SSD kettad

Sissejuhatus

SSD (solid-state drive) ehk pooljuhtketas on mälukiipidel realiseeritud andmesalvestusseade, mis on otstarbelt võrreldav tavalise kõvakettaga (HDD), kuid põhineb välkmälu tehnoloogial ja pakub märgatavalt kiiremat andmepöördust.

Pooljuhtketaste valmistamisel kasutatakse mitut tüüpi mälukiipe, sealhulgas nii hävimälusid kui ka säilmälusid. Erinevalt tavapärastest kõvaketastest pole SSD sõna otseses mõttes üldse kettaseade, sest sellel puuduvad mehaaniliselt liikuvad osad, kuid ühendusliidesed on mõlemal samad ja täiendavaid draivereid pole SSD jaoks vaja - operatsioonisüsteem näeb ka pooljuhtketast tavalise kettana. SSD on tänu liikuvate osade puudumisele vastupidavam põrutustele, ei tekita vibratsiooni ning töötab täiesti hääletult. SSD on ka palju energiasäästlikum ega kuumene üle. Seejuures on pooljuhtkettad aga tavalistest kõvaketastest seni veel märgatavalt kallimad. Miinuseks võib pidada sedagi, et välkmälu kirjutuskordade arv on piiratud, mis seab piirid SSD elueale, kuigi tavakasutajat see enamasti ei mõjuta.

Tehnoloogia

Viimastel aastatel kasutatakse pooljuhtketastes valdavalt NAND-loogikal põhinevat välkmälu tehnoloogiat. Selle värskeim edasiarendus on kolmemõõtmelise arhitektuuriga V-NAND (vertical NAND) välkmälu, mis võimaldab suuremat andmetihedust ja töökiirust. Eriotstarbeliselt on kasutusel ka suvapöördusmälul (RAM) põhinevad akutoitega pooljuhtkettad, mis pakuvad kiiremat andmepöördust, ent nende osakaal on üsna väike ja sihtturg spetsiifiline.

Välkmälu (flash memory) on säilmälu, kus säilivad andmed ka pärast seda, kui toide on ära kadunud. Ehituselt kujutab välkmälu endast väikest trükkplaati, millele on monteeritud suure mahuga mälukiip. Selle mõtles 1980ndatel aastatel välja Toshibas töötanud Fujio Masuoka.

Tehnoloogiliselt arenesid välkmälukiibid välja EEPROMi kiibitehnoloogiast, kuid on odavamad ja suurema tihedusega. EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) on elektriliselt ümberprogrammeeritav püsimälu. Välkmälu erinevus seisneb selles, et kustutamine ja kirjutamine toimub väikeste andmeplokkide kaupa, EEPROMi puhul aga baitide kaupa.

Välkmälu elementideks on ujuva paisuga väljatransistorid. Igas mäluelemendis hoitakse üht või enamat bitti. NAND-loogika kasutamine tähendab, et mälu on laetud siis, kui elemendi väärtus on 0 (ja laadimata väärtuse 1 korral).

Bittide arvust elemendis sõltub välkmälu kategooria:

• SLC (single level cell) - üks bitt elemendis
• MLC (multi level cell) - kaks või enam bitti elemendis
• TLC (triple level cell) - kolm bitti elemendis

Mida vähem bitte elemendis, seda paremad on välkmälu omadused (kiirus, eluiga, tõrketaluvus), kuid samal ajal tähendab see ka kõrgemat hinda. SLC võimaldab ligikaudu 90 000 - 100 000 kirjutuskorda, MLC ligikaudu 8000 - 10 000 ja TLC ainult 3000 - 5000 kirjutuskorda.

Ka kirjutamiskiirus langeb elemendis hoitavate bittide arvu suurenedes märgatavalt, sest kirjutamine toimub välkmälus tavaliselt plokikaupa ja enne andmete ülekirjutamist tuleb tavaliselt terve plokk vahemällu salvestada. SSD seadmetel on välkmälu spetsiifikast tingituna keerukamad kontrollerid kui tavalistel kõvaketastel ja iga mudeli jõudlus sõltub paljuski just kontrolleri võimekusest, mistõttu ei kipu tootjad nende kohta väga palju infot välja jagama.

Massitootoodanguna valminud odavamates SSD seadmetes on tavaliselt TLC välkmälu, samas kui SLC on kasutusel tippklassi mälukaartides ja serverites. MLC jääb omadustelt nende kahe vahele, aga sedagi peetakse pigem tavatarbijale suunatud versiooniks. Ettevõtetele on mõeldud eMLC (enterprise multi level cell), mis on sisuliselt optimeeritud MLC versioon ja võimaldab 20 000 - 30 000 kirjutuskorda.

Kasutusalad

SSD seadmed on hakanud sellel aastakümnel jõudsalt levima, kuna välkmälu kasutamine on nende hinda oluliselt langetanud. Samal ajal on pooljuhtketaste mahutavus kasvanud kordades ja jõudnud tavaliste kõvaketastega pea samale tasemele. Ka uued operatsioonisüsteemid on nüüd optimeeritud SSD kasutamiseks ja pooljuhtketta muu riistvaraga ühendamisel pole enamasti mingeid takistusi. Mureks on välkmälu puhul peetud piiratud kirjutuskordade arvu, mis teoorias lühendab SSD eluiga, kuid tegelikult on see tavakasutajate jaoks siiski piisavalt pikk. Tehnoloogia areneb lihtsalt nii kiiresti, et tarbijad jõuavad enamasti soetada uuema seadme enne, kui vana on end füüsiliselt ammendanud.

Tänaseks päevaks on pooljuhtketastest saanud juba laiatarbekaup, mille puhul on keeruline välja tuua spetsiifilisi kasutusalasid. SSD seadmete populaarsus kasvab kiiresti, sest nad on tavalistest kõvaketastest märgatavalt kiiremad, vaiksemad ja energiasäästlikumad, olgugi et praegu veel pea neli korda kallimad.. Sageli hangitakse pooljuhtketas lauaarvutisse nö süsteemikettaks tavalise kõvaketta kõrvale ja viimane jäetakse alles ainult andmete hoidmiseks. Kõige laialdasemat kasutust leiavad SSD kettad tänu oma väiksematele mõõtmetele süle- ja tahvelarvutites. Levinud on veel ka nn hübriidkettad, mis ühendavad endas mehaanilise ketta mahutavuse ja pooljuhtketta kiiruse: sellistel kõvaketastel täidab SSD komponent sisuliselt vahemälu rolli.

SSD vs. HDD

Pooljuhtkettaid ja magnetkõvakettaid on keeruline võrrelda, sest tavaliste ketaste (HDD) jõudlustestid panevad rõhku oma nõrkuste võrdlemisele (latentsus, otsinguaeg) ja SSD kettad on nende näitajate poolest ülekaalukalt paremad. HDD kasuks räägivad enamasti ainult hind, mahutavus ja paremad krüpteerimisvõimalused. Samas on ka pooljuhtketastel nõrkusi, mis on tingitud tehnoloogilistest iseärasustest (kirjutamise suhteline aeglus, jõudluse vähenemine aja jooksul, tundlikkus elektrikatkestuste suhtes, andmete turvalise kustutamisega seotud probleemid). Samuti sõltuvad SSD näitajad välkmälu tüübist, mida seadmes kasutatakse. Tavatarbijale mõeldud odavamad pooljuhtkettad on ka väiksema jõudlusega. All on välja toodud mõned üldisemad võrdluspunktid pooljuhtketaste ja magnetkõvaketaste vahel.

Omadus	Pooljuhtketas (SSD)	Magnetkõvaketas (HDD)
Töövalmiduse saavutamise aeg	Kohene, sest pole liikuvaid osi.	Pöörete üles saamiseks võib kuluda mitu sekundit.
Suvapöördusaeg	Umbes 0,1 ms, kuna andmete poole pöördutakse otse välkmälus.	Umbes 5–10 ms, kuna on vaja liigutada päid ja oodata kuni andmed liiguvad lugemis-/kirjutamispea all.
Lugemise latentsusaeg	Üldiselt madal, sest andmeid saab lugeda otse ükskõik millisest kohast.	Üldiselt kõrge, kuna mehhaanilised osad vajavad joondumiseks lisaaega.
Pideva lugemise kiirus	Lugemise kiirus ei sõltu sellest, kus info paikneb, kuid jõudlus väheneb aja jooksul märgatavalt.	Kui andmed on fragmenteerunud, siis võib info välja lugemine anda erinevaid vastamisaegu.
Defragmentatsioon	Puudub vajadus defragmentida, sest sellel on minimaalne efekt. See on isegi vastunäidustatud, sest iga defragmentimisega lühendatakse NAND-välkmälu eluiga (kirjutuskordade arv on piiratud).	Defragmentimine on vajalik pärast kestvat töösolekut või info kustutamist ja kirjutamist.
Müratase	Pole liikuvaid osi, pole müra.	Liikuvad osad (pead, mootor) tekitavad erineval tasemel müra olenevalt mudelist.
Mehaaniline töökindlus	Mehaanilise rikke võimalus on väga väike.	Kõik liikuvaid osad ütlevad aja jooksul üles.
Vastupidavus välistele teguritele	Väga vastupidav välismõjudele, v.a elektrikatkestused.	Liikuvad osad ei talu hästi lööke, vibratsiooni, rõhu- ja temperatuurimuutusi ning vajavad "taastumisaega".
Tundlikkus magnetismi suhtes	Magnetism ei mõjuta välkmälu kuidagi.	Magnetid või magnetimpulsid mõjutavad andmeid kettal.
Kaal ja maht	Välkmälu ja trükiplaadi materjal on väga kerge võrreldes tavaliste kõvaketastega.	Suurema jõudlusega kettad kasutavad raskemaid komponente, kuid ka võrdlemisi kerged sülearvuti kõvakettad on pooljuhtketastest palju raskemad.
Paralleelsed operatsioonid	Kontrolleril võib olla mitu kiipi kirjutamas ja lugemas infot erinevatest kohtadest samal ajal.	Kõvakettaseadmetel on mitu pead, kuid need peavad kõik olema joondatud samale silindrile (rajale).
Kirjutuskindlus	Välkmälu kasutavate pooljuhtketaste kirjutuskordade arv on piiratud.	Piiramatu kirjutuskordade arv.
Piirangud tarkvaralisele krüpteerimisele	NAND välkmälu ei saa kohe üle kirjutada, eelnevalt tuleb andmeplokid kustutada. Kui krüpteeritakse juba mälus paiknevat infot, siis "üle kirjutatud" andmed on ikka krüpteerimata ja andmevargale kättesaadavad (riistvaralise krüpteerimise puhul seda probleemi ei esine). Ka ei saa andmeid turvaliselt kustutada neid üle kirjutades ilma kettasse sisse ehitatud eriliste "Secure Erase" protseduurideta.	Andmed saab ükskõik millises sektoris lihtsalt üle kirjutada.
Vabade plokkide saadavus ja TRIM	Jõudlus sõltub vabade plokkide olemasolust. Varem täis kirjutatud andmeplokid saab uuesti kasutusele võtta TRIM'iga.	Vabade blokkide olemasolu ei mõjuta jõudlust, andmed saab üle kirjutada.
Energiatarve	Välkmälul põhinevad pooljuhtkettad vajavad 1/3 kuni 1/2 voolust, mida tarbib HDD. DRAM SSD tarbib tavaliselt sama palju voolu kui HDD ja vajavad toidet ka siis, kui ülejäänud süsteem on välja lülitatud.	Suure jõudlusega HDD tarbib tavaliselt 12-18 vatti, sülearvutitele mõeldud kettad vaid 2-5 vatti.

Kokkuvõte

SSD seadmed on valdavalt välkmälul põhinevad andmekandjad. Nad on pea igas aspektis tavalistest magnetkõvaketastest üle. Plussideks on parem lugemis- ja kirjutamiskiirus, mis tähendab seda, et arvuti käivitub kiiremini, programmid avanevad kiiremini ning päringutele reageerimine ja failide kopeerimine toimub kiiremini. Samal ajal tarbib pooljuhtketas ka vähem voolu, töötab mürata ja on vastupidavam, sest puuduvad liikuvad osad. Põhiliseks miinuseks on SSD seadmete puhul peetud kordades kõrgemat hinda ja väiksemat mahutavust, kuid aja jooksul on see vahe vähenenud ning SSD kasutamine muutunud üha laialdasemaks. Turule on ilmunud ka palju taskukohasemaid SSD mudeleid, mis on küll nõrgema jõudlusega kui kallimad tippseadmed, kuid tavakasutaja jaoks sellegipoolest piisavalt võimekad.

Temaatilisi linke

• Kõvaketas, Vikipeedia
• Pooljuhtketas, Vikipeedia
• Välkmälu, Vikipeedia
• Hard disk drive, Wikipedia
• Solid-state drive, Wikipedia
• Flash memory, Wikipedia
• Multi-level cell, Wikipedia
• Single-level cell, Wikipedia

Autorid

Andres Sumin, A32 (asumin@itcollege.ee)
Täiendanud: Oliver Tiks, AK21 (2015/2016)