В чем преимущества твердотельных накопителей? [Наука]

Жесткий диск также называют устройством хранения данных. Это незаменимая вещь для цифровых продуктов в современную эпоху, сотовые телефоны, компьютеры, камеры, серверы, везде, где нужно хранить данные, существование жесткого диска является обязательным. Жесткий диск можно разделить на два вида механический жесткий диск и твердотельный жесткий диск, в прошлом долгое время, механический жесткий диск был компьютер является незаменимым, в последние годы, с прорывом технологии твердотельного жесткого диска, все больше и больше людей выбирают использовать твердотельный жесткий диск загружается с механическим жестким диском используется только в качестве вспомогательного устройства хранения.

Почему во всех ноутбуках используются твердотельные накопители? В чем преимущества твердотельных накопителей перед механическими жесткими дисками? Как они отразятся на нашем опыте? В этом выпуске мы поговорим о механических и твердотельных накопителях.

Во-первых, история развития жестких дисков

Начало истории жесткого диска, естественно, относится к механическим жестким дискам, уже в 1956 году появился первый в мире жесткий диск IBM RAMAC 350.

Рисунок 1. IBM RAMAC 350 (источник сеть)

По сравнению с современным жестким диском, эта штука считается просто чудовищем, размером с два холодильника, весом более тонны, но емкостью всего 5 Мб. Она ознаменовала начало эры жестких дисков, когда компьютеры отказались от примитивных средств хранения данных — перфорированной бумаги и магнитной ленты, и в 1980-х годах жесткие диски были примерно того же размера, что и сегодня.

Рисунок 2. Механический жесткий диск в 80-е годы (источник)

В 1988 году Гринбергер и Фелл открыли гигантский магниторезистивный эффект — технологию, которая позволила механическим жестким дискам развиваться семимильными шагами, значительно увеличивая скорость и емкость, и быстро популяризировать механические жесткие диски. В то же время зародыш твердотельного жесткого диска также был произведен, но на этот раз твердотельное состояние укладывается с памятью, до кануна 21 века, только некоторые производители начали использовать флэш-память вместо памяти для производства твердотельного жесткого диска, флэш-память по сравнению с памятью может быть сделано после отключения питания данные не теряются.

После 2011 года в Таиланде, крупнейшем производителе механических жестких дисков, произошла природная катастрофа, в результате которой цены на них резко взлетели, что позволило индустрии SSD взлететь.

Рисунок 3. Твердотельные накопители производства Samsung (Источник: Интернет)

II. Принцип работы механического жесткого диска

Внутренняя структура механического жесткого диска состоит в основном из двигателя, диска, кронштейна и головки.

Рисунок 4. Внутренняя структура механического жесткого диска (Источник: сеть)

Когда механический жесткий диск работает, магнитная головка подвешена на высоте нескольких нанометров над поверхностью диска. Поверхность диска разделена на множество маленьких отсеков, которые заполнены мелкими магнитными частицами. Эти магнитные зерна на диске имеют определенную полярность, которая обозначается как 0, когда зерна поляризованы вниз, и 1, когда зерна поляризованы вверх.

Рисунок 5. Схема считывания или записи магнитной головки (источник web)

При считывании данных считывающая головка считывает данные, считывая полярность магнитных зерен. Записывающая головка может использовать магнитное поле, создаваемое катушкой, для изменения полярности зерен, чтобы записать или перезаписать данные.

Сам диск разделен на множество секторов и дорожек, чтобы точно определить местоположение данных на поверхности диска. Допустим, данные хранятся в седьмом секторе пятой дорожки диска. Тогда магнитная головка сначала пронесется над пятой дорожкой и будет ждать, пока перевернется седьмой сектор. Только когда седьмой сектор окажется под головкой, данные можно будет прочитать.

Механическая структура механического жесткого диска в первую очередь несет в себе один фатальный недостаток — боязнь шатания. Поскольку во время высокоскоростного чтения и записи магнитная головка находится бесконечно близко к поверхности диска, тряска может привести к потере данных при чтении и записи, поэтому механический диск очень недружелюбен к портативности. Кроме того, основная скорость вращения механического жесткого диска составляет 7200 об/мин, хотя эта цифра кажется очень быстрой, но такая скорость для памяти в несколько тысяч MHZ и процессора в несколько GHZ слишком медленная, поэтому механический жесткий диск неизбежно становится самой короткой платой, замедляющей скорость работы системы.

В-третьих, принцип работы твердотельного жесткого диска

Эти недостатки механического жесткого диска, которые случаются, являются преимуществами твердотельного жесткого диска. Твердотельный жесткий диск — это фактически печатная плата, поэтому производители могут придать ему любую форму. Если взять интерфейс m.2, то его можно разделить на такие характеристики.

Твердотельный жесткий диск не имеет механической структуры, не шумит, не боится вибрации, отличается высокой портативностью, а все электронное взаимодействие данных. Запоминающим устройством твердотельного диска является транзистор с плавающим затвором, внутренняя структура которого показана на рисунке 8: слой плавающего затвора для хранения электронов, туннельный слой для ограничения свободного движения электронов, изолирующий слой для изоляции электронов, управляющий полюс G, подложка P, исток D и сток S. При хранении данных используется слой плавающего затвора, в котором хранятся данные.

При хранении данных количество электронов в слое плавающего затвора выше определенного значения считается равным 0, а ниже определенного значения — равным 1.

Запись данных

Для записи данных на управляющий полюс G подается высокое напряжение (например, 20 В), в результате чего электроны в подложке притягиваются, проходят через туннельный слой и попадают в слой плавающего затвора, после чего электроны тормозятся изолирующим слоем и могут быть заключены только в слое плавающего затвора. Существование туннельного слоя гарантирует, что заключенные электроны останутся в слое плавающего затвора, даже если они потеряют притяжение высокого напряжения. На этом процесс записи данных в ячейку завершается.

Стирание данных

Процесс стирания данных заключается в освобождении захваченных электронов из слоя плавающего затвора. Просто приложив высокое напряжение к подложке, электроны притягиваются электрическим полем и возвращаются на подложку через туннельный слой, тем самым возвращая ячейку в исходное состояние.

Именно из-за этого принципа чтения и записи многие люди беспокоятся о долговечности твердотельных накопителей. Это связано с тем, что при записи данных твердотельные накопители не перезаписывают исходные данные напрямую, а сначала стирают их, а затем записывают. Каждый раз, когда ячейка проходит цикл стирания-записи, плавающий слой затвора неизбежно оставляет после себя некоторый заряд. Как при письме на бумаге карандашом — пишешь, стираешь, пишешь, — так и бумага в конце концов протрется. То же самое справедливо и для твердотельных накопителей.

Впрочем, обычным пользователям об этом можно не беспокоиться. Возьмем твердотельный накопитель емкостью 512 Гб:

Ежедневный объем записи 140 Гб также должен исчерпать свой ресурс за десять лет, к тому же у многих пользователей нет такого большого объема записи.

Так что SSD можно смело использовать.

Чтение данных

Когда в слое плавающего затвора находится всего несколько электронов (состояние хранения 1), мы подаем низкое напряжение на управляющий полюс, в результате чего электроны притягиваются к нижней стороне туннельного слоя, но из-за низкого напряжения электроны не могут пройти через туннельный слой, образуя проводящую траншею между истоком и стоком, и ток может быть сформирован путем подачи напряжения между истоком и стоком.

А когда большое количество электронов хранится в слое плавающего затвора (состояние хранения 0), на управляющий полюс подается такое же низкое напряжение. Поскольку электроны, хранящиеся в слое плавающего затвора, оказывают отталкивающее действие на электроны в подложке, в подложке не может быть сформирован проводящий канал, что препятствует генерации тока между истоком и стоком.

Поэтому, если во время чтения обнаруживается ток, состояние ячейки становится равным 1 и, наоборот, 0. Это завершает чтение данных в ячейке.

Запись данных в модуль хранения

Поскольку количество модулей хранения в твердотельных накопителях очень велико, если каждый модуль будет оснащен независимым переключателем, это неизбежно приведет к избыточной структуре модулей и снижению эффективности хранения. Поэтому перезапись данных внутри модуля хранения контролируется модулем.

Принципиальная схема модуля хранения данных показана на рис. Каждая строка представляет собой байт памяти и содержит в общей сложности восемь единиц хранения. Каждый столбец запоминающих устройств соединен в последовательную структуру, верхний ряд и следующий ряд транзисторов, используемых для управления каждым битом (столбцом) операции записи; каждая строка запоминающих устройств управляется электродом унифицированного управления.

Когда вы хотите выполнить операцию записи в определенную ячейку (например, в первый столбец четвертой строки), вы подаете на управляющий транзистор первого столбца нулевое смещение, чтобы под затвором четвертой строки было приложено высокое напряжение, благодаря которому плавающий затвор этой ячейки сможет накапливать заряд. В то время как на остальные управляющие транзисторы подается низкое напряжение 2 В, так что образуется ток, и из-за канального эффекта другие ячейки четвертого ряда не могут накапливать заряд.

IV. Резюме

В твердотельных накопителях происходит электронное взаимодействие, а электронные сигналы гораздо быстрее, чем механические конструкции, такие как головки и диски. Если данные случайно разбросаны по всем углам диска, то механический жесткий диск должен пройти через ряд операций поиска и адресации, много раз ожидая, пока сектор повернется к нижней части головки, поэтому механический жесткий диск при чтении разрозненных файлов работает очень слабо и медленно, то есть производительность случайного чтения и записи низкая.

В повседневной жизни, наиболее влияние на наш опыт является случайное чтение и запись способность жесткого диска, как и многие программы состоит из множества небольших файлов, наиболее заметным из которых является наша операционная система windows, открыть компьютер c диска можно увидеть, операционная система состоит из бесчисленных рассеянных небольших файлов, эти файлы не большие, но очень рассеяны, если это механический жесткий диск для чтения этих рассеянных данных, как каждый файл в разных местах на диске, ограниченные механической структуры диска, чтение этих будет производить долго ждать. Именно поэтому системный диск должен быть твердотельным.

Кроме того, с развитием твердотельных технологий цена становится все ниже и ниже, емкость все больше и больше, а обычным пользователям не нужно беспокоиться о сроке службы твердотельного накопителя, благодаря этим преимуществам твердотельный жесткий диск станет первым выбором пользователей.