Dysk SSD nie ma talerzy ani głowic. To mały komputer: kontroler z własnym oprogramowaniem i kilka do kilkunastu kości pamięci. Wyjaśniamy, jak to działa i dlaczego Twoje pliki leżą w środku zupełnie inaczej, niż widzi je komputer.

Dwa główne elementy: kontroler i pamięć

Dyski SSD (Solid-State Drive) zastąpiły w wielu komputerach tradycyjne dyski magnetyczne. Są szybsze, odporne na wstrząsy, mniejsze i zużywają mniej energii. W środku znajdują się dwa rodzaje elementów: kości pamięci NAND flash, które przechowują dane, oraz kontroler, który nimi zarządza.

Komputer łączy się z kontrolerem przez interfejs, na przykład SATA, SAS lub PCIe. Kontroler komunikuje się z kośćmi pamięci osobnymi „kanałami”. Typowy dysk ma od 4 do 16 kości. Pamięć flash jest nieulotna: zachowuje dane także po odłączeniu zasilania.

Schemat budowy dysku SSD: komputer, kontroler z funkcjami FTL, wyrównywania zużycia, przemieszania danych i ECC, pamięć DRAM oraz kości NAND

Jak zorganizowana jest pamięć

Pamięć w dysku ma budowę warstwową, trochę jak biblioteka:

  • kość zawiera jedną lub więcej struktur krzemowych (ang. die), w nowoczesnych dyskach nawet do 16;
  • każda struktura dzieli się na 1–4 płaszczyzny;
  • płaszczyzna mieści od kilkuset do kilku tysięcy bloków;
  • blok składa się z setek stron, a strona ma zwykle 8–16 KB.

To rozróżnienie ma ogromne znaczenie. Dane zapisuje się i odczytuje stronami, ale kasować można tylko całe bloki. Pamięci flash nie da się też po prostu nadpisać w miejscu. Zapis może jedynie dodać ładunek do komórki, a usunąć go potrafi tylko kasowanie całego bloku.

Dane jako ładunek elektryczny

Najmniejszym elementem jest komórka pamięci, czyli tranzystor, który potrafi uwięzić ładunek elektryczny. Ilość tego ładunku wyznacza tzw. napięcie progowe komórki, a to napięcie odpowiada zapisanej wartości.

Pierwsze pamięci flash przechowywały 1 bit w komórce (SLC). Napięcia dzielono więc na dwa „okienka”: jedno oznaczało 0, drugie 1. Aby zwiększyć pojemność bez powiększania kości, producenci zaczęli zapisywać więcej bitów w jednej komórce:

Typ pamięci

Bitów w komórce

Liczba stanów (okienek napięcia)

SLC

1

2

MLC

2

4

TLC

3

8

QLC

4

16

Im więcej stanów, tym węższe okienka i mniejsze odstępy między nimi. Dysk mieści więcej danych, ale kontrolerowi coraz trudniej odróżnić jeden stan od drugiego. Do tego wątku wrócimy w kolejnych artykułach, bo to źródło większości błędów.

Porównanie SLC, MLC i TLC: ten sam zakres napięć podzielony na 2, 4 i 8 stanów

rodzaje pamięci NAND i ilość bitów na komórkę

Kontroler: mózg dysku

Kontroler wykonuje oprogramowanie (firmware), którego najważniejszą częścią jest warstwa translacji (FTL). Jej zadania:

  • Mapowanie adresów. Komputer widzi adresy logiczne. FTL decyduje, w którym fizycznym miejscu pamięci naprawdę leżą dane, i może je przenosić bez wiedzy komputera. Mapa adresów jest przechowywana w pamięci DRAM dysku, której nowoczesne kontrolery mają sporo, np. 1 GB na każdy 1 TB pojemności.
  • Porządkowanie (garbage collection). Gdy plik jest zmieniany, nowa wersja trafia w inne miejsce, a stara jest tylko oznaczana jako nieważna. Co jakiś czas kontroler przenosi ważne dane z „rozdrobnionych” bloków i kasuje te bloki.
  • Wyrównywanie zużycia (wear leveling). Kontroler rozkłada zapisy tak, by wszystkie bloki zużywały się równomiernie.
  • Przemieszanie danych (scrambling). Przed zapisem dane są przekształcane tak, by zera i jedynki rozkładały się równomiernie. Zmniejsza to liczbę błędów zależnych od zapisywanych wartości.
  • Szyfrowanie. Dyski samoszyfrujące (SED) mają sprzętowe szyfrowanie AES wbudowane w kontroler.
  • Kompresja. Niektóre kontrolery dodatkowo kompresują dane.
  • Korekcja błędów (ECC) i zarządzanie uszkodzonymi blokami, opisane w artykułach 3 i 4.

Co to oznacza w praktyce

Z opisanej budowy wynika kilka faktów ważnych dla każdego użytkownika:

  • Kolejność danych w kościach pamięci nie odpowiada temu, co widzi komputer. O tym, gdzie leży każda strona, wie tylko mapa kontrolera.
  • Dane w kościach są przemieszane, a w dyskach samoszyfrujących dodatkowo zaszyfrowane.
  • Zmieniony lub usunięty plik nie znika od razu fizycznie. Jego stara wersja jest oznaczana jako nieważna i pozostaje w bloku do momentu, aż kontroler ten blok skasuje podczas porządkowania.

Dlatego dysk SSD to coś więcej niż „pojemnik na pliki”. Jego zawartość ma sens tylko razem z wiedzą kontrolera o tym, jak ją ułożono. Odzyskiwanie danych z dysków SSD staje się coraz trudniejsze, a jeśli masz jakiś problem zapraszamy do kontaktu