Характеристики SSD-накопителей — как выбрать подходящий SSD?

Как и любые компьютерные комплектующие, твердотельные накопители отличаются друг от друга рядом параметров, определяющих три таких значимых фактора, как производительность, надежность (рабочий ресурс) и стоимость. Здесь мы рассмотрим наиболее важные характеристики SSD-дисков, к которым относятся:

• Объем дискового пространства.
• Форм-фактор и физический интерфейс.
• Поддержка NVMe.
• Скорость чтения и записи данных.
• Тип используемой памяти.
• Контроллер.
• Поддержка (наличие) дополнительных функций.

Начать стоит с того, что существует две принципиально различные разновидности SSD-накопителей — внешние и внутренние. Первые подключаются к компьютеру через USB или Thunderbolt порт, представляя собой, по сути, флешки объемом от 120 гигабайт (диски меньшего объема уходят в прошлое). Внутренние SSD-накопители — это те, что приходят на замену жестким дискам. Для подключения к компьютеру используются другие интерфейсы, не имеющие выводов снаружи системного блока или корпуса ноутбука. Именно о таких SSD-накопителях и пойдет речь далее.

Объем дискового пространства

Ключевой параметр любого запоминающего устройства, от которого по большей части зависит стоимость. На момент написания статьи в продаже были доступны SSD-диски объемом от 120 гигабайт (есть и меньше, но это редкость) до 4 и более терабайт. Накопителей с небольшим объемом памяти достаточно для офисной работы или домашнего использования для серфинга в интернете. Дискового пространства хватит на установку любой операционной системы, включая Windows 11, и наиболее востребованных программ. Зачастую 120 или 240-гигабайтовые SSD совмещаются с жесткими дисками, которые обычно служат в качестве хранилища.

Геймерам и пользователям, которым требуется обрабатывать большие объемы данных с максимально возможной скоростью, 120 или даже 240 гигабайт, как правило, недостаточно. Но тут уже все зависит от бюджета — чем больше дискового пространства, тем дороже SSD-диск.

Форм-фактор и физический интерфейс

Если жесткий диск купить с закрытыми глазами, то он в любом случае может быть установлен в компьютер (разве что для ноутбука нужно брать соответствующий по габаритам винчестер). Все дело в том, что все HDD имеют одинаковый форм-фактор (для стационарных ПК — 3,5 дюйма, для лэптопов — 2,5 дюйма) и подключаются к стандартному интерфейсу SATA, независимо от их прочих характеристик.

В случае с твердотельными накопителями все совсем иначе. Они отличаются не только по форм-фактору, но и типу используемого для подключения к компьютеру физического интерфейса. Причем для ноутбуков выпускаются SSD-диски, имеющие собственный форм-фактор. Со стационарными ПК все немного проще, т.к. в системном блоке, в отличие от корпуса лэптопа, всегда найдется место для установки любых типов твердотельных накопителей. Главное, чтобы в материнской плате присутствовал нужный для этого порт либо у пользователя был в наличии нужный переходник, но мы сейчас не об этом.

Форм-фактор SSD-дисков

На момент написания статьи существовало 4 разновидности форм-факторов твердотельных накопителей:

• «2.5 SATA» или 2,5-дюймовые SSD-диски. По габаритным параметрам в точности соответствуют 2,5-дюймовым жестким дискам, устанавливаемым в ноутбуки. На данный момент это наиболее распространенный форм-фактор, т.к. он универсален — подходит и для стационарных, и для мобильных компьютеров, хотя в последних они используются все реже.

• «M.2». SSD-диски с этим форм-фактором используются как в ноутбуках, так и в стационарных компьютерах. Твердотельные накопители M.2 отличаются габаритными параметрами, ввиду чего каждый вид также принято выделять в отдельный форм-фактор: «2230», «2242», «2260», «2280», «22110» и т.д. (этот перечень, вероятно, будет продолжен в будущем). Здесь первые две цифры обозначают ширину SSD-диска (22мм), все последующие — высоту (длину) устройства в миллиметрах, т.е. 30мм, 42мм, 110мм и т.д.

• «mSATA». Твердотельные накопители с форм-фактором mSATA создавались специально для установки в ноутбуки, однако они постепенно уходят в прошлое, заменяясь дисками M.2. Дело в том, что mSATA — это всего лишь миниатюризированный вариант форм-фактора 2.5 SATA. Никаких принципиальных отличий между 2.5 SATA и mSATA, кроме габаритных параметров, нет. Диски mSATA могут быть подключены и к стационарному компьютеру при использовании соответствующего переходника, при этом диск не потеряет очков производительности, т.к. в обоих случаях данные передаются через стандартный для жестких дисков интерфейс SATA.

• «PCI-E». На момент написания статьи SSD-диски с форм-фактором PCI-E являлись самой современной разработкой в массовой IT-индустрии. Первоначально такие накопители использовались только в стационарных компьютерах, т.к. в ноутбуки еще не устанавливался дополнительный порт для подключения устройств PCI-E. Со временем те стали появляться и в мобильных компьютерах, правда, в виде порта M.2 (т.е. и сами диски PCI-E под ноутбуки имеют форм-фактор M.2). Забегая немного вперед, скажем, что SSD-диски с форм-фактором PCI-E являются наиболее высокоскоростными, т.к. работают они через одноименный интерфейс, использующийся для подключения высокопроизводительного оборудования, такого как видеокарты.

Физический интерфейс (шина)

В отличие от жестких дисков, SSD-накопители, имеющие один и тот же форм-фактор, могут работать через разные физические интерфейсы. От используемого интерфейса зависит скорость обмена данными между системой и накопителем, но вопрос быстродействия мы вынесли в отдельный параграф.

Существовавшие на момент написания статьи SSD-диски работали через следующие интерфейсы:

• «SATA 2» и «SATA 3» (возможна, но не гарантирована работоспособность через «SATA 1»). С использованием данных интерфейсов в основном функционируют твердотельные накопители, выполненные в форм-факторе «2.5 SATA» и «mSATA», реже — «M.2». На данный момент накопители для SATA-интерфейса являются наиболее распространенными, но, видимо, только по причине того, что основная масса уже реализованных материнских плат оснащена данным интерфейсом. Впрочем, последняя модификация интерфейса — «SATA5» — вышла совсем недавно — в 2020 году, потому нельзя утверждать, что он в скором времени уйдет в прошлое.
• «mSATA». Шина служит для подключения SSD-дисков с одноименным форм-фактором. Встречается в основном в ноутбуках, реже — в материнских платах стационарных компьютеров. Фактически, передача данных осуществляется с использованием SATA-интерфейса, о чем уже было сказано выше.
• «M.2». Вообще, M.2 — это не физический интерфейс, а название разъема. Тем не менее, иногда в сети можно встретить утверждение, что M.2 — это физический интерфейс. Во многих интернет-магазинах (в основном — в китайских, где царствует машинный перевод) «M.2» также называют шиной передачи данных, что вводит покупателей в заблуждение. На деле же, на разъеме M.2 может быть реализовано несколько физических интерфейсов, в т.ч. SATA и следующий в нашем списке — «PCI-E». Подсказку о том, что конкретно реализовано на разъеме M.2, дает его конструкция. А именно — в нем может присутствовать 1 или две вставки, делящие контактную площадку на 2 или 3 части. На контактной площадке самого SSD-диска присутствуют технологические вырезы. Эти вставки и вырезы именуются ключами. В основном в твердотельных накопителях используются 3 типа ключей:

1. «M-key». 1 вырез с правой стороны контактной площадки SSD-диска, если смотреть на него сверху (со стороны расположения чипов памяти).
2. «B-key». 1 вырез с левой стороны (практически не используются).
3. «B&M-key». 2 выреза с обеих сторон контактной площадки SSD-накопителя.

• «PCI-E». Интерфейс PCI-E в ноутбуках реализуется на основе разъема M.2, а в материнских платах стационарных компьютеров – на основе стандартных разъемов PCI-E x1, PCI-E x4, PCI-E x8 или PCI-E x16. Множители «x1/x4/x8/x16» обозначают количество одновременно используемых каналов передачи данных и, как следствие, производительность интерфейса (а также габаритные размеры самого разъема). Для названных слотов предусмотрена собственная конструкция SSD-накопителей (показана на предыдущем изображении), функционирующих через интерфейс PCI-E. Но уже перестали быть редкостью платы с разъемами M.2 для подключения SSD в соответствующем форм-факторе.

С самыми сложными и запутанными моментами — форм-факторами и интерфейсами — разобрались, теперь идем дальше.

Поддержка NVMe

Продвинутые пользователи ПК должны быть знакомы таким с протоколом (механизмом/контроллером) передачи данных между компьютером и запоминающим устройством, как AHCI. Этот протокол уже изрядно устарел — хоть он и позволяет подключать к ПК твердотельные накопители, но его производительность хромает по сравнению с NVMe. Многие пользователи совершают ошибку, приобретая SSD-диск с поддержкой данного протокола, не проверив предварительно, поддерживает ли его материнская плата компьютера. Устройство при этом будет себе спокойно работать, но вот максимальной скорости передачи данных от него никак не добиться.

Твердотельные накопители, оснащенные контроллерами NVMe, работают только через шину передачи данных PCI-E. При этом они могут иметь один из двух форм-факторов — «M.2» и, собственно, «PCI-E». Первые, используются в ноутбуках и стационарных ПК, вторые — только в стационарных. Диски в форм-факторе «M.2», поддерживающие протокол NVMe, всегда имеют один вырез с правой стороны конструкции контактной площадки, т.е. они имеют ключ «M Key». Впрочем, отличить их несложно – о поддержке NVMe сообщит надпись стикере/корпусе:

Вообще же, производительность твердотельных дисков с поддержкой NVMe является зачастую избыточной для простых пользователей или даже геймеров, стремящихся максимально сократить время загрузки игр и, самое главное, увеличить FPS (хотя скорость диска на FPS обычно влияет только при подгрузке игрой каких-то данных в ОЗУ). Потому такие накопители обычно используются в корпоративных целях (например, облачные хранилища) или профессионалами, которым требуется высокая производитель записи и чтения объемных файлов (к примеру, для профессионального видеомонтажа).

Скорость чтения/записи данных

Обычно эти параметры SSD-накопителей рассматриваются в самом начале или вместе с поддерживаемыми ими физическими интерфейсами. Но мы решили сделать наоборот, чтобы уменьшить вероятность возникновения путаницы.

SSD-диски, что были в продаже на момент написания статьи, имели скорость передачи данных в пределах от 300 до 6000 и более мегабайт в секунду. Наиболее востребованными, как у обычных пользователей, так и у геймеров являются накопители со скоростью записи/чтения данных от 500 до 1000 Мб/сек.

На производительность устройства основное влияние оказывает поддерживаемый тем тип физического интерфейса, но не только. Вот усредненные показатели скорости чтения и записи информации для интерфейсов SATA/mSATA и PCI-E:

• SATA и mSATA. Скорость записи информации на такие диски составляет от 290 до 600 Мб/сек, чтения — 450 до 600 Мб/сек.
• PCI-E. Скорость работы у таких накопителей определяется, исходя из поддержки того или иного поколения шины PCI-E (2, 3 или 4), а также количества используемых для этого каналов связи (x2, x4, x8, x16). В среднем такие диски могут работать на скоростях от 500 до 7000 Мб/сек и более.

Однако реальная производительность твердотельного накопителя может быть определена только опытным путем. Т.к. помимо используемого физического интерфейса, на этот показатель также влияет тип используемой памяти и реализованные в устройстве дополнительные аппаратные и программные решения.

Тип и структура памяти

SSD-диски конструируются на основе чипов памяти типа NAND и 3D XPoint (принципиально новая технология Flash-памяти). Касательно 3D XPoint пока еще многого неизвестно, помимо того, что она функционирует примерно в 4 раза быстрее при записи в нее данных и в 3 раза быстрее — при чтении, обладает 10-кратно меньшей задержкой и большим раза в 3 ресурсом, нежели NAND память. Соответственно всему этому, SSD-диски с памятью 3D XPoint значительно дороже устройств предыдущего поколения. Впрочем, они изначально разрабатывались для профессиональных и корпоративных пользователей.

На счет NAND известно практически все. Для конечного пользователя важны два момента — структура и тип памяти. Под структурой понимается технология компоновки в блоки ячеек памяти на кристалле, под типом — количество бит данных, что могут быть записаны в одну такую ячейку. По структуре NAND память делится на два вида:

1. 2D NAND. Чипы памяти с двумерной организацией ячеек постепенно выходят из потребления.
2. 3D NAND. Чипы памяти с трехмерной организацией ячеек, используемые в подавляющем большинстве производимых сегодня SSD-накопителей. Такая компоновка получилась очень удачной во всех смыслах. Память 3D NAND не только надежней, но и дешевле чипов 2D NAND.

В большей степени, чем структура, на ресурс SSD-диска влияет второй критерий — тип NAND-памяти. По этому признаку твердотельные накопители делятся на две большие категории — устройства с чипами памяти, в которых одна ячейка может хранить всего один или несколько байт. В первом случае речь идет об одноуровневых ячейках (Single-Level Cell или SLC), во втором — о многоуровневых ячейках (Multi-Level Cell или MLC). Так уж повелось, что под MLC стали понимать память, в которой в одной ячейке хранится 2 бита данных. Далее в одну ячейку научились записывать уже 3 и 4 бита информации. Такие устройства получили название TLC (Triple-Level Cell) и QLC (Quad-Level Cell), соответственно.

Однако не стоит думать, что чем больше бит данных способна хранить одна ячейка памяти, тем она быстрее работает. Все ровно наоборот. Скажем больше — NAND память, построенная на основе многоуровневых ячеек, не только имеет меньшую производительность, но и меньший ресурс. Так, память типа SLC способна выдержать порядка 100 тыс. операций записи/стирания, MLC — около 10 тыс. операций, TLC — порядка 1000, а QLC — всего несколько сотен.

Единственное преимущество SSD-накопителей с многоуровневыми ячейками памяти — низкая стоимость, продиктованная меньшим ресурсом и производительностью.

Если изучить витрину любого интернет-магазина, то можно выяснить, что большинство выставленных на продажу SSD-дисков оснащено память NAND типа TLC с трехбитовыми ячейками. Как мы уже выяснили, такая память может быть перезаписана около 1000 раз (на деле — несколько тысяч). Но не стоит думать, что SSD-накопитель с TLC-памятью быстро выйдет из строя. Ведь речь идет о записи данных, а обычные пользователи в основном считывают информацию с диска.

В среднем такие твердотельные накопители способны проработать от 5 до 10 лет. Гораздо меньший срок службы наблюдается только в том случае, если SSD задействовать в работе высоконагруженных систем, каковыми являются, например, серверы под социальные сети или облачные хранилища.

Контроллеры

При выборе SSD-диска покупатели редко обращают внимание на контроллер (управляющий микропроцессор), а ведь в его задачу входит обработка всех запросов к накопителю, управление операциями чтения и записи, кэширование данных и выполнение множество других внутренних операций. Т.е., чем мощнее контроллер, тем выше производительность SSD-накопителя. Если взять, к примеру, два устройства с одинаковым типом NAND-памяти, то быстрее работать будет тот из них, который оснащен более мощным контроллером.

К основным характеристикам микропроцессоров SSD, влияющим на производительность, относится количество ядер (от 1 до 4-х) и каналов (от 2 до 8). Контроллер с большим числом ядер обеспечит более высокую производительность при одновременном обращении к SSD-диску сразу нескольких приложений. А контроллер с большим количеством каналов обеспечит более высокую скорость записи данных в память (особенно файлов большого размера), что обусловлено их способностью осуществления передачи информации параллельно по нескольким каналам.

Кроме скорости чтения/записи от контроллера зависит еще и поддержка различных технологий, призванных улучшить работу SSD диска.

Производителей контроллеров для SSD дисков довольно много. К наиболее популярным на момент написания статьи относились — Marvell, Samsung, Silicon Motion, Phison, Maxio.

Традиционно высокие рейтинги в различных «топах 10/20/100» занимают контроллеры производства Marvell, впрочем, они стали выпускать и бюджетные устройства. SSD-накопители, пользующие спросом, например, у геймеров, конструируются на микропроцессорах Silicon Motion. У Phison довольно широкая линейка контроллеров — от бюджетных до высокопроизводительных.

Если вышеназванные контроллеры используются в основном в SSD-дисках производства других компаний (например, в SSD от Transcend часто встречаются процессоры Silicon Motion), то Samsung использует свои собственные микропроцессоры (MJX, MGX, MKX и др.).

Таким образом, выбирая SSD-диск, не будет лишним найти информацию о модели установленного в него контроллера. Тем более что по многим из них в сети можно найти подробные обзоры и ознакомиться с результатами тестирований SSD, оснащенных интересующим покупателей микропроцессоров.

Поддержка (наличие) дополнительных функций и прочие параметры

Для увеличения производительности, надежности и ресурса в SSD-дисках используются различные программные и аппаратные решения. Рассмотрим некоторые из них.

TRIM

Это, наверное, самая важная функция, которая должна поддерживаться SSD-накопителем. В простонародье она именуется «Уборкой мусора». В обязанность данной функции входит получение от операционной системы уведомлений о том, что пользователем/системой/приложением с диска был удален какой-то файл, вследствие чего контроллер SSD-диска освобождает те ячейки памяти, где хранились удаленные данные. Дело в том, что SSD-накопители без поддержки TRIM, освобождают ячейки памяти непосредственно перед записью новых данных. А это приводит к значительному снижению производительности устройства, т.к. контроллеру приходится выполнять дополнительные операции — поиск адресов данных в таблице и их последующее удаление.

Твердотельные накопители с поддержкой TRIM высвобождают ячейки памяти в моменты малой нагрузки на устройство. Почти всегда  это происходит сразу после удаления файлов пользователем или системой. В любом случае, перед записью новых данных контроллеру не требуется тратить время на затирание ячеек памяти, т.к. они уже свободны.

DRAM-буфер

Наличие DRAM-буфера (кэша, буфер обмена) увеличивает производительность SSD-накопителя за счет хранения таблицы трансляции адресов во встроенной оперативной памяти. Это сокращает время доступа к флеш-памяти, особенно при выполнении операций записи. DRAM-буфер может быть выполнен на основе энергозависимой памяти DDR3 или DDR4 (в будущем, конечно, будут использоваться следующие поколения).

Размер кэша составляет 1 Мб на каждый гигабайт дискового пространства твердотельного накопителя. Таким образом, SSD объемом 120-128 Гб должен иметь 128 Мб, 240-256 Гб — 256 Мб, 500-512 Гб — 512 Мб и т.д.

В SSD без DRAM-буфера присутствует проблема значительного снижения производительности при выполнении длительных операций записи большого числа мелких файлов (например, при установке игр или каких-то ресурсоемких приложений). Причем скорость записи может постепенно уменьшаться по ходу выполнения операции, и в итоге — упасть даже ниже отметки, чем она наблюдается у обычных жестких дисков. Но в остальном накопители без DRAM-буфера не уступают своим собратьям, наделенным DDR-памятью.

DuraWrite

Если вкратце, SSD-диски, поддерживающие данную технологию, способны сжимать данные перед их записью в память, вследствие чего увеличивается ее ресурс, однако несколько снижается производительность. Касательно последнего момента — тут многое зависит от мощности управляющего контроллера.

R.A.I.S.E.

Технология R.A.I.S.E. (Redundant Array of Independent Silicon Elements — отказоустойчивый массив независимых кремниевых элементов) служит для уменьшения количества неисправимых ошибок, возникающий при записи данных на SSD-диск. Кроме того, технология предусматривает запись данных не на «первый попавшийся», а на разные чипы памяти. Это равномерно распределяет нагрузку на чипы, увеличивая тем самым общий уровень надежности SSD-диска.

SLC-кэш

Данный показатель сильно влияет на реальную скорость записи данных в память SSD. Технология SLC-кэширования построена на принципе записи данных в NAND память типа SLC, которая уже практически не используется из-за дороговизны.

Как мы выяснили ранее, SLC-память позволяет хранить только 1 бит данных в одной ячейке памяти, что обуславливает ее высокую производительность. В памяти типа MLC одна ячейка хранит 2 бита, из-за чего она работает медленнее, в TLC — 3 бита, и она еще медленнее.

Технология SLC-кэширования предполагает запись в одну ячейку MLC или TLC всего 1-го бита. Таким образом, память работает в режиме «псевдо-SLC», что значительно увеличивает скорость записи. После — контроллер уплотняет ячейку до 2 бит (MLC), 3 бит (TLC) или 4 бит (QLC), что происходит быстрее, нежели при записи данных обычным способом.

В результате менее производительная память MLC, TLC или QLC работает со скоростью, близкой к скорости памяти SLC с одноуровневыми ячейками. Именно эту скорость производители обычно и указывают в графе «Максимальная линейная скорость записи».

В качестве SLC-кэша может использоваться ограниченный объем памяти. У многих бюджетных SSD-накопителей SLC-кэш вовсе отсутствуют, у других он имеет совсем небольшой объем — порядка 2 Гб на каждые 250 Гб дискового пространства. Существуют накопители, поддерживающие динамический SLC-кэша — они способы «налету» резервировать имеющееся свободное пространство SSD. У таких устройств размер SLC-кэша может иметь разные значения — от нескольких процентов до всего свободного объема.

Таким образом, на заявленной производителем максимальной скорости SSD-диски с памятью типа MLC, TLC или QLC работают только до того момента, как закончится выделенное под SLC-кэш дисковое пространство. После — производительность падает до уровня, предусмотренного тем или иным типом памяти (MLC, TLC, QLC). У SSD-дисков «среднего звена» скорость работы падает в 2-3 раза, а у бюджетных устройств — она может рухнуть и в 10 или в 20 раз, опустившись даже ниже, чем у жесткого диска.

Поэтому при покупке недорогих SSD-накопителей важно обращать внимание на объем SLC-кэша. Чем его больше (желательно 25-30% от общего объема), тем реже пользователь будет сталкиваться резкими падениями производительности при выполнении операций записи. В случае с дорогими SSD-дисками, оснащенными более быстрой памятью и мощным контроллером, объем SLC-кэша не так уж критичен.

Но тут есть одна загвоздка. Производители почти никогда не указывают размер SLC-кэша и, тем более, скорость записи данных на диск в момент, когда этот кэш окажется полностью заполненным. Такие сведения приходится искать самостоятельно на графиках, подобных этому:

Как можно видеть, сначала скорость записи данных на SSD составляла 500 Мб/сек, затем она рухнула примерно в 5 раз — до 80-100 Мб/сек.

Конечно, это не все существующие функции и поддерживаемые современными SSD-дисками технологии. Многие производители внедряют собственные решения, призванные увеличить производительность и ресурс своих устройств. Накопители могут продаваться в комплекте с фирменным софтом для их обслуживания, настройки, перепрошивки, диагностики и т.д. Если софта на диске не оказалось, обязательно посетите сайт производителя запоминающего устройства.