинентальных баллистических ракет Atlas.

Микросхема памяти представляла собой сеть из пересекающихся проводников. В каждом узле находилась непроводящая перемычка — логическая «единица». Прожигая её высоким напряжением, получали «ноль». Данные в такую микросхему добавить можно, а вот стереть нельзя.

Эта архитектура, впоследствии и послужила одним из первых прототипов, впоследствии приведших к изобретению флэш-памяти (её придумал и продемонстрировал в 1984 году разработчик из компании Toshiba Фуджи Мацуока).

❯ Как устроена флэш-память?

Массивы собраны из ячеек (транзисторов) ^[4] с каналом, управляющим и плавающим затворами и тончайшим слоем диэлектрика. При подаче положительного напряжения (благодаря туннельному эффекту Фаулера-Нордхейма или инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons)), электроны из канала попадают в плавающий затвор, образуя логическую «единицу». При смене полярности управляющего затвора и подаче напряжения на канал, плавающий затвор разряжается и мы получаем «ноль». Для чтения ячейки необходимо подать на управляющий затвор положительное напряжение. Если плавающий затвор не содержит заряда, то через канал пойдёт ток и наоборот.

В конструкции памяти заложена и главная проблема. Количество циклов перезаписи ограничено. С течением времени слой диэлектрика изнашивается, становится тоньше, накапливает отрицательный заряд. Управляющая микросхема подаёт на такие ячейки бóльшее напряжение — и их износ ускоряется. Постепенно нарастает рассогласование заряда ячеек, что приводит к сбою отдельных блоков или всего устройства. Постоянная миниатюризация архитектуры кристаллов только усложняет задачу разработчиков и сокращает срок службы памяти.

❯ Типы памяти

Сегодня применяются два варианта архитектуры флэш-памяти — NOR (в виде двумерной матрицы) и NAND — трёхмерного массива. Устройство и алгоритм работы NAND сложнее. Кристаллы с архитектурой NOR используются в различных встраиваемых системах повышенной надёжности с небольшим объёмом памяти, NAND применяется во флэш-накопителях.

• Одноуровневая (SLC) — ячейка может включать один бит данных, из-за этого SLC работает быстрее остальных но записывает значительно меньший объём информации.
• Многоуровневая (MLC) — ячейка может содержать два бита данных. MLC отличается низкой ценой и меньшим, чем у SLC сроком эксплуатации, так как требует удвоенного количества циклов чтения-записи.
• Трёхуровневая (TLC) — одна ячейка может хранить три бита информации. Сегодня это наиболее распространённый тип памяти.
• Четырёхуровневая (QLC) хранит до четырёх бит данных и имеет более низкую стоимость, чем трёхуровневая.
• NAND 3D — для того, чтобы увеличить ёмкость памяти, производители разработали многослойные чипы (сейчас они включают уже сотни слоёв).

Для обслуживания памяти в накопители встроены специальные NAND -контроллеры. Они работают с ОС компьютеров через команды TRIM или Deallocate.

❯ Всем нужны терабайты

Как мы уже говорили, семь лет назад был представлен первый твёрдотельный накопитель на 16 ТБ. Сегодня SSD-накопители подбираются к рубежу в 300 ТБ. Для этого количество слоёв в чипах нужно будет удвоить до 400 и больше. Перспективу создания таких SSD к 2026 году анонсировал технический директор компании Pure Storage Алекс Макмаллан ^[5], который представил новый тип памяти Direct Flash Module (DFM). Это по сути набор обычных чипов] NAND, но с проприетарным контроллером FlashArray и операционной системы FlashBlade, как можно понять из технического описания.

Намного скромнее планы у более именитых конкурентов. Например, Toshiba собирается довести ёмкость своих SSD до 40 ТБ к этому же 2026 году.

В то же время Seagate рассчитывает ^[6] с помощью технологии HAMR к 2025 году вывести на рынок HDD ёмкостью в 50 терабайт, а к 2030 – в 100. То есть планы Pure Storage и технология SSD вроде бы значительно перспективнее, чем HDD. Да и совокупная стоимость владения (TCO) для SSD тоже должна постепенно снижаться в ближайшие годы, так что у HDD не останется шансов, если верить техдиру Pure Storage.

Но почему же SSD-накопители большого объёма до сих пор не вытеснили обычные жёсткие диски с рынка?

Всё очень просто. Мы ведь уже говорили о том, что от детских болезней SSD-технологий полностью избавиться пока не удалось. При развёртывании больших систем хранения данных учитывается риск ^[7], связанный с возможностью отказа накопителя. При расчётах оказывается, что ставить SSD больше 16 ТБ уже невыгодно из-за этих рисков.

Поэтому твёрдотельные накопители больше используют для хранения «горячих» данных, требующих быстрого доступа. А жёсткие диски сегодня остаются надежным и более выгодным решением для задач записи и хранения большого объёма «холодных» данных, для которых не требуются дорогостоящие, скоростные SSD.

Хотя последняя статистика Backblaze ^[8] свидетельствует о том, что отказоустойчивость даже недорогих моделей SSD нижнего и среднего ценового сегмента на самом деле не уступает HDD. Возможно, мифы о ненадёжности SSD стоит пересмотреть?

Производители HDD хоть и отмечают снижение спроса на традиционную продукцию но связывают ^[9] его с неблагоприятной экономической ситуацией и продолжают выпускать новые модели. Компания Seagate представила ^[10] HDD на 22 ТБ. Он выполнен в традиционном 3,5-дюймовом формате с интерфейсом SATA III. Внутри смонтировано 10 пластин и 20 считывающих головок с рабочей скоростью 7200 об/мин, кэш-памятью 512 МБ и скоростью передачи данных до 285 МБ/с. Диск специально разработан для систем со средней нагрузкой перезаписи до 550 ТБ в год.

Western Digital также продвигает новинку: жёсткий диск с двумя независимыми блоками головок, обеспечивающими вдвое большую производительность ^[11].

❯ Забудьте о мифах, они не помогут

Об оптимизации SSD написано множество статей, мануалов, сняты тысячи видео. Но это обилие информации окончательно запутывает обычного пользователя и, что ещё хуже, порождает множество «мифов», которые никак не помогают в работе, а наоборот. Попробуем разобраться, что нужно и что не нужно для оптимизации работы собственного SSD-накопителя. Главное при этом — не переборщить.

Нет особого смысла ^[12] отключать SysMain. В результате общая производительность системы может снизиться, а объём записи на диск — возрасти ^[13] (SysMain сжимает и объединяет страницы памяти). Отключение актуально лишь в том случае, если это рекомендуется производителем SSD, при этом может несколько замедлиться запуск программ с диска (данные оттуда не будут заранее подгружаться в RAM), если таковой присутствует в системе.

Отключение дефрагментации не поможет. Система посылает контроллеру SSD команды TRIM или Deallocate, в случае SSD с интерфейсом NVMe (поддерживается, начиная с Win8). Команда сообщает контроллеру накопителя, какие блоки памяти можно удалить. Если отключить дефрагментацию, скорость записи на SSD-накопитель начнёт снижаться. Это делать абсолютно незачем, дефрагментация происходит не настолько часто, чтобы вывести SSD-накопитель из строя.

В стремлении сэкономить ресурс SSD некоторые пользователи отключают файл подкачки или переносят его на HDD. Но зачем тогда нужен SSD, если, в обоих случаях вы теряете в производительности?

Файл подкачки отлично работает с SSD, при этом обеспечивается соотношение чтения к записи примерно 40:1. Кроме этого, отключив файл вы затрудните возможность диагностики критических ошибок. Дамп памяти ^[14] ядра создать уже не получится.

Отключение гибернации (в стационарных ПК возможен ещё и гибридный сон) не подойдёт для мобильных компьютеров, особенно в случае недоступности розетки и сети 220 вольт. Отключать её стоит лишь в очень слабых ноутбуках или планшетах, так как файл hiberfil.sys занимает 75% оперативной памяти. Немного уменьшить его можно консольной командой:

powercfg -h -size 50

Отключение защиты системы тоже не рекомендуется. Вряд ли вы получите выигрыш от того, что не сможете создать точку восстановления системы и «откатить» её, в случае каких-то форсмажорных обстоятельств. Но, как говорится, хозяин — барин.

Отключение индексирования и поиска на диске, перенос пользовательских папок, папок AppData и ProgramData, переустановка программ, перенос кэша браузера, временных файлов могут, конечно дать некий результат но установленная на SSD система будет работать гораздо быстрее, чем в случае применения некоторых или даже всех, упомянутых выше методов.

Для реального увеличения срока жизни SSD есть смысл проверить, включён ли набор команд TRIM ^[15]. Это функция ОС, с помощью которой ненужные данные помечаются специальным образом. Поэтому контроллеру не нужно перемещать их, записывая в другие блоки, что существенно уменьшает количество циклов перезаписи ^[16].

fsutil behavior query disabledeletenotify

Более достоверную проверку выполняет утилита TRIMCheck ^[17] от Владимира Пантелеева.

Включить TRIM стандартными средствами:

fsutil behavior set disabledeletenotify NTFS 0

fsutil behavior set disabledeletenotify ReFS 0

Если TRIM включён, но по факту не работает, рекомендуется ^[16] установить драйвер SATA последней версии.

❯ Выводы

В теории, SSD действительно надёжнее жёстких дисков. Но только в рамках расчётного количества записей. На практике надёжность SSD зависит от целого ряда факторов. Например, от ошибок в прошивке. Известен случай, когда накопители из одной партии с определённой версией прошивки быстро и почти одновременно вышли из строя. Виной тому или слишком интенсивная запись в ячейки или несовместимость при определенных операциях, которые и превращают накопитель в бесполезный хлам. К сожалению, в производстве контроллеров SSD до сих пор слишком много брака.

Наверное, из-за таких проблем SSD до сих пор полностью не захватили рынок, а HDD ещё крутят свои пластинки в наших системниках.