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Dispositif de stockage de données qui n’utilise aucune pièce mobile

Disque dur
Disque SSD SATA 2,5 pouces Super Talent SAM64GM25S.jpg
Utilisation de la mémoire flash
Introduit par: SanDisk
Date d’introduction: 1991; Il y a 29 ans (1991)
Capacité: 20 Mo (facteur de forme de 2,5 pouces)
Concept original
Par: Storage Technology Corporation
Imaginé: 1978; Il y a 42 ans (1978)
Capacité: 45 Mo
En 2019 capacités disponibles jusqu’à 60 – 100 To

Un SSD mSATA avec un boîtier externe

UNE disque dur (SSD) est un périphérique de stockage à semi-conducteurs qui utilise des assemblages de circuits intégrés pour stocker les données de manière persistante, généralement à l’aide de la mémoire flash, et fonctionne comme un stockage secondaire dans la hiérarchie du stockage informatique. Il est aussi parfois appelé dispositif à semi-conducteurs ou un disque dur électronique,[1] même si les disques SSD ne disposent pas des disques rotatifs physiques et des têtes de lecture / écriture mobiles utilisées dans les disques durs (“HDD”) ou les disquettes.[2]

Par rapport aux disques électromécaniques, les SSD sont généralement plus résistants aux chocs physiques, fonctionnent en silence et ont un temps d’accès plus rapide et une latence plus faible.[3] Les SSD stockent les données dans des cellules semi-conductrices. À partir de 2019, les cellules peuvent contenir entre 1 et 4 bits de données. Les dispositifs de stockage SSD varient dans leurs propriétés en fonction du nombre de bits stockés dans chaque cellule, les cellules à un seul bit (“SLC”) étant généralement le type le plus fiable, le plus durable, le plus rapide et le plus cher, par rapport aux 2 et 3 bits cellules (“MLC” et “TLC”), et enfin les cellules quad-bit (“QLC”) utilisées pour les appareils grand public qui ne nécessitent pas ces propriétés extrêmes et sont les moins chers des quatre. De plus, la mémoire 3D XPoint (vendue par Intel sous la marque Optane), stocke les données en modifiant la résistance électrique des cellules au lieu de stocker les charges électriques dans les cellules, et les SSD fabriqués à partir de RAM peuvent être utilisés à haute vitesse, lorsque la persistance des données après l’alimentation la perte n’est pas requise ou peut utiliser la batterie pour conserver les données lorsque sa source d’alimentation habituelle n’est pas disponible.[4] Les disques hybrides ou les disques hybrides à semi-conducteurs (SSHD), tels que le Fusion Drive d’Apple, combinent les fonctionnalités des SSD et des disques durs dans la même unité en utilisant à la fois la mémoire flash et un disque dur afin d’améliorer les performances des données fréquemment consultées.[5][6][7]

Alors que le prix des SSD a continué de baisser au fil du temps, les SSD sont (à partir de 2020) encore plus cher par unité de stockage que les disques durs et devraient le rester au cours de la prochaine décennie.[[citation requise]

Les disques SSD basés sur NAND Flash fuiront lentement la charge au fil du temps s’ils sont laissés pendant de longues périodes sans alimentation. Cela entraîne des disques usés (qui ont dépassé leur indice d’endurance) à commencer à perdre des données généralement après un an (s’ils sont stockés à 30 ° C) à deux ans (à 25 ° C) en stockage; pour les nouveaux disques, cela prend plus de temps.[8] Par conséquent, les disques SSD ne conviennent pas au stockage d’archives. 3D XPoint est une exception possible à cette règle, mais il s’agit d’une technologie relativement nouvelle avec des caractéristiques de conservation des données à long terme inconnues.

Les SSD peuvent utiliser des interfaces et des facteurs de forme de disque dur (HDD) traditionnels, ou des interfaces et des facteurs de forme plus récents qui exploitent les avantages spécifiques de la mémoire flash des SSD. Les interfaces traditionnelles (par exemple, SATA et SAS) et les facteurs de forme de disque dur standard permettent à ces SSD d’être utilisés comme remplaçants de remplacement pour les disques durs dans les ordinateurs et autres appareils. Facteurs de forme plus récents tels que mSATA, M.2, U.2, NF1,[9][10] XFMEXPRESS[11] et EDSFF (anciennement connu sous le nom de Ruler SSD[12])[13] et des interfaces plus rapides telles que NVMe sur PCI Express peuvent encore augmenter les performances par rapport aux performances du disque dur.[4]

Développement et histoire[[Éditer]

Premiers SSD utilisant de la RAM et une technologie similaire[[Éditer]

Un des premiers – sinon le premier – périphérique de stockage à semi-conducteur compatible avec une interface de disque dur (par exemple un SSD tel que défini) était le StorageTek STC 4305 de 1978. Le STC 4305, un remplacement compatible avec la prise du lecteur de disque à tête fixe IBM 2305, initialement utilisé des dispositifs à couplage de charge (CCD) pour le stockage et, par conséquent, aurait été sept fois plus rapide que le produit IBM à environ la moitié du prix (400 000 $ pour une capacité de 45 Mo)[14] Il est ensuite passé à la DRAM. Avant le SSD StorageTek, il y avait beaucoup de DRAM et de core (par exemple DATARAM BULK Core, 1976)[15] les produits vendus comme alternatives aux disques durs, mais ces produits avaient généralement des interfaces mémoire et n’étaient pas des SSD tels que définis.

À la fin des années 1980, Zitel a offert une famille de produits SSD basés sur DRAM, sous le nom commercial “RAMDisk”, pour une utilisation sur les systèmes par UNIVAC et Perkin-Elmer, entre autres.

SSD basés sur Flash[[Éditer]

Amélioration des caractéristiques SSD au fil du temps
Paramètre Commencé avec (1991) Développé pour (2018) Amélioration
Capacité 20 mégaoctets 100 téraoctets (Nimbus Data DC100) 5 millions à un[16]
Prix 50 USD par mégaoctet 0,372 USD par gigaoctet (Samsung PM1643) 134408 contre un[17]

La base des SSD basés sur flash, la mémoire flash, a été inventée par Fujio Masuoka chez Toshiba en 1980[18] et commercialisé par Toshiba en 1987.[19][20] Les fondateurs de SanDisk Corporation (alors SunDisk) Eli Harari et Sanjay Mehrotra, ainsi que Robert D. Norman, ont vu le potentiel de la mémoire flash comme une alternative à un disque dur et ont déposé un brevet pour un SSD basé sur flash en 1989.[21] Le premier SSD commercial basé sur flash a été expédié par SunDisk en 1991.[18] C’était un SSD de 20 Mo dans une configuration PCMCIA, et vendu OEM pour environ 1000 $ et utilisé par IBM dans un ordinateur portable ThinkPad.[22] En 1998, SanDisk a introduit des disques SSD de format 2½ et 3½ avec des interfaces PATA.[23]

En 1995, STEC, Inc. est entrée dans le secteur de la mémoire flash pour les appareils électroniques grand public.[24]

En 1995, M-Systems a introduit des disques SSD flash[25] comme remplacement de disque dur pour les industries militaires et aérospatiales, ainsi que pour d’autres applications critiques. Ces applications nécessitent la capacité du SSD à résister aux chocs extrêmes, aux vibrations et aux plages de température.[26]

En 1999, BiTMICRO a fait un certain nombre d’introductions et d’annonces concernant les SSD basés sur flash, dont un 18 Go[27] SSD 3,5 pouces.[28] En 2007, Fusion-io a annoncé un disque SSD basé sur PCIe avec 100 000 opérations d’entrée / sortie par seconde (IOPS) de performances sur une seule carte, avec des capacités allant jusqu’à 320 Go.[29]

Au Cebit 2009, OCZ Technology a démontré une capacité de 1 To[30] flash SSD à l’aide d’une interface PCI Express × 8. Il a atteint une vitesse d’écriture maximale de 0,654 gigaoctets par seconde (Go / s) et une vitesse de lecture maximale de 0,712 Go / s.[31] En décembre 2009, Micron Technology a annoncé un SSD utilisant une interface SATA à 6 gigabits par seconde (Gbit / s).[32]

En 2016, Seagate a démontré des vitesses de lecture et d’écriture séquentielles de 10 Go / S à partir d’un SSD PCIe 3.0 à 16 voies et a également démontré un SSD de 60 To dans un facteur de forme de 3,5 pouces. Samsung a également lancé sur le marché un SSD de 15,36 To avec un prix de 10000 $ US en utilisant une interface SAS, en utilisant un facteur de forme de 2,5 pouces mais avec l’épaisseur de disques de 3,5 pouces. C’était la première fois qu’un SSD disponible dans le commerce avait plus de capacité que le plus grand disque dur actuellement disponible.[33][34][35][36][37]

En 2018, Samsung et Toshiba ont lancé sur le marché des SSD de 30,72 To utilisant le même facteur de forme de 2,5 pouces mais avec une épaisseur de disque de 3,5 pouces à l’aide d’une interface SAS. Nimbus Data a annoncé et aurait expédié des disques de 100 To à l’aide d’une interface SATA, une capacité que les disques durs ne devraient pas atteindre avant 2025. Samsung a présenté un SSD M.2 NVMe avec des vitesses de lecture de 3,5 Go / s et des vitesses d’écriture de 3,3 Go / s.[38][39][40][41][42][43][44]

En 2019, Gigabyte Technology a présenté un SSD PCIe 4.0 8 voies à 16 voies avec des vitesses de lecture séquentielle de 15,0 Go / s et des vitesses d’écriture séquentielle de 15,2 Go / s au Computex 2019. Il comprenait un ventilateur, car les nouveaux SSD haute vitesse fonctionnent à des températures élevées.[45] Toujours en 2019, des SSD NVMe M.2 utilisant l’interface PCIe 4.0 ont été lancés. Ces disques SSD ont des vitesses de lecture allant jusqu’à 5,0 Go / s et des vitesses d’écriture allant jusqu’à 4,4 Go / s. En raison de leur fonctionnement à grande vitesse, ces disques SSD utilisent de grands dissipateurs thermiques et s’ils ne reçoivent pas un débit d’air de refroidissement suffisant, ils ralentissent généralement thermiquement après environ 15 minutes de fonctionnement continu à pleine vitesse.[46] Samsung a également introduit des SSD capables de vitesses de lecture et d’écriture séquentielles de 8 Go / s et de 1,5 million d’IOPS, capables de déplacer des données de puces endommagées vers des puces intactes, pour permettre au SSD de continuer à fonctionner normalement, bien qu’à une capacité inférieure.[47][48][49]

Lecteurs flash d’entreprise[[Éditer]

Vues de dessus et de dessous d’un modèle 2,5 pouces 100 Go SATA 3.0 (6 Gbit / s) de la série Intel DC S3700

Les lecteurs flash d’entreprise (EFD) sont conçus pour les applications nécessitant des performances d’E / S élevées (IOPS), une fiabilité, une efficacité énergétique et, plus récemment, des performances cohérentes. Dans la plupart des cas, un EFD est un SSD avec un ensemble de spécifications plus élevé que les SSD qui seraient généralement utilisés dans les ordinateurs portables. Le terme a été utilisé pour la première fois par EMC en janvier 2008 pour les aider à identifier les fabricants de SSD qui fourniraient des produits répondant à ces normes plus élevées.[50] Aucun organisme de normalisation ne contrôle la définition des EFD, de sorte que tout fabricant de SSD peut prétendre produire des EFD alors qu’en fait le produit peut ne pas réellement répondre à des exigences particulières.[51]

Un exemple est la série de disques Intel DC S3700, introduite au quatrième trimestre 2012, qui se concentre sur la réalisation de performances cohérentes, un domaine qui n’avait auparavant pas reçu beaucoup d’attention mais qu’Intel a déclaré être important pour le marché des entreprises. En particulier, Intel affirme que, à l’état d’équilibre, les disques S3700 ne varieraient pas leurs IOPS de plus de 10 à 15%, et que 99,9% de toutes les E / S aléatoires de 4 Ko sont desservies en moins de 500 µs.[52]

Un autre exemple est la série de disques SSD d’entreprise Toshiba PX02SS, annoncée en 2016, qui est optimisée pour une utilisation dans les plates-formes de serveurs et de stockage nécessitant une haute endurance des applications gourmandes en écriture telles que la mise en cache d’écriture, l’accélération d’E / S et le traitement des transactions en ligne (OLTP). La série PX02SS utilise une interface SAS à 12 Gbit / s, dotée d’une mémoire flash NLC MLC et atteignant des vitesses d’écriture aléatoires allant jusqu’à 42000 IOPS, des vitesses de lecture aléatoires allant jusqu’à 130,000 IOPS et une cote d’endurance de 30 écritures de lecteur par jour (DWPD).[53]

Les SSD basés sur 3D XPoint ont des vitesses de lecture / écriture aléatoires plus élevées (IOPS plus élevées) mais plus faibles que leurs homologues NAND-flash. Ils peuvent avoir jusqu’à 2,5 millions d’IOPS.[54][55]

Lecteurs utilisant d’autres technologies de mémoire persistante[[Éditer]

En 2017, les premiers produits avec mémoire 3D Xpoint ont été lancés sous la marque Intel Optane. 3D Xpoint est entièrement différent du flash NAND et stocke les données selon différents principes.

Architecture et fonction[[Éditer]

Les composants clés d’un SSD sont le contrôleur et la mémoire pour stocker les données. Le composant de mémoire principal d’un SSD était traditionnellement une mémoire volatile DRAM, mais depuis 2009, il s’agit plus souvent de mémoire non volatile flash NAND.[56][4]

Manette[[Éditer]

Chaque SSD comprend un contrôleur qui intègre l’électronique qui relie les composants de mémoire NAND à l’ordinateur hôte. Le contrôleur est un processeur intégré qui exécute du code au niveau du micrologiciel et est l’un des facteurs les plus importants des performances SSD.[57] Certaines des fonctions exécutées par le contrôleur incluent:[58][59]

Les performances d’un SSD peuvent évoluer avec le nombre de puces flash NAND parallèles utilisées dans l’appareil. Une seule puce NAND est relativement lente, en raison de l’interface d’E / S asynchrone étroite (8/16 bits) et de la latence élevée supplémentaire des opérations d’E / S de base (typique pour SLC NAND, ~ 25 μs pour extraire une page de 4 Ko de le tableau au tampon d’E / S en lecture, ~ 250 μs pour valider une page de 4 Ko du tampon d’E / S au tableau en écriture, ~ 2 ms pour effacer un bloc de 256 Ko). Lorsque plusieurs périphériques NAND fonctionnent en parallèle à l’intérieur d’un SSD, la bande passante évolue et les latences élevées peuvent être masquées, tant qu’il y a suffisamment d’opérations en attente et que la charge est répartie uniformément entre les périphériques.[60]

Micron et Intel ont initialement fabriqué des SSD plus rapides en implémentant la répartition des données (similaire à RAID 0) et l’entrelacement dans leur architecture. Cela a permis la création de SSD ultra-rapides avec des vitesses de lecture / écriture effectives de 250 Mo / s avec l’interface SATA 3 Gbit / s en 2009.[61] Deux ans plus tard, SandForce a continué de tirer parti de cette connectivité flash parallèle, en lançant des contrôleurs SSD SATA 6 Gbit / s grand public qui prenaient en charge des vitesses de lecture / écriture de 500 Mo / s.[62] Les contrôleurs SandForce compressent les données avant de les envoyer à la mémoire flash. Ce processus peut entraîner moins d’écriture et un débit logique plus élevé, selon la compressibilité des données.[63]

Nivellement de l’usure[[Éditer]

Si un bloc particulier est programmé et effacé à plusieurs reprises sans écrire dans d’autres blocs, ce bloc s’use avant tous les autres blocs, mettant ainsi fin prématurément à la vie du SSD. Pour cette raison, les contrôleurs SSD utilisent une technique appelée nivellement d’usure pour distribuer les écritures aussi uniformément que possible sur tous les blocs flash du SSD.

Dans un scénario parfait, cela permettrait à chaque bloc d’être écrit dans sa durée de vie maximale afin qu’ils échouent tous en même temps. Le processus de distribution uniforme des écritures nécessite que les données précédemment écrites et non changeantes (données froides) soient déplacées, afin que les données qui changent plus fréquemment (données chaudes) puissent être écrites dans ces blocs. La relocalisation des données augmente l’amplification d’écriture et augmente l’usure de la mémoire flash. Les concepteurs cherchent à minimiser les deux.[64][65]

Mémoire[[Éditer]

Mémoire flash[[Éditer]

Comparaison des architectures[66]
Caractéristiques de comparaison MLC: SLC NAND: NOR
Rapport de persistance 1: 10 1: 10
Rapport d’écriture séquentiel 1: 3 1: 4
Rapport de lecture séquentiel 1: 1 1: 5
Ratio des prix 1: 1,3 1: 0,7

La plupart des fabricants de SSD utilisent une mémoire flash NAND non volatile dans la construction de leurs SSD en raison du coût inférieur par rapport à la DRAM et de la capacité de conserver les données sans alimentation constante, garantissant la persistance des données lors de coupures de courant soudaines.[67][68] Les disques SSD à mémoire flash étaient initialement plus lents que les solutions DRAM, et certaines conceptions anciennes étaient encore plus lentes que les disques durs après une utilisation continue. Ce problème a été résolu par les contrôleurs sortis en 2009 et après.[69]

Les disques SSD basés sur Flash stockent les données dans des puces de circuit intégré à semi-conducteur à oxyde métallique (MOS) qui contiennent des cellules de mémoire à grille flottante non volatiles.[70] Les solutions basées sur la mémoire flash sont généralement conditionnées dans des facteurs de forme d’unité de disque standard (1,8, 2,5 et 3,5 pouces), mais également dans des facteurs de forme plus petits et plus compacts, tels que le facteur de forme M.2, rendus possibles par le petit taille de la mémoire flash.

Les disques moins chers utilisent généralement une mémoire flash à trois niveaux (TLC) ou à plusieurs niveaux (MLC), qui est plus lente et moins fiable que la mémoire flash à cellule unique (SLC).[71][72] Cela peut être atténué ou même inversé par la structure de conception interne du SSD, comme l’entrelacement, les modifications des algorithmes d’écriture,[72] et un surapprovisionnement supérieur (plus de capacité excédentaire) avec lequel les algorithmes de nivellement de l’usure peuvent fonctionner.[73][74][75]

Des disques SSD reposant sur la technologie V-NAND, dans lesquels des couches de cellules sont empilées verticalement, ont été introduits.[76]

DRACHME[[Éditer]

Les SSD basés sur une mémoire volatile comme la DRAM se caractérisent par un accès aux données très rapide, généralement inférieur à 10 microsecondes, et sont principalement utilisés pour accélérer les applications qui seraient autrement freinées par la latence des SSD flash ou des HDD traditionnels.

Les disques SSD basés sur DRAM intègrent généralement une batterie interne ou un adaptateur AC / DC externe et des systèmes de stockage de sauvegarde pour assurer la persistance des données alors qu’aucune alimentation n’est fournie au disque à partir de sources externes. En cas de panne de courant, la batterie fournit de l’énergie pendant que toutes les informations sont copiées de la mémoire vive (RAM) vers le stockage de sauvegarde. Lorsque l’alimentation est rétablie, les informations sont copiées dans la RAM à partir du stockage de sauvegarde et le SSD reprend son fonctionnement normal (similaire à la fonction de mise en veille prolongée utilisée dans les systèmes d’exploitation modernes).[77][78]

Les SSD de ce type sont généralement équipés de modules DRAM du même type que ceux utilisés sur les PC et serveurs ordinaires, qui peuvent être remplacés et remplacés par des modules plus grands.[79]
Tels que i-RAM, HyperOs HyperDrive, DDRdrive X1, etc.
Certains fabricants de SSD DRAM soudent les puces DRAM directement sur le disque et n’ont pas l’intention de les échanger, comme ZeusRAM, Aeon Drive, etc.[80]

UNE disque d’accès à la mémoire distant et indirect (disque RIndMA) utilise un ordinateur secondaire avec un réseau rapide ou une connexion Infiniband (directe) pour agir comme un SSD basé sur RAM, mais les nouveaux SSD, plus rapides et basés sur la mémoire flash déjà disponibles en 2009 rendent cette option moins rentable.[81]

Alors que le prix de la DRAM continue de baisser, le prix de la mémoire Flash baisse encore plus vite.
Le point de croisement “Flash devient moins cher que DRAM” s’est produit vers 2004.[82][83]

3D XPoint[[Éditer]

En 2015, Intel et Micron ont annoncé que 3D XPoint était une nouvelle technologie de mémoire non volatile.[84] Intel a lancé le premier lecteur 3D XPoint (de marque Intel® Optane ™ SSD) en mars 2017 en commençant par le produit de centre de données – Intel® Optane ™ SSD DC P4800X Series, et ensuite avec la version client – Intel® Optane ™ SSD 900P Series en octobre 2017. Les deux produits fonctionnent plus rapidement et avec une endurance plus élevée que les SSD basés sur NAND, tandis que la densité surfacique est comparable à 128 gigabits par puce.[85][86][87][88] Pour le prix par bit, 3D XPoint est plus cher que NAND, mais moins cher que DRAM.[89]

Autre[[Éditer]

Certains SSD, appelés NVDIMM ou Hyper DIMM périphériques, utilisez à la fois la DRAM et la mémoire flash. Lorsque l’alimentation est coupée, le SSD copie toutes les données de sa DRAM sur flash; lorsque l’alimentation est rétablie, le SSD copie toutes les données de son flash vers sa DRAM.[90] D’une manière quelque peu similaire, certains SSD utilisent des facteurs de forme et des bus réellement conçus pour les modules DIMM, tout en utilisant uniquement la mémoire flash et en la faisant apparaître comme s’il s’agissait de DRAM. De tels SSD sont généralement appelés périphériques ULLtraDIMM.[91]

Les disques appelés disques hybrides ou disques SSD hybrides utilisent un hybride de disques en rotation et de mémoire flash.[92][93] Certains SSD utilisent une mémoire magnétorésistive à accès aléatoire (MRAM) pour stocker les données.[94][95]

Cache ou tampon[[Éditer]

Un SSD basé sur flash utilise généralement une petite quantité de DRAM comme cache volatile, similaire aux tampons des disques durs. Un répertoire des données de placement des blocs et de nivellement de l’usure est également conservé dans le cache pendant que le lecteur fonctionne.[60] Un fabricant de contrôleurs SSD, SandForce, n’utilise pas de cache DRAM externe sur ses conceptions, mais atteint toujours des performances élevées. Une telle élimination de la DRAM externe réduit la consommation d’énergie et permet une réduction supplémentaire de la taille des SSD.[96]

Batterie ou supercondensateur[[Éditer]

Un autre composant des SSD plus performants est un condensateur ou une certaine forme de batterie, qui sont nécessaires pour maintenir l’intégrité des données afin que les données du cache puissent être vidées sur le disque en cas de panne de courant; certains peuvent même conserver l’alimentation suffisamment longtemps pour conserver les données dans le cache jusqu’à ce que l’alimentation soit rétablie.[96][97] Dans le cas de la mémoire flash MLC, un problème appelé corruption de page inférieure peut se produire lorsque la mémoire flash MLC perd de la puissance lors de la programmation d’une page supérieure. Le résultat est que les données écrites précédemment et présumées sûres peuvent être corrompues si la mémoire n’est pas prise en charge par un supercondensateur en cas de panne de courant soudaine. Ce problème n’existe pas avec la mémoire flash SLC.[59]

La plupart des SSD grand public n’ont pas de batteries ou de condensateurs intégrés;[98] parmi les exceptions figurent les séries Crucial M500 et MX100,[99] la série Intel 320,[100] et les séries Intel 710 et 730 plus chères.[101] SSD de classe entreprise, tels que la série Intel DC S3700,[102] ont généralement des batteries ou des condensateurs intégrés.

Interface hôte[[Éditer]

Un SSD avec 1,2 To de MLC NAND, utilisant PCI Express comme interface hôte[103]

L’interface hôte est physiquement un connecteur dont la signalisation est gérée par le contrôleur du SSD. Il s’agit le plus souvent d’une des interfaces des disques durs. Ils comprennent:

Les SSD prennent en charge diverses interfaces de périphériques logiques, telles que l’interface de contrôleur d’hôte avancé (AHCI) et NVM Express (NVMe). Les interfaces de périphérique logique définissent les jeux de commandes utilisés par les systèmes d’exploitation pour communiquer avec les SSD et les adaptateurs de bus hôte (HBA).

Configurations[[Éditer]

La taille et la forme de tout appareil dépendent en grande partie de la taille et de la forme des composants utilisés pour fabriquer cet appareil. Les disques durs et les lecteurs optiques traditionnels sont conçus autour du ou des plateaux rotatifs ou du disque optique ainsi que du moteur de la broche à l’intérieur. Si un SSD est composé de divers circuits intégrés (CI) interconnectés et d’un connecteur d’interface, sa forme n’est plus limitée à la forme des lecteurs de supports rotatifs. Certaines solutions de stockage à semi-conducteurs sont fournies dans un châssis plus grand qui peut même être un facteur de forme de montage en rack avec de nombreux SSD à l’intérieur. Ils se connecteraient tous à un bus commun à l’intérieur du châssis et se connecteraient à l’extérieur de la boîte avec un seul connecteur.[4]

Pour une utilisation informatique générale, le facteur de forme de 2,5 pouces (généralement trouvé dans les ordinateurs portables) est le plus populaire. Pour les ordinateurs de bureau dotés de logements de disque dur de 3,5 pouces, une simple plaque d’adaptation peut être utilisée pour adapter un tel lecteur. D’autres types de facteurs de forme sont plus courants dans les applications d’entreprise. Un SSD peut également être complètement intégré dans les autres circuits de l’appareil, comme dans l’Apple MacBook Air (à partir du modèle de l’automne 2010).[111] Depuis 2014, les facteurs de forme mSATA et M.2 ont également gagné en popularité, principalement dans les ordinateurs portables.

Facteurs de forme HDD standard[[Éditer]

Un SSD avec un facteur de forme de disque dur de 2,5 pouces, ouvert pour montrer l’électronique à semi-conducteurs

L’avantage d’utiliser un facteur de forme de disque dur actuel serait de profiter de la vaste infrastructure déjà en place pour monter et connecter les disques au système hôte.[4][112] Ces facteurs de forme traditionnels sont connus par la taille du support rotatif, par exemple 5,25 pouces, 3,5 pouces, 2,5 pouces, 1,8 pouces, et non par les dimensions du boîtier de lecteur.[113]

Facteurs de forme de carte standard[[Éditer]

Pour les applications où l’espace est limité, comme pour les ultrabooks ou les tablettes, quelques facteurs de forme compacts ont été standardisés pour les SSD basés sur flash.

Il y a le facteur de forme mSATA, qui utilise la disposition physique de la mini carte PCI Express. Il reste électriquement compatible avec la spécification d’interface de la carte PCI Express Mini, tout en nécessitant une connexion supplémentaire au contrôleur hôte SATA via le même connecteur.

Le facteur de forme M.2, anciennement connu sous le nom de facteur de forme de nouvelle génération (NGFF), est une transition naturelle de la disposition mSATA et physique utilisée, vers un facteur de forme plus utilisable et plus avancé. Alors que mSATA a profité d’un facteur de forme et d’un connecteur existants, M.2 a été conçu pour maximiser l’utilisation de l’espace de la carte, tout en minimisant l’encombrement. La norme M.2 permet aux SSD SATA et PCI Express d’être montés sur des modules M.2.[114]

Facteurs de forme du disque sur un module[[Éditer]

Un disque sur module de 2 Go avec interface PATA

UNE disque sur module (DOM) est un lecteur flash avec interface parallèle ATA (PATA) ou SATA à 40/44 broches, destiné à être branché directement sur la carte mère et utilisé comme disque dur (HDD). Les périphériques DOM émulent un disque dur traditionnel, ce qui ne nécessite aucun pilote spécial ni autre prise en charge de système d’exploitation spécifique. Les DOM sont généralement utilisés dans les systèmes embarqués, qui sont souvent déployés dans des environnements difficiles où les disques durs mécaniques tomberaient tout simplement en panne, ou dans les clients légers en raison de leur petite taille, de leur faible consommation d’énergie et de leur fonctionnement silencieux.

À partir de 2016, les capacités de stockage varient de 4 Mo à 128 Go avec différentes variations de dispositions physiques, y compris l’orientation verticale ou horizontale.

Facteurs de forme de boîte[[Éditer]

De nombreuses solutions basées sur DRAM utilisent un boîtier souvent conçu pour s’adapter à un système de montage en rack. Le nombre de composants DRAM requis pour obtenir une capacité suffisante pour stocker les données ainsi que les alimentations de secours nécessite un espace plus grand que les facteurs de forme HDD traditionnels.[115]

Facteurs de forme nus[[Éditer]

Les facteurs de forme qui étaient plus communs aux modules de mémoire sont maintenant utilisés par les SSD pour profiter de leur flexibilité dans la disposition des composants. Certains d’entre eux incluent PCIe, mini PCIe, mini-DIMM, MO-297 et bien d’autres.[116] Le SATADIMM de Viking Technology utilise un emplacement DIMM DDR3 vide sur la carte mère pour alimenter le SSD avec un connecteur SATA séparé pour fournir la connexion de données à l’ordinateur. Le résultat est un SSD facile à installer avec une capacité égale aux disques qui prennent généralement une baie de disque de 2,5 pouces.[117] Au moins un fabricant, Innodisk, a produit un lecteur qui se trouve directement sur le connecteur SATA (SATADOM) de la carte mère sans avoir besoin d’un câble d’alimentation.[118] Certains SSD sont basés sur le facteur de forme PCIe et connectent à la fois l’interface de données et l’alimentation via le connecteur PCIe à l’hôte. Ces disques peuvent utiliser des contrôleurs flash PCIe directs[119] ou un périphérique pont PCIe vers SATA qui se connecte ensuite aux contrôleurs flash SATA.[120]

Facteurs de forme du réseau de grille à billes[[Éditer]

Au début des années 2000, quelques sociétés ont introduit des SSD dans des formats BGA (Ball Grid Array), tels que DiskOnChip de M-Systems (maintenant SanDisk)[121] et NANDrive de Silicon Storage Technology[122][123] (maintenant produit par Greenliant Systems) et le M1000 de Memoright[124] pour une utilisation dans les systèmes embarqués. Les principaux avantages des SSD BGA sont leur faible consommation d’énergie, leur petite taille de boîtier pour s’intégrer dans des sous-systèmes compacts et le fait qu’ils peuvent être soudés directement sur une carte mère du système pour réduire les effets néfastes des vibrations et des chocs.[125]

Ces disques intégrés adhèrent souvent aux normes eMMC et eUFS.

Comparaison avec d’autres technologies[[Éditer]

Disques durs[[Éditer]

Benchmark SSD, affichant environ 230 Mo / s de vitesse de lecture (bleu), 210 Mo / s de vitesse d’écriture (rouge) et environ 0,1 ms de temps de recherche (vert), tous indépendants de l’emplacement du disque auquel vous accédez.

Faire une comparaison entre les SSD et les disques durs ordinaires (en rotation) est difficile. Les benchmarks HDD traditionnels ont tendance à se concentrer sur les caractéristiques de performances médiocres des disques durs, telles que la latence de rotation et le temps de recherche. Comme les disques SSD n’ont pas besoin de tourner ou de rechercher des données, ils peuvent s’avérer largement supérieurs aux disques durs dans de tels tests. Cependant, les disques SSD ont des problèmes avec les lectures et les écritures mixtes, et leurs performances peuvent se dégrader avec le temps. Les tests SSD doivent commencer à partir du disque plein (en cours d’utilisation), car le nouveau disque et le disque vide (neuf, prêt à l’emploi) peuvent avoir des performances d’écriture bien meilleures qu’elles ne le montreraient après seulement des semaines d’utilisation.[126]

La plupart des avantages des disques SSD par rapport aux disques durs traditionnels sont dus à leur capacité à accéder aux données de manière entièrement électronique plutôt qu’électromécanique, ce qui se traduit par des vitesses de transfert supérieures et une robustesse mécanique.[127] D’un autre côté, les disques durs offrent une capacité nettement supérieure à leur prix.[3][128]

Certains taux d’échec sur le terrain indiquent que les SSD sont beaucoup plus fiables que les disques durs[129][130] mais d’autres non. Cependant, les SSD sont particulièrement sensibles aux coupures de courant soudaines, entraînant des écritures interrompues ou même des cas de perte complète du lecteur.[131] La fiabilité des disques durs et SSD varie considérablement selon les modèles.[132]

Comme pour les disques durs, il existe un compromis entre le coût et les performances des différents SSD. Les SSD à cellule unique (SLC), bien que beaucoup plus chers que les SSD à plusieurs niveaux (MLC), offrent un avantage de vitesse significatif.[68] Dans le même temps, le stockage à semi-conducteurs basé sur DRAM est actuellement considéré comme le plus rapide et le plus coûteux, avec des temps de réponse moyens de 10 microsecondes au lieu des 100 microsecondes moyennes des autres SSD. Les périphériques flash d’entreprise (EFD) sont conçus pour gérer les demandes des applications de niveau 1 avec des performances et des temps de réponse similaires à ceux des SSD moins chers.[133]

Dans les disques durs traditionnels, un fichier réécrit occupera généralement le même emplacement sur la surface du disque que le fichier d’origine, tandis que dans les disques SSD, la nouvelle copie sera souvent écrite dans différentes cellules NAND à des fins de nivellement d’usure. Les algorithmes de nivellement de l’usure sont complexes et difficiles à tester de manière exhaustive; en conséquence, une des principales causes de perte de données dans les SSD est les bogues du micrologiciel.[134][135]

Le tableau suivant présente un aperçu détaillé des avantages et des inconvénients des deux technologies. Les comparaisons reflètent des caractéristiques typiques et peuvent ne pas s’appliquer à un appareil spécifique.

Comparaison des SSD et HDD basés sur NAND
Attribut ou caractéristique Disque dur Disque dur
Prix ​​par capacité Les SSD sont généralement plus chers que les disques durs et devraient le rester au cours de la prochaine décennie[[a besoin d’une mise à jour].[136]

Prix ​​du SSD au premier trimestre 2018 d’environ 30 cents (US) par gigaoctet sur la base de modèles 4 To.[137]

Les prix ont généralement baissé chaque année et devraient continuer de le faire à partir de 2018.

Prix ​​du disque dur au premier trimestre 2018 d’environ 2 à 3 cents (US) par gigaoctet sur la base de modèles 1 To.[137]

Les prix ont généralement baissé chaque année et devraient continuer de le faire à partir de 2018.

Capacité de stockage En 2018, les SSD étaient disponibles dans des tailles allant jusqu’à 100 To,[138] mais moins coûteux, les modèles de 120 à 512 Go étaient plus courants. En 2018, des disques durs allant jusqu’à 16 To[139] étaient disponibles.
Fiabilité – conservation des données S’ils ne sont pas alimentés, les SSD usés commencent généralement à perdre des données après environ un à deux ans de stockage, en fonction de la température. Les nouveaux disques sont censés conserver les données pendant une dizaine d’années.[8] Les appareils basés sur MLC et TLC ont tendance à perdre des données plus tôt que les appareils basés sur SLC. Les disques SSD ne sont pas adaptés à une utilisation archivistique. S’ils sont conservés dans un environnement sec à basse température, les disques durs peuvent conserver leurs données pendant une très longue période, même sans alimentation. Cependant, les pièces mécaniques ont tendance à se coaguler au fil du temps et le disque ne tourne pas après quelques années de stockage.
Fiabilité – longévité Les disques SSD ne comportent aucune pièce mobile en cas de défaillance mécanique, ils devraient donc en théorie être plus fiables que les disques durs. Cependant, dans la pratique, cela n’est pas clair,[140] voir aussi fiabilité des SSD et modes de défaillance

Chaque bloc d’un SSD basé sur flash ne peut être effacé (et donc écrit) qu’un nombre limité de fois avant de tomber en panne. Les contrôleurs gèrent cette limitation afin que les disques durent plusieurs années dans des conditions normales d’utilisation.[141][142][143][144][145] SSDs based on DRAM do not have a limited number of writes. However the failure of a controller can make an SSD unusable. Reliability varies significantly across different SSD manufacturers and models with return rates reaching 40% for specific drives.[130] Many SSDs critically fail on power outages; a December 2013 survey of many SSDs found that only some of them are able to survive multiple power outages.[146][[needs update?]
A Facebook study found that sparse data layout across an SSD’s physical address space (e.g., non-contiguously allocated data), dense data layout (e.g., contiguous data) and higher operating temperature (which correlates with the power used to transmit data) each lead to increased failure rates among SSDs.[147]

However, SSDs have undergone many revisions that have made them more reliable and long lasting. New SSDs in the market today use power loss protection circuits, wear leveling techniques and thermal throttling to ensure longevity.[148][149]

HDDs have moving parts, and are subject to potential mechanical failures from the resulting wear and tear so in theory should be less reliable than SSDs. However, in practice this is unclear,[140] see also SSD reliability and failure modes

The storage medium itself (magnetic platter) does not essentially degrade from read and write operations.

According to a study performed by Carnegie Mellon University for both consumer and enterprise-grade HDDs, their average failure rate is 6 years, and life expectancy is 9–11 years.[150] However the risk of a sudden, catastrophic data loss can be lower for HDDs.[151]

When stored offline (unpowered in shelf) in long term, the magnetic medium of HDD retains data significantly longer than flash memory used in SSDs.

Start-up time Almost instantaneous; no mechanical components to prepare. May need a few milliseconds to come out of an automatic power-saving mode. Drive spin-up may take several seconds. A system with many drives may need to stagger spin-up to limit peak power drawn, which is briefly high when an HDD is first started.[152]
Sequential access performance In consumer products the maximum transfer rate typically ranges from about 200 MB/s to 3500 MB/s,[153][154][155] depending on the drive. Enterprise SSDs can have multi-gigabyte per second throughput. Once the head is positioned, when reading or writing a continuous track, a modern HDD can transfer data at about 200 MB/s. Data transfer rate depends also upon rotational speed, which can range from 3,600 to 15,000 rpm[156] and also upon the track (reading from the outer tracks is faster). Data transfer speed can be up to 480 MB/s(experimental).[157]
Random access performance[158] Random access time typically under 0.1 ms.[159][160] As data can be retrieved directly from various locations of the flash memory, access time is usually not a big performance bottleneck. Read performance does not change based on where data is stored. In applications, where hard disk drive seeks are the limiting factor, this results in faster boot and application launch times (see Amdahl’s law).[161][152]

SSD technology can deliver rather consistent read/write speed, but when lots of individual smaller blocks are accessed, performance is reduced.
Flash memory must be erased before it can be rewritten to. This requires an excess number of write operations over and above that intended (a phenomenon known as write amplification), which negatively impacts performance.[162]

Read latency time is much higher than SSDs.[163] Random access time ranges from 2.9 (high end server drive) to 12 ms (laptop HDD) due to the need to move the heads and wait for the data to rotate under the magnetic head.[164] Read time is different for every different seek, since the location of the data and the location of the head are likely different. If data from different areas of the platter must be accessed, as with fragmented files, response times will be increased by the need to seek each fragment.[165]
Impact of file system fragmentation There is limited benefit to reading data sequentially (beyond typical FS block sizes, say 4 KB), making fragmentation negligible for SSDs. Defragmentation would cause wear by making additional writes of the NAND flash cells, which have a limited cycle life.[166][167] However, even with SSDs there is a practical limit on how much fragmentation certain file systems can sustain; once that limit is reached, subsequent file allocations fail.[168] Consequently, defragmentation may still be necessary, although to a lesser degree.[168] Some file systems, like NTFS, become fragmented over time if frequently written; periodic defragmentation is required to maintain optimum performance.[169] This is usually not an issue in modern file systems.[[citation requise][[clarification needed]
Noise (acoustic)[170] SSDs have no moving parts and therefore are silent, although, on some SSDs, high pitch noise from the high voltage generator (for erasing blocks) may occur. HDDs have moving parts (heads, actuator, and spindle motor) and make characteristic sounds of whirring and clicking; noise levels vary depending on the RPM, but can be significant (while often much lower than the sound from the cooling fans). Laptop hard drives are relatively quiet.
Temperature control[171] A Facebook study found that at operating temperatures above 40 °C, the failure rate among SSDs increases with temperature. However, this was not the case with newer drives that employ thermal throttling, albeit at a potential cost to performance.[172] In practice, SSDs usually do not require any special cooling and can tolerate higher temperatures than HDDs. High-end enterprise models installed as add-on cards or 2.5-inch bay devices may ship with heat sinks to dissipate generated heat, requiring certain volumes of airflow to operate.[173] Ambient temperatures above 35 °C (95 °F) can shorten the life of a hard disk, and reliability will be compromised at drive temperatures above 55 °C (131 °F). Fan cooling may be required if temperatures would otherwise exceed these values.[174] In practice, modern HDDs may be used with no special arrangements for cooling.
Lowest operating temperature[175] SSDs can operate at −55 °C (−67 °F). Most modern HDDs can operate at 0 °C (32 °F).
Highest altitude when operating[176] SSDs have no issues on this.[177] HDDs can operate safely at an altitude of at most 3,000 meters (10,000 ft). HDDs will fail to operate at altitudes above 12,000 meters (40,000 ft).[178] With the introduction of helium-filled[179][180] (sealed) HDDs, this is expected to be less of an issue.
Moving from a cold environment to a warmer environment SSDs have no issues on this.[[citation requise] A certain amount of acclimation time is needed when moving HDDs from a cold environment to a warmer environment before operating it; otherwise, internal condensation will occur and operating it immediately will result in damage to its internal components.[181]
Breather hole SSDs do not require a breather hole. Most modern HDDs require a breather hole in order to function properly.[178] Helium-filled devices are sealed and do not have a hole.
Susceptibility to environmental factors[161][182][183] No moving parts, very resistant to shock, vibration, movement, and contamination. Heads flying above rapidly rotating platters are susceptible to shock, vibration, movement, and contamination which could damage the medium.
Installation and mounting Not sensitive to orientation, vibration, or shock. Usually no exposed circuitry. Circuitry may be exposed in a card form device and it must not be short-circuited by conductive materials. Circuitry may be exposed, and it must not be short-circuited by conductive materials (such as the metal chassis of a computer). Should be mounted to protect against vibration and shock. Some HDDs should not be installed in a tilted position.[184]
Susceptibility to magnetic fields Low impact on flash memory, but an electromagnetic pulse will damage any electrical system, especially integrated circuits. In general, magnets or magnetic surges may result in data corruption or mechanical damage to the drive internals. Drive’s metal case provides a low level of shielding to the magnetic platters.[185][186][187]
Weight and size[182] SSDs, essentially semiconductor memory devices mounted on a circuit board, are small and lightweight. They often follow the same form factors as HDDs (2.5-inch or 1.8-inch) or are bare PCBs (M.2 and mSATA.) The enclosures on most mainstream models, if any, are made mostly of plastic or lightweight metal. High performance models often have heatsinks attached to the device, or have bulky cases that serves as its heatsink, increasing its weight. HDDs are generally heavier than SSDs, as the enclosures are made mostly of metal, and they contain heavy objects such as motors and large magnets. 3.5-inch drives typically weigh around 700 grams (about 1.5 pounds).
Secure writing limitations NAND flash memory cannot be overwritten, but has to be rewritten to previously erased blocks. If a software encryption program encrypts data already on the SSD, the overwritten data is still unsecured, unencrypted, and accessible (drive-based hardware encryption does not have this problem). Also data cannot be securely erased by overwriting the original file without special “Secure Erase” procedures built into the drive.[188] HDDs can overwrite data directly on the drive in any particular sector. However, the drive’s firmware may exchange damaged blocks with spare areas, so bits and pieces may still be present. Some manufacturers’ HDDs fill the entire drive with zeroes, including relocated sectors, on ATA Secure Erase Enhanced Erase command.[189]
Read/write performance symmetry Less expensive SSDs typically have write speeds significantly lower than their read speeds. Higher performing SSDs have similar read and write speeds. HDDs generally have slightly longer (worse) seek times for writing than for reading.[190]
Free block availability and TRIM SSD write performance is significantly impacted by the availability of free, programmable blocks. Previously written data blocks no longer in use can be reclaimed by TRIM; however, even with TRIM, fewer free blocks cause slower performance.[60][191][192] HDDs are not affected by free blocks and do not benefit from TRIM.
Consommation d’énergie High performance flash-based SSDs generally require half to a third of the power of HDDs. High-performance DRAM SSDs generally require as much power as HDDs, and must be connected to power even when the rest of the system is shut down.[193][194] Emerging technologies like DevSlp can minimize power requirements of idle drives. The lowest-power HDDs (1.8-inch size) can use as little as 0.35 watts when idle.[195] 2.5-inch drives typically use 2 to 5 watts. The highest-performance 3.5-inch drives can use up to about 20 watts.
Maximum areal storage density (Terabits per square inch) 2.8[196] 1.2[196]

Memory cards[[Éditer]

CompactFlash card used as an SSD

While both memory cards and most SSDs use flash memory, they serve very different markets and purposes. Each has a number of different attributes which are optimized and adjusted to best meet the needs of particular users. Some of these characteristics include power consumption, performance, size, and reliability.[197]

SSDs were originally designed for use in a computer system. The first units were intended to replace or augment hard disk drives, so the operating system recognized them as a hard drive. Originally, solid state drives were even shaped and mounted in the computer like hard drives. Later SSDs became smaller and more compact, eventually developing their own unique form factors such as the M.2 form factor. The SSD was designed to be installed permanently inside a computer.[197]

In contrast, memory cards (such as Secure Digital (SD), CompactFlash (CF), and many others) were originally designed for digital cameras and later found their way into cell phones, gaming devices, GPS units, etc. Most memory cards are physically smaller than SSDs, and designed to be inserted and removed repeatedly.[197] There are adapters which enable some memory cards to interface to a computer, allowing use as an SSD, but they are not intended to be the primary storage device in the computer.[[citation requise] The typical CompactFlash card interface is three to four times slower than an SSD.[[citation requise] As memory cards are not designed to tolerate the amount of reading and writing which occurs during typical computer use, their data may get damaged unless special procedures are taken to reduce the wear on the card to a minimum.

SSD failure[[Éditer]

SSDs have very different failure modes from traditional magnetic hard drives. Because of their design, some kinds of failure are inapplicable (motors or magnetic heads cannot fail, because they are not needed in an SSD). Instead, other kinds of failure are possible (for example, incomplete or failed writes due to sudden power failure can be more of a problem than with HDDs, and if a chip fails then all the data on it is lost, a scenario not applicable to magnetic drives). However, on the whole statistics show that SSDs are generally highly reliable, and often continue working far beyond the expected lifetime as stated by their manufacturer.[198]

SSD reliability and failure modes[[Éditer]

An early investigation by Techreport.com that ran from 2013 to 2015 involved a number of flash-based SSDs being tested to destruction to identify how and at what point they failed. The website found that all of the drives “surpassed their official endurance specifications by writing hundreds of terabytes without issue”—volumes of that order being in excess of typical consumer needs.[199] The first SSD to fail was TLC-based, with the drive succeeding in writing over 800,000 GB (800 TB or 0.8 petabytes). Three SSDs in the test wrote three times that amount (almost 2.5 PB) before they too failed.[199] The test demonstrated the remarkable reliability of even consumer-market SSDs.

A 2016 field study based on data collected over six years in Google’s data centre and spanning “millions” of drive days found that the proportion of flash-based SSDs requiring replacement in their first four years of use ranged from 4% to 10% depending on the model. The authors concluded that SSDs fail at a significantly lower rate than hard disk drives.[198] (In contrast, a 2016 evaluation of 71,940 HDDs found failure rates comparable to those of Google’s SSDs: the HDDs had on average an annualized failure rate of 1.95%.)[200] The study also showed, on the down-side, that SSDs experience significantly higher rates of uncorrectable errors (which cause data loss) than do HDDs. It also led to some unexpected results and implications:

  • In the real world, MLC-based designs – believed less reliable than SLC designs – are often as reliable as SLC. (The findings state that “SLC [is] not generally more reliable than MLC”.)
  • Device age, measured by days in use, is the main factor in SSD reliability and not amount of data read or written, which are measured by terabytes written or drive writes per day. This suggests that other aging mechanisms, such as “silicon aging”, are at play. The correlation is significant (around 0.2–0.4).
  • Raw bit error rates (RBER) grow slowly with wear-out—and not exponentially as is often assumed. RBER is not a good predictor of other errors or SSD failure.
  • The uncorrectable bit error rate (UBER) is widely used but is not a good predictor of failure either. However SSD UBER rates are higher than those for HDDs, so although they do not predict failure, they can lead to data loss due to unreadable blocks being more common on SSDs than HDDs. The conclusion states that although more reliable overall, the rate of uncorrectable errors able to impact a user is larger.
  • “Bad blocks in new SSDs are common, and drives with a large number of bad blocks are much more likely to lose hundreds of other blocks, most likely due to die or chip failure. 30–80% of SSDs develop at least one bad block and 2–7% develop at least one bad chip in the first four years of deployment.”
  • There is no sharp increase in errors after the expected lifetime is reached.
  • Most SSDs develop no more than a few bad blocks, perhaps 2–4. SSDs that develop many bad blocks often go on to develop far more (perhaps hundreds), and may be prone to failure. However most drives (99%+) are shipped with bad blocks from manufacture. The finding overall was that bad blocks are common and 30–80% of drives will develop at least one in use, but even a few bad blocks (2–4) is a predictor of up to hundreds of bad blocks at a later time. The bad block count at manufacture correlates with later development of further bad blocks. The report conclusion added that SSDs tended to either have “less than a handful” of bad blocks or “a large number”, and suggested that this might be a basis for predicting eventual failure.
  • Around 2–7% of SSDs will develop bad chips in their first 4 years of use. Over 2/3 of these chips will have breached their manufacturers’ tolerances and specifications, which typically guarantee that no more than 2% of blocks on a chip will fail within its expected write lifetime.
  • 96% of those SSDs that need repair (warranty servicing), need repair only once in their life. Days between repair vary from “a couple of thousand days” to “nearly 15,000 days” depending on the model.

Data recovery and secure deletion[[Éditer]

Solid state drives have set new challenges for data recovery companies, as the way of storing data is non-linear and much more complex than that of hard disk drives. The strategy the drive operates by internally can largely vary between manufacturers, and the TRIM command zeroes the whole range of a deleted file. Wear leveling also means that the physical address of the data and the address exposed to the operating system are different.

As for secure deletion of data, ATA Secure Erase command could be used. A program such as hdparm can be used for this purpose.

Reliability metrics[[Éditer]

le JEDEC Solid State Technology Association (JEDEC) has published standards for reliability metrics:[201]

  • Unrecoverable Bit Error Ratio (UBER)
  • Terabytes Written (TBW) – the number of terabytes that can be written to a drive within its warranty
  • Drive Writes Per Day (DWPD) – the number of times the total capacity of the drive may be written to per day within its warranty

Applications[[Éditer]

Due to their generally prohibitive cost versus HDD’s at the time, until 2009, SSDs were mainly used in those aspects of mission critical applications where the speed of the storage system needed to be as high as possible. Since flash memory has become a common component of SSDs, the falling prices and increased densities have made it more cost-effective for many other applications. For instance, in the distributed computing environment, SSDs can be used as the building block for a distributed cache layer that temporarily absorbs the large volume of user requests to the slower HDD based backend storage system. This layer provides much higher bandwidth and lower latency than the storage system, and can be managed in a number of forms, such as distributed key-value database and distributed file system. On the supercomputers, this layer is typically referred to as burst buffer. With this fast layer, users often experience shorter system response time. Organizations that can benefit from faster access of system data include equity trading companies, telecommunication corporations, and streaming media and video editing firms. The list of applications which could benefit from faster storage is vast.[4]

Flash-based solid-state drives can be used to create network appliances from general-purpose personal computer hardware. A write protected flash drive containing the operating system and application software can substitute for larger, less reliable disk drives or CD-ROMs. Appliances built this way can provide an inexpensive alternative to expensive router and firewall hardware.[[citation requise]

SSDs based on an SD card with a live SD operating system are easily write-locked. Combined with a cloud computing environment or other writable medium, to maintain persistence, an OS booted from a write-locked SD card is robust, rugged, reliable, and impervious to permanent corruption. If the running OS degrades, simply turning the machine off and then on returns it back to its initial uncorrupted state and thus is particularly solid. The SD card installed OS does not require removal of corrupted components since it was write-locked though any written media may need to be restored.

Hard drives caching[[Éditer]

In 2011, Intel introduced a caching mechanism for their Z68 chipset (and mobile derivatives) called Smart Response Technology, which allows a SATA SSD to be used as a cache (configurable as write-through or write-back) for a conventional, magnetic hard disk drive.[202] A similar technology is available on HighPoint’s RocketHybrid PCIe card.[203]

Solid-state hybrid drives (SSHDs) are based on the same principle, but integrate some amount of flash memory on board of a conventional drive instead of using a separate SSD. The flash layer in these drives can be accessed independently from the magnetic storage by the host using ATA-8 commands, allowing the operating system to manage it. For example, Microsoft’s ReadyDrive technology explicitly stores portions of the hibernation file in the cache of these drives when the system hibernates, making the subsequent resume faster.[204]

Dual-drive hybrid systems are combining the usage of separate SSD and HDD devices installed in the same computer, with overall performance optimization managed by the computer user, or by the computer’s operating system software. Examples of this type of system are bcache and dm-cache on Linux,[205] and Apple’s Fusion Drive.

File system support for SSDs[[Éditer]

Typically the same file systems used on hard disk drives can also be used on solid state drives. It is usually expected for the file system to support the TRIM command which helps the SSD to recycle discarded data (support for TRIM arrived some years after SSDs themselves but is now nearly universal). This means that file system does not need to manage wear leveling or other flash memory characteristics, as they are handled internally by the SSD. Some flash file systems using log-based designs (F2FS, JFFS2) help to reduce write amplification on SSDs, especially in situations where only very small amounts of data are changed, such as when updating file-system metadata.

While not a file system feature, operating systems should also aim to align partitions correctly, which avoids excessive read-modify-write cycles. A typical practice for personal computers is to have each partition aligned to start at a 1 MiB (= 1,048,576 bytes) mark, which covers all common SSD page and block size scenarios, as it is divisible by all commonly used sizes – 1 MiB, 512 KiB, 128 KiB, 4 KiB, and 512 B. Modern operating system installation software and disk tools handle this automatically.

Linux[[Éditer]

The ext4, Btrfs, XFS, JFS, and F2FS file systems include support for the discard (TRIM or UNMAP) function.

Kernel support for the TRIM operation was introduced in version 2.6.33 of the Linux kernel mainline, released on 24 February 2010.[206] To make use of it, a file system must be mounted using the discard parameter. Linux swap partitions are by default performing discard operations when the underlying drive supports TRIM, with the possibility to turn them off, or to select between one-time or continuous discard operations.[207][208][209] Support for queued TRIM, which is a SATA 3.1 feature that results in TRIM commands not disrupting the command queues, was introduced in Linux kernel 3.12, released on November 2, 2013.[210]

An alternative to the kernel-level TRIM operation is to use a user-space utility called fstrim that goes through all of the unused blocks in a filesystem and dispatches TRIM commands for those areas. fstrim utility is usually run by cron as a scheduled task. As of November 2013, it is used by the Ubuntu Linux distribution, in which it is enabled only for Intel and Samsung solid-state drives for reliability reasons; vendor check can be disabled by editing file /etc/cron.weekly/fstrim using instructions contained within the file itself.[211]

Since 2010, standard Linux drive utilities have taken care of appropriate partition alignment by default.[212]

Linux performance considerations[[Éditer]

During installation, Linux distributions usually do not configure the installed system to use TRIM and thus the /etc/fstab file requires manual modifications.[213] This is because of the notion that the current Linux TRIM command implementation might not be optimal.[214] It has been proven to cause a performance degradation instead of a performance increase under certain circumstances.[215][216] As of January 2014, Linux sends an individual TRIM command to each sector, instead of a vectorized list defining a TRIM range as recommended by the TRIM specification.[217] This deficiency has existed for years and there are no known plans to eliminate it.

For performance reasons, it is recommended to switch the I/O scheduler from the default CFQ (Completely Fair Queuing) to NOOP or Deadline. CFQ was designed for traditional magnetic media and seek optimizations, thus many of those I/O scheduling efforts are wasted when used with SSDs. As part of their designs, SSDs offer much bigger levels of parallelism for I/O operations, so it is preferable to leave scheduling decisions to their internal logic – especially for high-end SSDs.[218][219]

A scalable block layer for high-performance SSD storage, known as blk-multiqueue ou blk-mq and developed primarily by Fusion-io engineers, was merged into the Linux kernel mainline in kernel version 3.13, released on 19 January 2014. This leverages the performance offered by SSDs and NVM Express, by allowing much higher I/O submission rates. With this new design of the Linux kernel block layer, internal queues are split into two levels (per-CPU and hardware-submission queues), thus removing bottlenecks and allowing much higher levels of I/O parallelization. As of version 4.0 of the Linux kernel, released on 12 April 2015, VirtIO block driver, the SCSI layer (which is used by Serial ATA drivers), device mapper framework, loop device driver, unsorted block images (UBI) driver (which implements erase block management layer for flash memory devices) and RBD driver (which exports Ceph RADOS objects as block devices) have been modified to actually use this new interface; other drivers will be ported in the following releases.[220][221][222][223][224]

macOS[[Éditer]

Versions since Mac OS X 10.6.8 (Snow Leopard) support TRIM but only when used with an Apple-purchased SSD.[225] TRIM is not automatically enabled for third-party drives, although it can be enabled by using third-party utilities such as Trim Enabler. The status of TRIM can be checked in the System Information application or in the system_profiler command-line tool.

Versions since OS X 10.10.4 (Yosemite) include sudo trimforce enable as a Terminal command that enables TRIM on non-Apple SSDs.[226] There is also a technique to enable TRIM in versions earlier than Mac OS X 10.6.8, although it remains uncertain whether TRIM is actually utilized properly in those cases.[227]

Microsoft Windows[[Éditer]

Versions of Microsoft Windows before 7 do not take any special measures to support solid state drives. Starting from Windows 7, the standard NTFS file system provides TRIM support (other file systems on Windows do not support TRIM[228]).

By default, Windows 7 and newer versions execute TRIM commands automatically if the device is detected to be a solid-state drive. To change this behavior, in the Registry key HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetControlFileSystem the value DisableDeleteNotification can be set to 1 to prevent the mass storage driver from issuing the TRIM command. This can be useful in situations where data recovery is preferred over wear leveling (in most cases, TRIM irreversibly resets all freed space).[229]

Windows implements TRIM command for more than just file-delete operations. The TRIM operation is fully integrated with partition- and volume-level commands like format et delete, with file system commands relating to truncate and compression, and with the System Restore (also known as Volume Snapshot) feature.[230]

Windows Vista[[Éditer]

Windows Vista generally expects hard disk drives rather than SSDs.[231][232] Windows Vista includes ReadyBoost to exploit characteristics of USB-connected flash devices, but for SSDs it only improves the default partition alignment to prevent read-modify-write operations that reduce the speed of SSDs. Most SSDs are typically split into 4 KiB sectors, while most systems are based on 512 byte sectors with their default partition setups unaligned to the 4 KiB boundaries.[233] The proper alignment does not help the SSD’s endurance over the life of the drive; however, some Vista operations, if not disabled, can shorten the life of the SSD.

Drive defragmentation should be disabled because the location of the file components on an SSD doesn’t significantly impact its performance, but moving the files to make them contiguous using the Windows Defrag routine will cause unnecessary write wear on the limited number of P/E cycles on the SSD. The Superfetch feature will not materially improve the performance of the system and causes additional overhead in the system and SSD, although it does not cause wear.[234] Windows Vista does not send the TRIM command to solid state drives, but some third part utilities such as SSD Doctor will periodically scan the drive and TRIM the appropriate entries.[235]

Windows 7[[Éditer]

Windows 7 and later versions have native support for SSDs.[230][236] The operating system detects the presence of an SSD and optimizes operation accordingly. For SSD devices Windows disables SuperFetch and ReadyBoost, boot-time and application prefetching operations.[[citation requise] Despite the initial statement by Steven Sinofsky before the release of Windows 7,[230] however, defragmentation is not disabled, even though its behavior on SSDs differs.[168] One reason is the low performance of Volume Shadow Copy Service on fragmented SSDs.[168] The second reason is to avoid reaching the practical maximum number of file fragments that a volume can handle. If this maximum is reached, subsequent attempts to write to the drive will fail with an error message.[168]

Windows 7 also includes support for the TRIM command to reduce garbage collection for data which the operating system has already determined is no longer valid. Without support for TRIM, the SSD would be unaware of this data being invalid and would unnecessarily continue to rewrite it during garbage collection causing further wear on the SSD. It is beneficial to make some changes that prevent SSDs from being treated more like HDDs, for example cancelling defragmentation, not filling them to more than about 75% of capacity, not storing frequently written-to files such as log and temporary files on them if a hard drive is available, and enabling the TRIM process.[237][238]

Windows 8.1[[Éditer]

Windows 8.1 and later Windows systems like Windows 10 also support automatic TRIM for PCI Express SSDs based on NVMe. For Windows 7, the KB2990941 update is required for this functionality and needs to be integrated into Windows Setup using DISM if Windows 7 has to be installed on the NVMe SSD. Windows 8/8.1 also support the SCSI unmap command for USB-attached SSDs or SATA-to-USB enclosures. SCSI Unmap is a full analog of the SATA TRIM command. It is also supported over USB Attached SCSI Protocol (UASP).

The graphical Windows Disk Defagmenter in Windows 8.1 also recognizes SSDs distinctly from hard disk drives in a separate Media Type colonne. While Windows 7 supported automatic TRIM for internal SATA SSDs, Windows 8.1 and Windows 10 support manual TRIM (via an “Optimize” function in Disk Defragmenter) as well as automatic TRIM for SATA, NVMe and USB-attached SSDs.

ZFS[[Éditer]

Solaris as of version 10 Update 6 (released in October 2008), and recent[[when?] versions of OpenSolaris, Solaris Express Community Edition, Illumos, Linux with ZFS on Linux, and FreeBSD all can use SSDs as a performance booster for ZFS. A low-latency SSD can be used for the ZFS Intent Log (ZIL), where it is named the SLOG. This is used every time a synchronous write to the drive occurs. An SSD (not necessarily with a low-latency) may also be used for the level 2 Adaptive Replacement Cache (L2ARC), which is used to cache data for reading. When used either alone or in combination, large increases in performance are generally seen.[239]

FreeBSD[[Éditer]

ZFS for FreeBSD introduced support for TRIM on September 23, 2012.[240] The code builds a map of regions of data that were freed; on every write the code consults the map and eventually removes ranges that were freed before, but are now overwritten. There is a low-priority thread that TRIMs ranges when the time comes.

Also the Unix File System (UFS) supports the TRIM command.[241]

Swap partitions[[Éditer]

  • According to Microsoft’s former Windows division president Steven Sinofsky, “there are few files better than the pagefile to place on an SSD”.[242] According to collected telemetry data, Microsoft had found the pagefile.sys to be an ideal match for SSD storage.[242]
  • Linux swap partitions are by default performing TRIM operations when the underlying block device supports TRIM, with the possibility to turn them off, or to select between one-time or continuous TRIM operations.[207][208][209]
  • If an operating system does not support using TRIM on discrete swap partitions, it might be possible to use swap files inside an ordinary file system instead. For example, OS X does not support swap partitions; it only swaps to files within a file system, so it can use TRIM when, for example, swap files are deleted.[[citation requise]
  • DragonFly BSD allows SSD-configured swap to also be used as file system cache.[243] This can be used to boost performance on both desktop and server workloads. The bcache, dm-cache, and Flashcache projects provide a similar concept for the Linux kernel.[244]

Standardization organizations[[Éditer]

The following are noted standardization organizations and bodies that work to create standards for solid-state drives (and other computer storage devices). The table below also includes organizations which promote the use of solid-state drives. This is not necessarily an exhaustive list.

Organization or committee Subcommittee of: Purpose
INCITS N / A Coordinates technical standards activity between ANSI in the US and joint ISO/IEC committees worldwide
T10 INCITS SCSI
T11 INCITS FC
T13 INCITS ATA
JEDEC N / A Develops open standards and publications for the microelectronics industry
JC-64.8 JEDEC Focuses on solid-state drive standards and publications
NVMHCI N / A Provides standard software and hardware programming interfaces for nonvolatile memory subsystems
SATA-IO N / A Provides the industry with guidance and support for implementing the SATA specification
SFF Committee N / A Works on storage industry standards needing attention when not addressed by other standards committees
SNIA N / A Develops and promotes standards, technologies, and educational services in the management of information
SSSI SNIA Fosters the growth and success of solid state storage

Commercialization[[Éditer]

Disponibilité[[Éditer]

Solid-state drive technology has been marketed to the military and niche industrial markets since the mid-1990s.[245]

Along with the emerging enterprise market, SSDs have been appearing in ultra-mobile PCs and a few lightweight laptop systems, adding significantly to the price of the laptop, depending on the capacity, form factor and transfer speeds. For low-end applications, a USB flash drive may be obtainable for anywhere from $10 to $100 or so, depending on capacity and speed; alternatively, a CompactFlash card may be paired with a CF-to-IDE or CF-to-SATA converter at a similar cost. Either of these requires that write-cycle endurance issues be managed, either by refraining from storing frequently written files on the drive or by using a flash file system. Standard CompactFlash cards usually have write speeds of 7 to 15 MB/s while the more expensive upmarket cards claim speeds of up to 60 MB/s.

The first flash-memory SSD based PC to become available was the Sony Vaio UX90, announced for pre-order on 27 June 2006 and began shipping in Japan on 3 July 2006 with a 16 GB flash memory hard drive.[246] In late September 2006 Sony upgraded the SSD in the Vaio UX90 to 32 GB.[247]

One of the first mainstream releases of SSD was the XO Laptop, built as part of the One Laptop Per Child project. Mass production of these computers, built for children in developing countries, began in December 2007. These machines use 1,024 MiB SLC NAND flash as primary storage which is considered more suitable for the harsher than normal conditions in which they are expected to be used. Dell began shipping ultra-portable laptops with SanDisk SSDs on April 26, 2007.[248] Asus released the Eee PC subnotebook on October 16, 2007, with 2, 4 or 8 gigabytes of flash memory.[249] On January 31, 2008, Apple released the MacBook Air, a thin laptop with an optional 64 GB SSD. The Apple Store cost was $999 more for this option, as compared with that of an 80 GB 4200 RPM hard disk drive.[250] Another option, the Lenovo ThinkPad X300 with a 64 gigabyte SSD, was announced by Lenovo in February 2008.[251] On August 26, 2008, Lenovo released ThinkPad X301 with 128 GB SSD option which adds approximately $200 US.[252]

In 2008, low-end netbooks appeared with SSDs. In 2009, SSDs began to appear in laptops.[248][250]

On January 14, 2008, EMC Corporation (EMC) became the first enterprise storage vendor to ship flash-based SSDs into its product portfolio when it announced it had selected STEC, Inc.’s Zeus-IOPS SSDs for its Symmetrix DMX systems.[253] In 2008, Sun released the Sun Storage 7000 Unified Storage Systems (codenamed Amber Road), which use both solid state drives and conventional hard drives to take advantage of the speed offered by SSDs and the economy and capacity offered by conventional HDDs.[254]

Dell began to offer optional 256 GB solid state drives on select notebook models in January 2009.[255][256] In May 2009, Toshiba launched a laptop with a 512 GB SSD.[257][258]

Since October 2010, Apple’s MacBook Air line has used a solid state drive as standard.[259] In December 2010, OCZ RevoDrive X2 PCIe SSD was available in 100 GB to 960 GB capacities delivering speeds over 740 MB/s sequential speeds and random small file writes up to 120,000 IOPS.[260] In November 2010, Fusion-io released its highest performing SSD drive named ioDrive Octal utilising PCI-Express x16 Gen 2.0 interface with storage space of 5.12 TB, read speed of 6.0 GB/s, write speed of 4.4 GB/s and a low latency of 30 microseconds. It has 1.19 M Read 512 byte IOPS and 1.18 M Write 512 byte IOPS.[261]

In 2011, computers based on Intel’s Ultrabook specifications became available. These specifications dictate that Ultrabooks use an SSD. These are consumer-level devices (unlike many previous flash offerings aimed at enterprise users), and represent the first widely available consumer computers using SSDs aside from the MacBook Air.[262] At CES 2012, OCZ Technology demonstrated the R4 CloudServ PCIe SSDs capable of reaching transfer speeds of 6.5 GB/s and 1.4 million IOPS.[263] Also announced was the Z-Drive R5 which is available in capacities up to 12 TB, capable of reaching transfer speeds of 7.2 GB/s and 2.52 million IOPS using the PCI Express x16 Gen 3.0.[264]

In December 2013, Samsung introduced and launched the industry’s first 1 TB mSATA SSD.[265] In August 2015, Samsung announced a 16 TB SSD, at the time the world’s highest-capacity single storage device of any type.[266]

While a number of companies offer SSD devices as of 2018 only five of the companies that offer them actually manufacture the Nand Flash devices[267] that are the storage element in SSDs.

Quality and performance[[Éditer]

In general, performance of any particular device can vary significantly in different operating conditions. For example, the number of parallel threads accessing the storage device, the I/O block size, and the amount of free space remaining can all dramatically change the performance (i.e. transfer rates) of the device.[268]

SSD technology has been developing rapidly. Most of the performance measurements used on disk drives with rotating media are also used on SSDs. Performance of flash-based SSDs is difficult to benchmark because of the wide range of possible conditions. In a test performed in 2010 by Xssist, using IOmeter, 4 kB random 70% read/30% write, queue depth 4, the IOPS delivered by the Intel X25-E 64 GB G1 started around 10,000 IOPs, and dropped sharply after 8 minutes to 4,000 IOPS, and continued to decrease gradually for the next 42 minutes. IOPS vary between 3,000 and 4,000 from around 50 minutes onwards for the rest of the 8+ hour test run.[269]

Designers of enterprise-grade flash drives try to extend longevity by increasing over-provisioning and by employing wear leveling.[270]

Ventes[[Éditer]

SSD shipments were 11 million units in 2009,[271] 17.3 million units in 2011[272] for a total of US$5 billion,[273] 39 million units in 2012, and were expected to rise to 83 million units in 2013[274]
to 201.4 million units in 2016[272] and to 227 million units in 2017.[275]

Revenues for the SSD market (including low-cost PC solutions) worldwide totalled $585 million in 2008, rising over 100% from $259 million in 2007.[276]

Voir également[[Éditer]

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Lectures complémentaires[[Éditer]

  • “Solid-state revolution: in-depth on how SSDs really work”. Lee Hutchinson. Ars Technica. June 4, 2012.
  • Mai Zheng, Joseph Tucek, Feng Qin, Mark Lillibridge, “Understanding the Robustness of SSDs under Power Fault”, FAST’13
  • Cheng Li, Philip Shilane, Fred Douglis, Hyong Shim, Stephen Smaldone, Grant Wallace, “Nitro: A Capacity-Optimized SSD Cache for Primary Storage”, USENIX ATC’14

Liens externes[[Éditer]

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