Твердотельный накопитель (англ. SSD, Solid State Drive, другое - Solid State Disk) — энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство без движущихся механических частей. Следует различать твердотельный накопители основанные на использовании энергозависимой (RAM SSD) и энергонезависимой (NAND или Flash SSD) памяти. Многие аналитики считают, что уже в ближайшие годы NAND твердотельные накопители займут достаточно большую долю рынка накопителей, отвоевав её у накопителей на жёстких магнитных дисках.
Здесь и далее под SSD понимается Flash-SSD, везде где нет конкретных указаний.

Википедия

Как только появились дискретные вычислительные устройства возникла необходимость сохранить результаты их работы в памяти. Сначала таким устройством памяти были ламповые триггера, подобные тем на которых выполнялись вычисления. Потом появились устройства памяти на ферритовых сердечниках, устройства для хранения и накопления информации на магнитных барабанах, дисках и магнитной ленте. Память на ферритовых сердечниках сначала стала работать в качестве оперативной памяти, а потом и вышла из употребления.

- В 1978 компания StorageTek разработала первый твердотельный накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти).

- В 1995 компания M-Systems представила первый твердотельный накопитель на flash-памяти.

- В 2008 Южнокорейской компании Mitron Storage Technology удалось создать SSD накопитель со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с, который она продемонстрировала на выставке в Сеуле. Объём данного накопителя — 128 ГБ. По заявлению компании выпуск таких устройств начнётся уже в 2009 году.

Наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают SSD-направление в своей деятельности, можно назвать Samsung Electronics, SanDisk, Intel, Toshiba.

Твердотельные накопители используются в основном в специализированных вычислительных системах и в некоторых моделях ноутбуков (например, ASUS Eee PC, Acer Aspire One, ноутбуки фирмы Apple, lenovo).

Появились, явно рекламные, публикации о скорейшей полной замене HDD на SSD накопители, причем для характеристик последних используются исключительно превосходные степени.

Есть и другие публикации которые показывают, что пока SSD накопители не дотягивают до современных HDD.

Но!

Самое главное, их цена пока превышает аналогичные модели HDD, часто в десятки раз. Складывается впечатление, что сейчас главная задача производителей ПК срочно перевести их на использование SSD. При этом производители SSD стараются не грузить рядовых пользователей проблемами и обходят их недостатки.

Конечно с расширением их производства цена снизится, может снизится и потребляемая мощность, но вызывает сомнение что они заменят 1 или 2Тб HDD. Особенно это касается цены.

Есть и другие НО, о которых я расскажу дальше.

 

Принцип работы ячейки SSD

Тем более что часто применяют просто некорректные сравнения с HDD форм фактора 3,5" для десктопов, которые просто не могут конкурировать с SSD форм фактора 1,8", предназначенные для работы в ноутбуках.

Чтобы можно было понять достоинства и недостатки SSD, рассмотрим как работает элементарная SLC ячейки. Не вдаваясь в различия между ячейками SLC или MLC, тем более у последней тот же принцип работы, при более сложной структуре.

Но для понимания разницы сравним их с RAM ячейками.

Одноуровневая ячейка SLC - Single Level Cell Flash-SSD		Ячейка DRAM (Dynamic Random Access Memory)
У SSD ячейки элементом памяти является плавающий затвор, заряд на емкости которого меняет состояние КМОП транзистора - Открыт/Закрыт. Зарядка емкости плавающего затвора происходит за счет туннельного перехода электронов из истока на плавающий затвор с помощью подачи потенциала на управляющий электрод. Потребляемая мощность зависит от объема запоминающего устройства и частоты циклов чтения/записи.		У ячейки RAM элементом памяти является запоминающий конденсатор С. Поддержание исходного потенциала которого требует затрат времени и энергии. Потребляемая мощность зависит от частоты обращения к памяти и объема памяти в модуле.
Ячейка SSD имеет емкость плавающего затвора много меньше чем запоминающая емкость DRAM, это требует много меньших энергетических затрат для изменения ее состояния (0 или1). Заряд на ячейке SSD может храниться достаточно долго без его восстановления за счет практически отсутствующего саморазряда. DRAM требует постоянной процедуры восстановления заряда (регенерации) на запоминающем конденсаторе из-за больших утечек. Информация теряется сразу после выключения питания.

Много уровневая ячейка MLC -  Multi Level Cell (NAND) имеет более сложную структуру, но выполнена на таких же как ячейка SLC, МОП транзисторах с плавающим затвором, но отличается более сложной структурой.

 

И плавающий затвор в SSD и запоминающая емкость в DRAM работают по одному принципу. Зарядив их емкость C до напряжения E этот конденсатор заряжается до заряда Q. Чем больше этот заряд тем дольше напряжения на запоминающем конденсаторе будет превышать некоторую критическую величину Eмин до которой ячейка будет находиться в состоянии "1". Время разряда (в e раз) определяется сопротивлением утечки конденсатора (τ=RутC) - плавающего затвора и воздействием внешних факторов. Согласно известной формуле: Q=C*U Заряд на конденсаторе тем выше чем больше емкость запоминающего конденсатора и напряжение на нем. В то же время емкость должна иметь минимальную величину, чтобы затраты энергии на ее заряд было минимальным. Для этого же снижают и рабочее напряжение. Желательно иметь минимальную емкость запоминающего конденсатора и для того чтобы ускорить его зарядку. Снизу величина емкости запоминающего конденсатора, а значит и его размеры и применяемый техпроцесс ограничены его саморазрядом или разрядом под воздействием ионизирующего излучения. Поскольку время хранения гарантированное производителем SSD сейчас превышает 10 лет это говорит о малых утечках. Но при малых емкостях увеличивается вероятность потери заряда при воздействии ионизирующего излучения. Ионизи́рующее излуче́ние — в самом общем смысле — различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество. Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения: коротковолновое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-излучения), потоки заряжённых частиц: бета-частиц (электронов и позитронов), альфа-частиц (ядер атома гелия-4), протонов, а также нейтронов. (Википедия)

Попробуем разобраться в энергопотреблении

Часто в статьях применяют просто некорректные сравнения с HDD форм фактора 3,5" для десктопов, с которыми просто не могут конкурировать SSD форм фактора 1,8", предназначенные для работы в ноутбуках.

Посмотрим и сравним потребление HDD и SSD приведенные в таблице 1.

 

N п/п	Модель	Тип	Емкость GB	Pпотр Вт		Pпотр на Max пропускной способности, Вт	Pпотр при просмотре DVD видео, Вт	Скорость Мб/с		Примечание
				ожидание	чтение/запись			Чтения	Записи
1	Hama Flash SSD 1.8”	SLC	32	0,03	0,8	0,7			30
2	OCZ SATAII 2.5” SSD	SLC	64	0,3	0,8	0,8	0,3	90	90	>$1000
3	OCZ Vertex SATA II 2,5" OCZSSD2-1VTX120G	MLC	120			2		200	160	$469
4	Samsung SSD 3Gbps 2.5”	SLC	64	0,3	0,8	0,9	0,4	90	90
5	Samsung SSD 2.5”	MLC	256		1,1			220	200
6	SanDisk SSD 5000 2.5”		32	0,3	0,8	0,9	0,5
7	Silicon Power SSD 2.5”	SLC	128	0,9	1,7			57	30
8	Hama Highspeed Flash SSD 2.5”	SLC	32	0,84	1,8	1,6	0,8	100	83
9	Hama Highspeed Flash SSD 3.5”	SLC	64	0,8	1,9	1,8	0,8	86	76
10	MemoRight MR25.2-064S		64	1	2			116	121
11	SuperTalent Master Drive MX 2.2”	MLC	60	1,2	2,2	2	1,1	110	30
12	MemoRight MR25.2-032S		32	0,8	2,3
13	MtronFlash 2.5”		32			2,9	2,2
14	Mtron Pro7500 3.5”		32	1,6	2,4	2	1,5	116	117	$1300
15	Hama Flash SSD 2.5”	MLC	32	1,9	2,7	2,6		62	29
16	Crucial SSD 2.5”	MLC	32	1,6	2,9	2,7	2,1	125	60
17	Vertex Series 30 2.5”	MLC	30			2		200	160	$120
18	SSD Toshiba THNS512GG8B 2.5”	MLC	512					240	200	69,9x9,5x100, 66г.
19	SSD Toshiba THNS256GG8BA 1.8”	MLC	256					240	200	54x5x78,5, 44г.
20	Seagate Barracuda 7200.11 3.5”	HDD	1000	≈8		12 произв. выборка		105	105	$120
21	Seagate Momentus 5400.2 2,5"	HDD	120	0,8	1,8/1,8	5 при раскрутке		100	100
22	Hitachi Travelstar 7K200 2,5"(7200 об/мин)	HDD	160	0,9-1		3,2 произв. выборка	0,8	>200	>200

Таблица 1.

В таблице сведены данные нескольких источников (в том числе и [Л.3]). Для сравнения в последних 3х строках приведены характеристики потребления HDD. Seagate Barracuda 7200.11 3.5” из статьи [Л.3] который в принципе не может быть взят для сравнения из-за своего типоразмера 3,5'' и два 2,5'' HDD предназначенные для применения в ноутбуках и которые можно достаточно корректно рассматривать при сравнении характеристик.

Причем хотелось бы сравнить HDD и SSD по параметрам связанным с потребляемой мощностью. Поскольку в одной из публикаций показано что самые экономичные SSD накопители разряжают батареи ноутбуков ничуть не меньше HDD, а иногда и сильнее.

Рассматривая таблицу 1, мы видим, что существуют экономичные модели SSD, (№ п/п 1,2,4,6), но их главный недостаток малая скорость чтения/записи (менее 100 Мб/сек). Это модели с использованием в качестве элемента памяти SLC ячейки.

Обращаю Ваше внимание на еще одну особенность - их емкость менее 64Мб.

Все скоростные модели (№ п/п 3,5,17 - емкостью 120,256,30 Гб соответственно) построены с использованием ячеек MLC, и имеют скорость чтения/записи более 200/160 Мб/сек. Но при этом потребляют от источника питания более 1,5-2Вт.

Высокое потребление это плата за скорость.

Вы наверное обратили внимание я не рассматриваю остальные модели SSD я просто не рассматриваю, это не лучшие решения с точки зрения соотношения потребляемой мощности / скорости.

Сравнивая SSD с HDD по рассматриваемым характеристикам, видим что экономичные SSD (отставая в емкости) имеют потребление чуть ниже чем лучшие 2,5'' HDD, как и скорость чтения/записи. Можно предположить, что при равной емкости и потребление их сблизится.

А вот SSD с высоким быстродействием имеют потребление более высокое чем лучшие HDD, при примерно равной скорости чтения/записи. Стоит обратить внимание что раскрутка дисков HDD требует кратковременного потребления до 5 Вт.

Туз в рукаве

Но наряду с технологией SSD и HDD существуют и другие технологии, часто даже лучшие по своим характеристикам. Эти технологии улучшаются разрабатываются новые. Это происходит без привлечения излишнего внимания. Иногда даже делаются публичные заявления об отказе от их разработке в пользу SSD.

Почему?

 Потому что затраченные на разработку технологии SSD деньги надо вернуть, а лучше - заработать на них.

Перспективные технологии производства памяти

Существуют две принципиально разные технологии, позволяющие уже сегодня получать универсальную память с качествами идеальной памяти (энергонезависимость, произвольный доступ, высокая скорость работы). Это ферроэлектрическая (FRAM), магниторезистивная (MRAM), C-RAM технологии и Магнитный вентиль. Стоит сказать несколько слов о них.

Основа FRAM — конденсатор, представляющий собой две пластины с тонким слоем сегнетоэлектрика между ними. (Сегнетоэлектрики — группа соединений, обладающих способностью при приложении к ним электрического тока изменять свои физические свойства. В ряде случаев, после прекращения воздействия, изменения в материале сохраняются, что позволяет использовать этот класс соединений в качестве носителя информации в запоминающих устройствах.) Принцип работы запоминающей ячейки FRAM основан на перемещении атома сегнетоэлектрика в кристалле в одно из двух стабильных положений под действием электростатических сил внешнего электрического поля. Приложенный к обкладкам конденсатора потенциал поляризует вещество, и направление поляризации представляет собой двоичную информацию, хранящуюся в ячейке. Следовательно, его состояния могут быть использованы для записи логической переменной со значениями «0» или «1». Такой эффект известен довольно давно, и вещества, в которых он ярко проявляется — тоже.

Этот тип памяти выпускается серийно и представителем этого семейства является ИС FM24C64 (компания Ramtron).

В памяти FRAM, с целью ускорения доступа, в некоторых ИС ввели особый режим — страничный доступ. Суть его в том, что в пределах выбранной страницы (в ИС FM20L08T, например, ее объем равен 8 байт) доступ может выполняться в ускоренном режиме, обеспечивая темп до 320 Мбит/с, но при произвольном обращении к памяти темп резко снижается. Это происходит из-за необходимости смены начального адреса и переустановки сигналов управления. В момент снятия управляющих сигналов начинается цикл восстанавливающего чтения, длительностью от 290 до 350 нс (в зависимости от типа операции чтение/запись), что приостанавливает дальнейшие обращения к ИС и еще больше снижает средний темп доступа. В итоге даже в самых быстрых ИС FRAM при произвольном обращении цикл доступа не может быть короче 350 нс. Например, в FM20L08T максимальная скорость записи не превышает 23 Мбит/с (почти в 20 раз медленнее, чем в памяти MRAM).

Компания Ramtron International Corporation, недавно сообщила, что Promise Technology Inc. будет использовать ее память в RAID-контроллерах. Речь идет о 3-вольтовых 256-кбит чипах FM18L08 — их предполагается ввести в системы RAID для хранения информации о сделанных транзакциях и т. п. Как отмечается в пресс-релизе, основной причиной выбора Promise именно этой памяти стала реализованная в чипах технология NoDelay (без задержек). Чипы, которые Promise намерена интегрировать в свои продукты, имеют параллельный интерфейс, время хранения данных без источника питания — до 10 лет. Они характеризуются и неограниченным количеством циклов перезаписи, временя доступа — 70 нс, а рабочее напряжение на уровне 3,0–3,65 В.

 Другая технология (MRAM), пожалуй, не менее перспективная. Она столь же активно не пропагандируется никем. Возможно, тому есть свои причины и основная из них — недостаточно широкий (пока еще) спектр выпускаемых продуктов. Новых ИС MRAM буквально единицы, и, значит, выбирать пока не из чего, тогда как FRAM производится в десятках модификаций несколькими компаниями. Исследования по технологии производства MRAM ведут такие известные компании, как IBM, Infineon, Motorola (Freescale), Toshiba, NEC, Sypress. По мнению специалистов компании Northen Lights semiconductor Corp. [9], MRAM обладает рядом преимуществ перед всеми остальными типами памяти, в том числе перед FRAM. (Компания производит ряд специальных изделий, оснащенных встроенной энергонезависимой памятью, в частности микроконтроллеры и RFID-карты.)

В июне 2004 года компании IBM и Infineon, объединившие усилия в разработке технологии MRAM и создавшие совместную компанию Altis Semiconductors, впервые сообщили об опытных экземплярах ИС с объемом памяти 16 Мбит. Позже, 24 января 2006 года IBM опубликовала подробный отчет о достигнутых результатах.  Объем равен 16 Мбит. Цикл доступа не превышает 40 нс. Структура ячейки памяти — 1T1MTJ (один транзистор, один магнитный туннельный переход.) Память произведена по 0,18-мкм технологии. Тем не менее представители фирм заявили, что эта память не будет тиражироваться и служит лишь отчетом мировому сообществу о состоянии дел. Специалисты компаний продолжат исследования с целью дальнейшего совершенствования технологии.

14 июля 2006 года компания NEC объявила о том, что ею разработаны две новые структурные ячейки MRAM типа 2T1MTJ и 5T2MTJ [7] (2T1MTJ — два транзистора и один магнитный туннельный переход, 5T2MTJ — 5 транзисторов и 2 магнитных перехода). Первая из них позволяет MRAM работать с частотой обращения 200 МГц, а вторая — 500 МГц. Огромные скорости доступа! Напомним, на всякий случай, что речь идет об энергонезависимой памяти, а не о какой-нибудь уникальной оперативной памяти типа SRAM. Такие скорости и объемы в других технологиях не достигнуты даже в экспериментальных образцах. (Для сравнения: сегодня максимальный объем серийно производимой памяти FRAM — 1 Мбит. Время цикла в произвольном доступе около 350 нс, то есть меньше 3 МГц.)

Из приведенных сообщений следует, во-первых, что технология жива и интересна многим, во-вторых, что она развивается и совершенствуется, и, в-третьих, полученные результаты подтверждают теоретически предсказанные уникальные, рекордные параметры MRAM. Но прежде чем был получен первый коммерчески интересный продукт, компаниям пришлось потратить много усилий и проверить многие инженерные решения.

В серийных MRAM ИС памяти MR2A16A объемом 4 Мбит, выпускаемых компанией Freescale, время цикла для операций записи и чтения равно 35 нс, что при параллельной загрузке данных (16 разрядов) позволяет достичь темпа накопления данных около 450 Мбит/с. Это очень хороший показатель, превзойти который в сегнетоэлектрической памяти пока не удалось. Заметим, что в ИС FRAM фирмы Ramtron также выполняется лишний цикл при любом обращении к ячейке памяти (цикл восстановления данных). Но в отличие от MRAM это чтение заметно влияет на длительность операций.

По данным IBM, время записи в MRAM не превышает 2,3 нс, что более чем в 1000 раз быстрее, нежели время записи в флэш-память и в 20 раз быстрее скорости обращения к FRAM. Время чтения произвольного бита не превышает 3 нс, — 20 раз меньше, чем для DRAM, а потребляемый ток составляет около 2 мА, то есть меньше тока потребления DRAM в 100 раз. Кроме того, MRAM, в отличие от SRAM, устойчива к внешним электромагнитным воздействиям.

У MRAM есть и другое достоинство — невысокая стоимость чипов на ее основе. В отличие от флэш-памяти, которая производится по специализированному процессу КМОП, микросхемы MRAM можно выпускать по стандартному процессу. В результате изготовление больших объемов таких микросхем обходится дешевле.

Магнитный вентиль. Ученые из корпорации IBM работали в другом направлении — они попытались создать устройство, основанное на туннельном эффекте, который проявляется в протекании тока через тонкий изолятор, разделяющий два магнитных слоя. Слабый туннельный ток менялся почти на 30% в зависимости от того, в каком направлении действовали поля соседних магнитов (в одном или в противоположных). Исследователям удалось создать матрицу емкостью 14 бит, для хранения каждого из них требовалось всего 200 нм, а время переключения составляло не более 5 нс. Опытные образцы магнитных запоминающих устройств разрабатывались также корпорацией Toshiba. Здесь в основе запоминающей ячейки был многослойный магнитный вентиль, выполненный в полупроводниковой структуре кристалла. Длительность цикла записи-чтения для этих устройств была примерно такой же, как у ячеек IBM. Теоретически же время переключения спина электрона (а значит, и магнитного момента) в веществе происходит за время, равное единицам пикосекунд. Отсюда становится понятным потенциальное быстродействие, присущее ячейкам памяти MRAM.

C-RAM (Chalcogenide Random Access Memory - память со случайной выборкой на основе халькогенидов), PCM (Phase Change Memory - память на фазовом переходе), или OUM (Ovonyx Unified Memory). Производятся компаниями STMicroelectronics и Ovonyx, основаны на принципе, при котором в одной фазе вещество носителя является непроводящим аморфным (стеклоподобным) материалом, во второй — кристаллическим проводником. Запоминающие ячейки CRAM способны переходить из одной фазы в другую под воздействием нагрева или электрических полей. По информации компаний, размер ячейки CRAM составляет 0,32 кв. мк при выпуске по 0,18-мк нормам. Потребляемый ячейкой ток равен 600 мкА. Одна ячейка способна выдержать 10–11 млрд. циклов перезаписи и обеспечивает хранение данных до 10 лет при температуре не выше 110 ⁰С.

Выпускаемая с сентября 2006 года микросхема, получившая наименование 251A184, будет поставлена на поток весной следующего года.

Микросхема имеет следующие параметры:

• объем — 4 Мбит,
• организация — 512 КQ8,
• питание — 3,3 В,
• длительность цикла при операциях чтения — 70 нс,
• длительность цикла при записи — 500 нс,
• рабочий диапазон температур — military,
• энергопотребление - низкое.

Временные характеристики C-RAM далеки от рекордных, к тому же длительности процессов записи и считывания не одинаковы. С такими качествами данный тип памяти вряд сможет стать универсальным, зато он способен выдерживать без каких-либо сбоев облучение в 1 Мрад (рад — единица измерения поглощенной дозы излучения, 1 рад = 0,01 Грей), то есть способна работать в условиях космоса и в очагах радиоактивного заражения с высоким уровнем излучения.

* - компания Selic сообщает, что планирует начать производство 2.Мбит FRAM, обладающих высокой стойкостью к ионизирующему излучению.

Данные образцов серийно выпускаемых чипы энергонезависимой памяти приведены в таблице 3 [Л.1].

Таблица 3. Параметры серийных микросхем энергонезависимой памяти