Современный ПК без твердотельного накопителя уже не представить. Преимущества SSD в качестве системного диска слишком велики по сравнению с классическими HDD: прежде всего, это высокая скорость передачи данных и низкие задержки. Такие технологии, как DirectStorage, в будущем еще больше увеличат преимущества. Но если подбирать SSD для компьютера, то придется разбираться со многими техническими тонкостями: в спецификациях указываются контроллер, интерфейс, тип флэш-памяти, характеристики надежности и многое другое. Поэтому неопытные пользователи могут легко запутаться в подобной информации. В нашей статье мы рассмотрим наиболее важные характеристики и отличия, поговорим об актуальных технологиях, интерфейсах и форм-факторах.
Современные SSD надежные, быстрые и недорогие: больше нет никаких причин избегать твердотельных накопителей. Первые твердотельные накопители, которые выпускались еще в 3,5" формате, часто сбоили, да и первые поколения 2,5" SSD оставались уделом энтузиастов. Приходилось постоянно устанавливать обновления прошивок, интеграция в систему была весьма трудоемкой. Сегодня мы получаем не только широкую поддержку со стороны операционных систем, но и высокое качество самих накопителей на рынке.
С самого появления SSD основными аргументами были преимущества по сравнению с традиционными жесткими дисками: малое время доступа, высокая пропускная способность и бесшумная работа (что особенно ощутимо по сравнению с high-end жесткими дисками, скорость вращения шпинделя которых составляет 10.000 об/мин), меньшее энергопотребление и устойчивость к ударам. Что весьма актуально, скажем, для ноутбуков. Разве что емкости оставались главным недостатком. Вернее, цена гигабайта.
Но многие проблемы остались в прошлом. Конечно, жесткие диски по-прежнему обеспечивают хорошее соотношение цена/емкость, но продолжающийся прогресс на рынке твердотельных накопителей и появление новых технологий привели к тому, что цена SSD стала резко снижаться. Поэтому даже если вы храните большие объемы данных, SSD становятся вполне привлекательной опцией.
Но какой тип SSD выбрать? Здесь следует учитывать несколько факторов. Иногда ограничивающим критерием становится доступное пространство. И здесь мы как раз поговорим о форм-факторах современных SSD ниже. Кроме форм-фактора необходимо учитывать и интерфейс, SATA или NVMe. Об этом мы тоже поговорим. Мы также заглянем внутрь SSD и рассмотрим контроллер и типы флэш-памяти, доступные на рынке. Наконец, мы дадим рекомендации для разных категорий пользователей, в том числе по надежности.
Подписывайтесь на группу Hardwareluxx ВКонтакте и на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).
Мы подготовили руководство по выбору лучшего SSD за свои деньги на текущий квартал. Оно поможет сориентироваться во всем многообразии накопителей и подобрать самый оптимальный вариант.
Накопитель 2,5" или модуль M.2?
На данный момент на рынке придется выбирать между двумя форматами: SSD в 2,5" корпусе или модуль M.2.
SSD в 2,5" формате
Классический формат 2,5" известен по жестким дискам для ноутбуков. За исключением самых тонких ноутбуков и планшетов, почти везде предусмотрена установка 2,5" накопителя. Формат весьма удобен, поскольку привычен большинству пользователей по жестким дискам. И проблем с подключением не возникает. В случае 2,5" SSD следует подключить стандартные разъемы питания и данных SATA, в современных корпусах проблем с этим нет. Кроме того, конфигурации SSD теперь можно встретить и в секторе NAS, где они обладают такими преимуществами, как низкое энергопотребление и малые задержки.
Еще одно преимущество 2,5" накопителей заключается в том, что они изготовлены, как правило, в алюминиевом корпусе, который эффективно рассеивает тепло компонентов через теплопередающие прокладки. Поэтому контроллеры внутри обычно не перегреваются.
Впрочем, у 2,5" накопителей есть свои недостатки. Главный - интерфейс SATA, который ограничивает пропускную способность порядка 550 Мбайт/с по чтению и записи. Лишь немногие серверные SSD подключаются через более скоростной порт U.2.
SSD в формате M.2
2,5" SSD занимают определенное пространство даже при толщине 7 мм. К форм-фактору следует добавить и кабели SATA. В компактных устройствах свободного места для 2,5" SSD попросту нет, поэтому в последние годы модули M.2 становятся все более популярными. Изначально они распространились в сегменте ноутбуков, но затем перешли и на настольные ПК.
Подобные тонкие модули памяти устанавливаются напрямую на материнскую плату, им не требуются дополнительные кабели. Самым популярным форматом остается 2280, он и показан на иллюстрации в виде Kingston KC3000 (тест). Первые две цифры обозначают ширину (22 мм), последние две - длину. Модули 2280 мм сегодня поддерживают практически все материнские платы, поэтому подобный формат можно смело покупать. SSD длиной 110 мм так и не набрали популярности. Но меньшие форматы 2230 или 2242 тоже можно нередко встретить, поскольку они позволяют сэкономить дополнительное пространство в компактном ноутбуке.
Преимущество M.2 SSD заключается и в интерфейсе: современные модели больше не используют SATA, а опираются на более скоростной PCI Express. Однако старые материнские платы и ноутбуки могут поддерживать M.2 SSD только в формате SATA, а новые - только в PCIe NVMe. Хотя везде может упоминаться поддержка "M.2 SSD". Поэтому при апгрейде старых материнских плат или ноутбуков следует уделять внимание поддерживаемому интерфейсу. Также следует быть внимательным, если на материнской плате имеется несколько слотов M.2.
SSD в виде карты PCI Express
Наконец, на рынке можно приобрести SSD и в формате карт расширения. Они устанавливаются в корпус ПК как традиционные карты PCIe, при этом такие SSD ориентированы на рабочие станции или серверы. В отличие от накопителей M.2, карты расширения имеют большую площадь, поэтому могут рассеивать больше тепла или вмещать больше чипов памяти. Также такие SSD могут использовать восемь или даже 16 линий PCI Express, что тоже увеличивает пропускную способность. Как мы покажем ниже, выбор правильного интерфейса даже важнее форм-фактора.
Интерфейсов для подключения накопителей великое множество – есть как внешние, такие как Thunderbolt или USB, так и внутренние – SATA и NVMe.
SATA: самый простой вариант
Наиболее широко распространен интерфейс SATA. В третьей версии он обеспечивает пропускную способность до 600 Мбайт/с (его даже называют "SATA-600"). Но следует различать механический интерфейс SATA и протокол. На материнских платах обычно установлены механические интерфейсы SATA в количестве 4-6 портов. Но также и слоты M.2 могут использовать протокол SATA, причем иногда без поддержки других вариантов. В таком случае они тоже будут ограничены 600 Мбайт/с. Жесткие диски и оптические приводы обычно подключаются к материнским платам через SATA, и для них упомянутое теоретическое ограничение не является критическим. Но современные SSD могут работать намного быстрее. Большинство SSD с подключением SATA сегодня достигают 550 Мбайт/с - практического максимума интерфейса (если учесть служебную информацию).
Будет ли это ограничение заметно на практике, зависит от сферы использования. Все же проверенный временем и широко распространенный интерфейс гарантирует совместимость. Сегодня твердотельные накопители становятся все популярнее в сетевых хранилищах NAS. Современные SATA SSD здесь дают несколько преимуществ: многие системы NAS, даже старые, можно легко перевести на SSD с жестких дисков благодаря SATA. Здесь сразу же будет заметно преимущество SSD в виде низких задержек, а пропускная способность "узким местом" не является. Кроме того, меньшее энергопотребление SSD по сравнению с жесткими дисками снижает расходы на электричество. И это при более высоком уровне производительности!
NVMe: необходим для скоростных SSD
Если нужны накопители с высокой пропускной способностью, то без протокола NVMe (Non-Volatile Memory Express) не обойтись. В последние годы он стал доминирующим в потребительском сегменте. В данном случае накопитель через слот M.2 подключается к линиям PCIe, что существенно увеличивает пропускную способность. С стандартом PCIe 5.0 мы получаем пропускную способность до 15,6 Гбайт/с при использовании x4 линий. Впрочем, накопители PCIe 5.0 пока только появляются на рынке; PCIe4 с четырьмя дорожками для подключения все еще остается стандартом де-факто. Конечно, на практике пропускная способность оказывается ниже теоретического уровня, тому есть множество причин. Но в синтетических тестах мы получаем скорость передачи, вплотную приближающуюся к указанным значениям.
Также следует учитывать и возможности материнских плат: старые модели от AMD и Intel могут предоставлять меньше линий, нежели четыре. Особенно если недорогая материнская плата предлагает несколько слотов M.2, то второй (и даже третий) могут подключаться одной-двумя линиями. В ноутбуках подобные ограничения тоже встречаются повсеместно. Таким образом, перед установкой (второго) SSD в подобную систему не мешает свериться с документацией, чтобы не терять попусту производительность.
При интенсивной нагрузке на SSD высокая пропускная способность NVMe приводит к еще одному недостатку. Чипы памяти могут очень сильно нагреваться, до температур 70°C и выше. В результате SSD автоматически снижает производительность, чтобы не допустить перегрева. Если у вас планируется подобная нагрузка, то следует продумать дополнительное охлаждение. Например, тот же Kingston FURY RENEGADE можно взять с установленным радиатором, чтобы производительность под интенсивной нагрузкой не снижалась. Даже в базовой версии накопитель оснащен наклейкой из алюминиево-графитовой смеси, которая способствует улучшению теплообмена. Она обеспечивает лучший контакт для отведения тепла, если планируется использовать предустановленные радиаторы материнской платы. Таким образом, можно избежать перегрева, учитывая воздушный поток в корпусе.
SAS: особый случай для серверов
В домашних компьютерах интерфейс SAS (Serial Attached Small Computer System Interface) третьего поколения встречается сравнительно редко. Он довольно сильно напоминает обычные порты SATA, и на то есть причина. Кабель SAS можно использовать для подключения накопителей SATA, но не наоборот. По сравнению с интерфейсом SATA 600 пропускная способность удвоилась, но она все равно уступает NVMe. Важным преимуществом здесь является возможность установки двух портов, что позволяет использовать один накопитель в двух системах одновременно.
Но данный интерфейс все же ориентирован под серверное применение: с соответствующими RAID-контроллерами он позволяет оснастить сервер мощной подсистемой хранения данных, при этом сохраняя 2,5" форм-фактор - удобный для установки накопителей с передней панели сервера. Однако соотношение цена/производительность накопителей SAS далеко не самое хорошее из-за дорогих контроллеров. Но замена уже разрабатывается.
Возможность замены SSD в «горячем» режиме (то есть во время работы) весьма важна для серверов. Поэтому накопители NVMe M.2 на материнских платах или карты расширения PCIe для серверов не подходят. Чтобы сочетать преимущества NVMe с удобством замены классических 2,5" накопителей, был разработан интерфейс U.2. Некоторые high-end настольные материнские платы предлагают подобный интерфейс. Впрочем, в серверах уже можно встретить накопители в формате NGSFF (Next Generation Small Form Format), которые используют протокол NVMe для подключения. Будущее покажет, какие форматы победят в конечном итоге.
Конечно, SSD различаются не только типом подключения и форм-фактором. Внутри тоже имеются существенные отличия. Мы начнем с технологий флэш-памяти.
SLC, MLC, TLC и QLC - что это такое?
Если посмотреть спецификации нескольких SSD, то они будут опираться на те или иные технологии флэш-памяти. Чаще всего упоминаются SLC, MLC, TLC, QLC и 3D-NAND. Первые четыре аббревиатуры указывают, сколько битов записываются в ячейку памяти. В случае Single Level Cell (SLC) речь идет об одном бите, у ячеек Multi Level Cells (MLC) мы получаем два бита, Triple Level Cells (TLC) - три бита. Наконец, Quadruple Level Cells (QLC) - четыре бита на ячейку. Строго говоря, MLC описывает все технологии за исключением SLC, поэтому иногда встречаются такие обозначение, как 2-bit MLC или 3-bit MLC.
Как можно догадаться по названию, разные типы памяти позволяют записывать разное число бит в ячейку, то есть плотность ячейки получается разной. Поэтому для хранения одного и того же объема данных требуется больше ячеек SLC, чем TLC или QLC. Что приводит к соответствующему увеличению цены из-за роста себестоимости производства.
Однако и недостатки памяти с ячейками высокой плотности очевидны. Следует помнить, что для фиксации значения ячейки используются электроны (заряд). В случае SLC все просто - заряд либо есть, либо нет, что дает 21 состояний. С ячейками MLC мы получаем уже градации заряда, 22 состояний. Соответственно, с ячейками TLC и QLC число состояний увеличивается до 23 и 24. В последнем случае речь идет о 16 состояниях, причем контроллер должен более точно программировать ячейку и корректно считывать состояние. Поэтому и производительность снижается по сравнению с SLC. Кроме того, ячейки памяти не вечные, чем они будут интенсивнее использоваться и чем выше плотность, тем меньше будет срок службы.
Но производители продолжают оптимизировать контроллеры и чипы памяти, поэтому и расчетный срок службы накопителей увеличивается. Например, в случае Kingston DC600M емкостью 7,68 ТБ производитель указывает расчетную нагрузку записи TBW 14.020 Тбайт, что в 1.825 раз превышает емкость. На практике обычный пользователь ПК вряд ли достигнет подобного уровня, но производители SSD продолжают повышать уровень TBW.
3D-память
Производители флэш-памяти уже несколько лет развивают концепцию 3D NAND, которая позволяет увеличить надежность и производительность при намного более высокой плотности хранения данных. В отличие от планарной флэш-памяти 2D, ячейки памяти формируют трехмерную структуру. Причем 3D NAND теперь используется даже в «бюджетных» накопителях. Концепция проста: ячейки 2D-памяти располагаются на одном уровне.
В случае 3D NAND слои памяти накладываются друг на друга как в «бутерброде». В результате 176 слоев памяти, как в Kingston KC3000, позволяют уместить в 176 раза больше данных, чем в случае SSD на планарной 2D NAND.
Что такое SLC-кэш?
Ключевым компонентом high-end накопителей является система кэширования. Здесь следует различать два уровня: DRAM-кэш и (псевдо) SLC-кэш.
В случае кэша DRAM на SSD устанавливается соответствующий чип оперативной памяти помимо флэш-памяти NAND, с которым работает контроллер накопителя. Как правило, емкость DRAM составляет один гигабайт на терабайт хранения данных, в этой памяти кэшируются таблицы привязки. Конечно, современная NAND становится все быстрее, задержки продолжают снижаться, но DRAM пока что лидирует по скорости. В результате контроллер получает таблицы из DRAM максимально быстро, чем в случае их хранения на NAND. Бюджетные SSD кэшем DRAM не оснащаются, что следует учитывать.
Современная флэш-память может работать с высокой пропускной способностью, в том числе и TLC NAND, но ее все равно недостаточно, чтобы достичь насыщения интерфейса PCIe. Поэтому SSD оснащаются так называемым кэшем SLC, емкость которого зависит от объема накопителя. Запись в SLC-кэш, как можно догадаться по названию, идет в режиме SLC, то есть по одному биту в каждую ячейку. Емкость при этом расходуется нерационально, зато производительность записи самая высокая. После заполнения доступной емкости SLC-кэша запись производится уже в стандартном режиме TLC/QLC, что снижает производительность. Кроме того, если емкость SSD почти полностью заполнена, то и места для SLC-кэша не остается.
Срок службы SSD: насколько важны TBW и MTBF?
Технология флэш-памяти сказывается на сроке службы SSD. И здесь довольно часто используется термин "TBW".
За ним скрывается общий объем записанных байт (Total bytes to be written). Если верить спецификациям, у Kingston DC600M емкостью 7,68 Тбайт мы получаем значение TBW 14,02 Пбайт. Таким образом производитель гарантирует запись 41.020 Тбайт информации на накопитель на протяжении его жизненного цикла. Важно отметить, что речь идет о минимальном значении. То есть SSD не выйдет из строя после достижения данного порога, на практике он выдержит намного большую нагрузку. В нашем форуме читатели приводят различные свидетельства, которые доказывают, что надежность SSD намного выше заявленного производителем уровня TBW.
Для профессиональных SSD, таких как Kingston DC600M SSD, подобный показатель воспринимается само собой разумеющимся, но и потребительские SSD сегодня радуют высокой надежностью. Возьмем для примера сравнительно недорогой Kingston KC3000 емкостью 1 Тбайт и спецификацией TBW 800 Тбайт, что весьма неплохо. Конечно, спецификации TBW не стоит сравнивать 1:1, особенно в потребительских и корпоративных сериях, поскольку здесь используются разные расчеты рабочих нагрузок JEDEC (Client / Enterprise JESD219A), которые максимально близки к сценариям на практике.
Если вы записываете на SSD каждый день 20 Гбайт информации, то накопителя гарантированно хватит на 110 лет. Если же объем записываемой информации увеличить до 400 Гбайт, то срок службы составит 5 лет. Так что даже для энтузиастов значение TBW не составит проблем. Конечно, все несколько иначе выглядит в серверных сценариях, поскольку здесь профили использования могут отличаться. Но и для подобных сценариев есть оптимизированные решения на основе SSD.
Кроме TBW производители часто указывают надежность SSD в MTBF. Здесь речь идет о часах, которые накопитель может проработать до вероятного выхода из строя (по результатам тестов производителя).
В наших тестах SSD мы используем широкий спектр бенчмарков и буквально выжимаем из накопителей все возможное. Некоторые накопители выходят вперед в определенных тестах, но в других могут отставать. Причин тому множество, их мы рассмотрели выше. Свою роль играют разные типы памяти, также интерфейс или встроенный контроллер. При этом весьма важна и измеряемая характеристика производительности, поскольку и здесь могут быть отличия.
Почему производительность IOPS тоже важна?
Для оценки производительности используются несколько характеристик. Самая простая - скорость передачи информации, обычно в мегабайтах в секунду. При этом различают скорость чтения и записи, а также объемы отдельных пакетов данных: записывается информация большим фрагментом последовательно или разбита на случайное множество мелких сегментов. Как правило, крупные фрагменты записываются быстрее множества мелких из-за дополнительных вычислительных расходов на управление данными.
Поэтому производительность передачи данных не всегда раскрывает полную картину. Во многих случаях важна и производительность ввода/вывода (IOPS). Она соответствует числу операций ввода/вывода в секунду. Здесь может измеряться как общее значение IOPS (чтение и запись), так и число операций IOPS чтения или записи. Приоритет той или иной характеристики зависит от сценария.
По производительности IOPS SSD значительно обошли классические жесткие диски. Причина в том, что для считывания/записи нужного участка информации головки HDD приходится позиционировать, что приводит к задержкам. В случае систем баз данных вполне разумно заменить множество HDD одним SSD, поскольку последний обеспечивает намного более высокий уровень производительности.
Futuremark PCMark 8
Storage - итого
При выборе новой системы или апгрейде существующей следует учитывать сценарии использования. Если система ограничена определенным форм-фактором и интерфейсами, то выбор упрощается.
Следует присмотреться и к характеристикам имеющихся интерфейсов: если материнская плата не поддерживает современный стандарт PCIe5, например, то можно приобрести менее дорогой high-end PCIe4, такой как Kingston Fury Renegade. Если объемы передаваемых данных не будут велики, то достаточно и накопителя SATA SSD. Такой подход позволит еще и сэкономить.
Если же нужна максимальная производительность, то без NVMe SSD не обойтись. Современные накопители M.2 NVMe обеспечивают скорость чтения и записи больше 6 Гбайт/с для рабочих проектов, что существенно снижает задержки при повседневной работе. Даже геймеры выигрывают от более быстрых SSD. Игры с крупными текстурами загружаются быстрее, да и время загрузки уровней уменьшается. Поддержка технологии DirectStorage в будущем тоже положительно скажется на производительности игр.
Шифрование больше не влияет на производительность
Многие SSD предлагают встроенное шифрование, особенно это касается продуктов для корпоративного сегмента. Данные будут надежно защищены, даже если SSD будет извлечен из системы. Для шифрования часто используется 256-битный ключ AES (Advanced Encryption Standard). Шифрование чаще всего выполняется напрямую на контроллере без ущерба производительности SSD.
Многие накопители поддерживают стандарт TCG Opal 2.0, который может работать с модулем TPM, в результате пароль вводится еще до процесса загрузки. Для этой цели создается Shadow Master Boot Record.
Заключение
В целом, SSD в 2024 году стали еще дешевле и лучше. Помимо увеличения доступных емкостей, мы получили рост гарантированных объемов записи и срока службы, а также снижение цен. Тот же Kingston KC3000 NVMe емкостью 2 Тбайт сегодня можно приобрести от 17.400 ₽. Обычные жесткие диски рекомендовать все сложнее. Особенно это касается системного накопителя - сегодня на эту роль подходят только SSD.