Цифровой журнал «Компьютерра» № 12

Ячейки флэш-памяти представляют собой полевые транзисторы с дополнительным плавающим затвором, окружённым диэлектриком. В результате процессов инжекции электронов или, всё чаще, туннелирования, затвор способен принимать одно из двух (SLC, Single Level Cell — одноуровневая ячейка) или четырёх (MLC, Multi Level Cell — многоуровневая ячейка) состояний. В первом случае это «0» или «1», во втором — «00», «01», «10» и «11». Понятно, что MLC обеспечивают вдвое большую ёмкость, пусть и ценой некоторого увеличения времени задержки, поэтому большая часть современных SSD относятся к этому типу. Впрочем, выпускаются и накопители с SLC — обычно это дорогие модели для систем, где требуется минимальная латентность и повышенная надёжность.

В первых SSD применялись чипы с логической организацией NOR (ИЛИ-НЕ), но сегодня значительно популярнее микросхемы NAND (И-НЕ), обеспечивающие более высокую скорость последовательного чтения и записи, но менее быстрый произвольный доступ. Чуть ли не самая главная проблема твёрдотельных накопителей связана именно с логической организацией флэш-памяти — это «засорение» диска ячейками с «удалёнными» файлами, проявляющееся в том, что со временем накопитель работает всё медленнее, и в конце концов задержки становятся раздражающе заметными.

Наверное, ни для кого не секрет, что когда мы «удаляем» файлы с диска, сначала они просто помечаются как «удалённые», а физическое их уничтожение происходит тогда, когда они замещаются новыми. Именно на этой особенности построены всевозможные алгоритмы «восстановления» данных. Если в случае с магнитным жёстким диском запись новой информации происходит просто «поверх» удалённой, то в случае с флэш-памятью всё сложнее.

Дело в том, что ячейки NAND-памяти объединены в так называемые страницы, и физическое стирание данных в них возможно только 512-килобайтными блоками (128 страниц по 4 Кб). Чтобы записать новые данные, необходимо либо найти свободные страницы, либо подготовить целый блок, стерев ячейки, занятые файлами, помеченными как удалённые. Процесс стирания блока отнимает время, а когда этих блоков накапливается много, тогда и возникают досадные «тормоза».

У этой проблемы есть три решения. Самое простое, применявшееся в SSD уходящего поколения, это полное низкоуровневое форматирование накопителя, приводящее в исходное состояние все ячейки. Это умеет, например, утилита Wiper Tool, совместимая с любыми дисками с контроллерами Indilinx (это, например, Corsair серии X или OCZ серии Vertex первого поколения).

Второе — это встроенная в микропрограмму накопителя технология GC (Idle Time Garbage Collection — «уборка мусора во время простоя»), которая при отсутствии обращения к накопителю анализирует состояние ячеек и принудительно очищает их от удалённых файлов.

И, наконец, третье и самое эффективное — использование набора инструкций TRIM, реализованных как на уровне микропрограммы диска, так и в операционной системе. Это та же самая принудительная уборка, только оптимизированная для конкретной файловой системы. Помимо стирания «мусорных» ячеек, TRIM отключает ненужные и даже вредные для флэш-дисков процедуры фоновой индексации и дефрагментации. TRIM поддерживают практически все новые SSD ведущих производителей, включая A-Data, Corsair, Intel, OCZ, SanDick, Samsung и Transcend. А вот совместимая с TRIM операционка пока только одна — это Windows 7.

Второй недостаток SSD-накопителя — это ограниченное количество циклов записи/стирания, связанная с физическим износом: постоянная нагрузка на диэлектрик, изолирующий плавающей затвор, вызывает изменения его структуры и приводит к «пробою», то есть невозможности удерживать заряд. В результате ячейка теряет функциональность, оставаясь постоянно в некотором стабильном состоянии. Контроллер SSD способен отслеживать такие ячейки и помечать их, а подаваемый на них сигнал перенаправляется на резервные, количество которых может составлять до 10 % от ёмкости всего накопителя.

Заявленное количество циклов записи стирания на первый взгляд невелико — до 10000 для MLC и до 100000 для SLC. Если взять среднюю скорость записи 100 Мб/с и самый распространённый SSD на 128 Гб, то мы получим потенциальное время непрерывной работы 3640 часов или 151 день. Но на самом деле столь интенсивное использование можно смоделировать лишь искусственно: при обычной работе с компьютерам большая часть файлов записывается на диск всего единожды, а постоянно изменяется не более 10 процентов. Исходя из этого, можно предположить, что в нашем распоряжении уже 1510 дней, то есть чуть больше четырёх лет эксплуатации, а за это время морально устареет любой компьютер и, тем более, накопитель.