Anatomie d'un disque de stockage: disques SSD

C'est magnétique. C'est électrique. C'est photonique. Non, il ne s'agira pas d'un nouveau trio de super-héros dans l'univers Marvel. Il s'agit de nos précieuses données numériques. Nous devons le stocker dans un endroit sûr et stable, d'une manière qui nous permette de le saisir et de le changer plus rapidement que vous ne pouvez cligner des yeux. Oubliez Iron Man et Thor – nous parlons de disques de stockage!

Nous avons divisé l'anatomie du stockage en trois parties, toutes publiées simultanément pour disséquer les disques durs, le stockage à semi-conducteurs et les lecteurs optiques.

Série Anatomie du matériel informatique de

Vous pouvez avoir un ordinateur de bureau au travail, à l'école ou à la maison. Vous pouvez en utiliser un pour établir des déclarations de revenus ou jouer aux derniers jeux; vous pourriez même être en train de construire et de peaufiner des ordinateurs. Mais dans quelle mesure connaissez-vous les composants qui composent un PC?

Solide, solide comme un roc

Tout comme les transistors ont révolutionné les ordinateurs, en augmentant la vitesse à laquelle les circuits pouvaient commuter et effectuer des opérations mathématiques, l'utilisation de dispositifs semi-conducteurs dans les dispositifs de stockage visait à produire le même résultat.

Toshiba a fait les premières étapes de ce processus, qui a proposé le concept de mémoire flash en 1980, puis a fait le flash NOR 4 ans plus tard, puis le flash NAND en 1987. Le premier lecteur de stockage commercial utilisant la mémoire flash, un disque dur ou SSD, a été publié par SunDisk (plus tard nommé SanDisk) en 1991.

La plupart des gens ont découvert les SSD sous la forme de lecteurs flash USB, de clés USB ou de clés USB. Aujourd'hui encore, ils forment la structure de base de la manière dont la majorité des SSD sont assemblés.

Sur la gauche, nous avons une seule puce de mémoire flash SanDisk NAND. Tout comme SRAM est utilisé pour le cache dans les CPU et les GPU, il est rempli par des millions de «cellules», faites de transistors à grille flottante modifiés. Ceux-ci utilisent une haute tension pour placer et retirer la charge vers / à partir d'un emplacement spécifique dans le transistor. Une tension inférieure est ensuite appliquée à cet endroit, lors de la lecture de la cellule.

Si la cellule n'est pas chargée, un courant circule lorsque cette basse tension est appliquée. Cela indique au système que la cellule a un état 0; puis l'inverse est vrai pour un état 1 (c'est-à-dire pas de courant lorsque la tension est appliquée). Cela rend le flash NAND très rapide à lire, mais pas si rapide pour écrire ou supprimer des données.

Les meilleures cellules de mémoire flash, appelées cellules à niveau unique (SLC) s’efforce de n’appliquer qu’un seul montant à l’emplacement; mais vous pouvez avoir des cellules de mémoire qui peuvent avoir plus d'un seul niveau de charge. Ils sont appelés génériquement cellules à plusieurs niveaux (MLC) mais dans l'industrie du flash NAND, MLC se réfère à 4 niveaux de charge. Les autres types portent le même nom: triple niveau (TLC) et niveau quad (QLC) ont respectivement 8 et 16 niveaux de charge différents.

Cela affecte la quantité de données pouvant être stockée dans chaque cellule:

  • SLC – 1 niveau = 1 bit
  • MLC – 4 niveaux = 2 bits
  • TLC – 8 niveaux = 3 bits
  • QLC – 16 niveaux = 4 bits

Etc. On dirait que QLC est le meilleur, oui? Malheureusement non. Les flux de courant sont très faibles et sont sensibles au bruit électrique, donc pour bien distinguer les différents états de charge dans la cellule, il doit être lu plusieurs fois avant de pouvoir confirmer la valeur. En bref, SLC est le plus rapide mais occupe le plus d'espace physique pour une quantité définie de stockage de données; QLC est le plus lent mais vous obtenez plus de bits pour vos dollars.

Contrairement à SRAM et DRAM, une fois l'alimentation coupée, la charge reste là où elle est et ne fuit que très lentement. Dans le cas de la mémoire système, les cellules s'écoulent en nanosecondes et doivent être constamment «rechargées». Malheureusement, l'utilisation de la tension et de la charge de poussée endommage les cellules et les SSD s'usent avec le temps. Pour aider à lutter contre cela, des routines intelligentes sont utilisées pour minimiser le taux d'usure, garantissant généralement que les mêmes cellules ne sont pas frappées maintes et maintes fois.

Cette fonction est gérée par la puce de contrôle, comme illustré à droite, qui gère également les mêmes tâches que la puce LSI que nous avons vue sur le disque dur. Mais là où les disques durs tournants ont des puces distinctes pour le cache DRAM et le firmware Serial Flash, les contrôleurs de clé USB ont les deux intégrés. Et comme ils sont conçus pour être bon marché, vous n'obtiendrez pas grand-chose non plus.

Mais sans pièces mobiles, vous vous attendez sûrement à des performances supérieures à celles d'un disque dur. Jetons un coup d'œil à l'aide de CrystalDiskMark:

À première vue, cela semble vraiment décevant. Les taux de lecture / écriture séquentielle et d'écriture aléatoire sont bien pires que notre disque dur testé; la lecture aléatoire est cependant bien meilleure, et c'est l'avantage qu'offre la mémoire flash. L'écriture et la suppression de données sont assez lentes, mais la lecture est généralement rapide.

Il y a plus à ce test qu'il n'y paraît. Le test de la clé USB n'offre qu'une connexion USB 2.0, qui a un taux de transfert maximal de seulement 60 Mo / s, alors que le disque dur était dans un port SATA 3.3, capable de 10 fois plus de débit. Et la technologie de mémoire flash utilisée est assez basique: les cellules sont TLC et elles sont disposées en longues bandes, côte à côte, dans ce qu'on appelle un planaire ou arrangement 2D.

La mémoire flash utilisée dans les meilleurs SSD d'aujourd'hui utilise SLC ou MLC, ce qui signifie qu'ils fonctionnent un peu plus vite et s'usent plus lentement, et les bandes sont pliées en deux et empilées verticalement, créant une disposition verticale ou 3D des cellules. Ils utilisent également l'interface SATA 3.0, bien que de plus en plus utilisent le système PCI Express plus rapide via une interface NVMe.

Jetons un coup d'œil à un tel exemple: le Samsung 850 Pro, qui utilise ces manigances pliées verticalement.

Contrairement à notre lourd disque Seagate de 3,5 pouces, ce SSD ne mesure que 2,5 pouces de largeur et est beaucoup plus mince et plus léger.

Ouvrez-les (merci Samsung d'avoir utilisé des vis Torx si bon marché qu'elles se sont presque déchiquetées avant de sortir …) et vous comprendrez pourquoi:

Il n'y a presque rien dedans!

Pas de disques, pas de bras d'actionnement, pas d'aimants – juste une seule carte de circuit imprimé, avec une poignée de puces.

Alors qu'avons-nous réellement ici? Les minuscules puces noires sont des régulateurs de tension, mais les autres sont les suivantes:

  • Samsung S4LN045X01-8030: un processeur ARM Cortex R4 à 3 cœurs, qui gère les instructions, les données, la correction des erreurs, le chiffrement et la gestion de l'usure
  • Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 Mo de SDRAM DDR2, utilisés pour le cache
  • Samsung K9PRGY8S7M: chaque puce est de 64 Go de mémoire flash NAND verticale MLC 32 couches (4 puces au total, deux de l'autre côté de la carte)

Nous avons des cellules flash 2 bits, plusieurs puces de mémoire et beaucoup de cache, ce qui devrait se traduire par de meilleures performances. Pourquoi? N'oubliez pas que l'écriture de données dans la mémoire flash est assez lente, mais plusieurs puces flash permettent l'écriture en parallèle. La clé USB n'avait pas beaucoup de DRAM pour stocker les données prêtes à être écrites, donc une grande puce séparée devrait également vous aider. Retour à CrystalDiskMark puis …

C'est un énorme amélioration. Les débits de lecture et d'écriture sont notablement plus élevés et les latences sont beaucoup, beaucoup plus petites. Qu'est-ce qu'il ne faut pas aimer? Plus petits et plus légers, sans pièces mobiles à gérer, les SSD consomment également moins d'énergie que les lecteurs de disques mécaniques.

Il y a bien sûr un prix à payer pour tous ces avantages et il est littéral: rappelez-vous que 350 $ pourraient vous acheter 14 To de stockage sur disque dur? Avec les SSD, cela ne vous donne que 1 ou 2 To. Si vous voulez le même niveau de stockage, le mieux que vous puissiez faire pour le moment est de dépenser 4300 $ sur un seul SSD de 15,36 To au niveau de l'entreprise!

Certains fabricants ont produit disques durs hybrides – un disque dur standard qui a un peu de mémoire flash sur la carte de circuit imprimé, qui est utilisé pour stocker les données fréquemment consultées sur les disques. Voici une telle carte d'un disque hybride Samsung 1 To (parfois appelé SSHD).

Vous pouvez voir la puce NAND et son contrôleur en haut à droite de la carte. Le reste est à peu près le même que le modèle Seagate que nous avons examiné.

Nous pouvons utiliser CrystalDiskMark, une dernière fois, pour voir s'il y a un avantage notable à utiliser la mémoire flash comme forme de cache, mais c'est une comparaison injuste, car les disques de ce lecteur tournent à 7200 tr / min (alors que le WD que nous avons utilisé dans notre L'autopsie du disque dur n'était que de 5400 tr / min):

Les nombres sont un peu meilleurs, mais cela est probablement dû à la vitesse de rotation plus rapide – plus le disque se déplace rapidement sous les têtes de lecture / écriture, plus les données peuvent être transférées rapidement. Il convient également de noter que les fichiers générés dans un test de référence ne seront pas signalés dans un algorithme comme étant systématiquement utilisés au fil du temps, il est donc peu probable que le contrôleur utilise correctement la mémoire flash.

Cela dit, de meilleurs tests ont suggéré une amélioration globale des performances d'un disque dur à l'aide d'un SSD intégré. Cependant, le flash bon marché est susceptible d'échouer bien avant un disque dur de qualité, donc peut-être que les disques hybrides ne valent pas l'attention – l'industrie du stockage est beaucoup plus intéressée par les SSD, de toute façon.

Avant de poursuivre, il convient de souligner que la mémoire flash n'est pas la seule technologie utilisée dans les disques SSD. Intel et Micron ont inventé conjointement un système appelé 3D XPoint. Plutôt que de ramper la charge dans et hors des cellules pour créer des états 0 et 1, les cellules modifient leur résistance électrique pour générer les bits.

Intel a commercialisé cette nouvelle mémoire sous la marque Optane et lorsque nous l'avons testée, les performances étaient exceptionnelles. Le prix aussi, mais pas dans le bon sens. Un peu moins de 1 To de stockage Optane vous coûtera actuellement plus de 1200 $, soit quatre fois le coût d'un SSD flash de taille similaire.

Le troisième et dernier support de stockage que nous allons disséquer sont les lecteurs optiques.

Continuez à lire l'Anatomie des lecteurs optiques ici.

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Crédit de bannière Masthead: bdavid32

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