Come funzionano le unità a stato solido

Da allora, i dischi rigidi sono diventati più piccoli, più capienti e, per fortuna, meno costosi. Ad esempio, il disco rigido del laptop Seagate Momentus, con un fattore di forma di soli 2,5 pollici (6,4 centimetri), offre 750 gigabyte di spazio di archiviazione per meno di $ 100. Ma anche con tecnologie di protezione avanzate, l'unità Momentus, come tutti gli HDD, può bloccarsi e bruciarsi, portando con sé dati preziosi. Questo perché i dischi rigidi hanno parti meccaniche che possono guastarsi. Lascia cadere un laptop e le testine di lettura-scrittura possono toccare i piatti rotanti. Ciò si traduce quasi sempre in una grave perdita di dati.

Fortunatamente, un nuovo tipo di unità per computer potrebbe causare arresti anomali obsoleti come il tuo Apple IIe. Conosciuto come unità a stato solido o SSD , utilizza chip semiconduttori, non supporti magnetici, per archiviare i dati. Il tuo computer è già dotato di chip, ovviamente. La scheda madre ne contiene alcuni che ospitano la memoria di sistema del tuo dispositivo, o RAM , che è il luogo in cui le informazioni vengono archiviate ed elaborate quando il computer è in esecuzione. I tipi di computer si riferiscono a tale memoria come memoria volatile perché evapora non appena la macchina perde energia. I chip utilizzati in un'unità a stato solido forniscono memoria non volatile, il che significa che i dati rimangono inseriti anche senza alimentazione. Anche i chip SSD non si trovano sulla scheda madre. Hanno la loro casa in un'altra parte del computer. In effetti, potresti rimuovere il disco rigido del tuo laptop e sostituirlo con un'unità a stato solido, senza intaccare nessun altro componente essenziale.

Ma perché vorresti? E che aspetto avrebbe esattamente l'unità: un circuito stampato verde o una scatola di metallo spazzolato che ricorda un disco rigido tradizionale? Risponderemo a queste domande nelle pagine seguenti, ma prima di dare un nuovo look alla tua macchina, esaminiamo alcune nozioni di base sull'informatica.

1. Che cos'è un'unità a stato solido?
2. Come le unità a stato solido salvano i dati
3. Venduto su SSD: vantaggi delle unità a stato solido
4. Non venduto su SSD: svantaggi delle unità a stato solido
5. Nota dell'autore

Nel gergo dei computer, c'è una differenza tra memoria e archiviazione. La memoria ad accesso casuale, o RAM (o semplicemente memoria), contiene il programma che un computer sta eseguendo, così come tutti i dati. Come la memoria a breve termine di una persona, la RAM è fugace e richiede energia per svolgere il suo lavoro. Lo spazio di archiviazione, d'altra parte, contiene tutte le cose della tua vita digitale: app, file, foto e musica. Mantiene quella roba anche se l'alimentazione è spenta. Sia la RAM che lo spazio di archiviazione vantano la loro capacità in base al numero di byte che possono contenere. Per un computer moderno, la RAM è in genere disponibile in 4, 6 o 8 gigabyte. Lo storage può avere una capacità quasi 100 volte superiore: il disco rigido di un laptop tipico, ad esempio, può contenere 500 gigabyte.

Ecco dove diventa un po' appiccicoso. Alcuni dispositivi di archiviazione hanno quella che viene definita memoria flash , un termine confuso che offusca il confine tra RAM e spazio di archiviazione. I dispositivi con memoria flash conservano ancora molte informazioni e lo fanno indipendentemente dal fatto che l'alimentazione sia accesa o meno. Ma a differenza dei dischi rigidi, che contengono piatti rotanti e bracci simili a giradischi con testine di lettura e scrittura, i dispositivi di memoria flash non hanno parti meccaniche. Sono costruiti con transistor e altri componenti che potresti trovare su un chip di computer. Di conseguenza, godono di un'etichetta - stato solido - riservata ai dispositivi che sfruttano le proprietà dei semiconduttori.

Esistono due tipi di memoria flash: NOR e NAND. Entrambi contengono celle -- transistor -- in una griglia, ma il cablaggio tra le celle è diverso. In NOR flash , le celle sono cablate in parallelo. Nella flash NAND, le celle sono cablate in serie. Poiché le cellule NOR contengono più fili, sono più grandi e più complesse. Le celle NAND richiedono meno fili e possono essere imballate su un chip con una densità maggiore. Di conseguenza, la memoria flash NAND è meno costosa e può leggere e scrivere dati molto più rapidamente. Ciò rende il flash NAND una tecnologia di archiviazione ideale e spiega perché è il tipo di memoria predominante nelle unità a stato solido. Il flash NOR è ideale per applicazioni di sola lettura a bassa densità, ad alta velocità, come quelle nelle applicazioni di memorizzazione del codice.

Grazie a questo background, possiamo offrire una definizione più precisa di unità a stato solido: è un dispositivo che utilizza la memoria flash NAND per fornire memoria non volatile e riscrivibile. Nei computer, un'unità a stato solido può essere utilizzata come dispositivo di archiviazione, sostituendo il tradizionale disco rigido. In effetti, i produttori producono SSD con forme e impronte che ricordano gli HDD in modo che le due tecnologie possano essere utilizzate in modo intercambiabile. Ma è qui che finiscono le somiglianze. Se aprissi il guscio di un'unità a stato solido, non vedresti piatti e bracci dell'attuatore. Facciamolo dopo.

Memory Stick e Thumbdrive

Se la memoria flash suona vagamente familiare, probabilmente hai almeno una o due chiavette USB - o memory stick - nella borsa del computer. I piccoli dispositivi, che hanno una capacità sorprendentemente grande e consentono di trasferire rapidamente i dati tra le macchine, sono conosciuti ufficialmente come unità flash USB. Usano la stessa tecnologia flash NAND e, in molti modi, possono essere considerati i predecessori degli odierni dispositivi di archiviazione a stato solido.

All'esterno, le unità a stato solido sembrano proprio come gli HDD. Sono di forma rettangolare, ricoperti da un involucro di metallo spazzolato e dimensionati per adattarsi ai fattori di forma standard del settore per i dischi rigidi, in genere da 2,5 e 3,5 pollici (6,4 e 8,9 centimetri). Ma sotto l'esterno argentato, troverai una serie di chip organizzati su una scheda, senza supporti magnetici o ottici in vista. Gran parte di quella roba potrebbe stare in uno spazio più piccolo, ma i produttori di SSD vestono i loro componenti in "alloggi" extra per assicurarsi che si adattino agli slot per unità esistenti di laptop e PC desktop .

Rispetto alla semplicità assoluta di un disco a stato solido, le parti interne di un disco rigido sono una meraviglia di movimento, suono e attività. I piatti rotondi, disposti su un mandrino, possono girare a 7.200 giri al minuto. Un braccio attuatore, che si dirama in più testine di lettura-scrittura, corre sui piatti a velocità troppo veloci per essere viste. Il braccio si collega al blocco attuatore, che contiene le istruzioni per lo spostamento delle testine di lettura-scrittura. Quando queste istruzioni vengono richiamate, a volte fino a 50 volte al secondo, il braccio ruota a un'estremità e muove le teste all'unisono sui piatti. Una volta che una testa arriva in una determinata posizione su un piatto, un elettromagnete produce un campo magnetico, che allinea i domini che trasportano dati nella traccia sottostante. Ciascun dominio può essere allineato in una delle due possibili direzioni: 1 o 0. Quando questi allineamenti cambiano, formano schemi che corrispondono a blocchi discreti di informazioni digitali.

Il flash NAND di un'unità a stato solido memorizza i dati in modo diverso. Ricordiamo che il flash NAND ha transistor disposti in una griglia con colonne e righe. Se una catena di transistor conduce corrente, ha il valore 1. Se non conduce corrente, è 0. All'inizio, tutti i transistor sono impostati su 1. Ma quando inizia un'operazione di salvataggio, la corrente viene bloccata su alcuni transistor, portandoli a 0. Ciò si verifica a causa della disposizione dei transistor. Ad ogni intersezione di colonna e riga, due transistor formano una cella. Uno dei transistor è noto come gate di controllo , l'altro come gate flottante. Quando la corrente raggiunge il gate di controllo, gli elettroni fluiscono sul gate flottante, creando una carica netta positiva che interrompe il flusso di corrente. Applicando tensioni precise ai transistor, emerge uno schema unico di 1s e 0s.

Il flash NAND è disponibile in due versioni in base a quanti 1 e 0 possono essere archiviati in ciascuna cella. La NAND a cella a livello singolo ( SLC ) memorizza un bit - 1 o 0 - per cella. Multi-level cell ( MLC ) NAND memorizza due bit per cella. Il flash MLC offre una capacità maggiore, ma si consuma più rapidamente (sì, si consuma -- lo tratteremo più in dettaglio in un paio di pagine). Tuttavia, è meno costoso per gigabyte rispetto a SLC e, di conseguenza, è la tecnologia preferita in quasi tutti gli SSD di livello consumer.

Il costo è stato uno dei maggiori ostacoli della memoria flash e, di conseguenza, delle unità a stato solido. Ma negli ultimi anni i costi sono diminuiti notevolmente. Allo stesso tempo, i progressi nello sviluppo delle flash NAND hanno preso ciò che c'è di buono nella tecnologia e l'hanno resa ancora migliore. Successivamente, esamineremo i vantaggi delle unità a stato solido.

Hai investito in un laptop top di gamma con un disco rigido da 500 gigabyte e funziona alla grande. Hai tutte le tue foto e i tuoi video, la tua intera libreria musicale, cinque romanzi semifiniti e un'infinità di applicazioni impacchettate sui piatti dell'unità. Perché dovresti considerare di sostituire l'HDD con un'unità a stato solido? Papà non diceva sempre: "Se non è rotto, non aggiustarlo"?

Forse papà non possedeva nessun disco rigido. La dura realtà è che gli HDD possono e falliscono, spesso più frequentemente di quanto le loro specifiche tecniche sembrerebbero suggerire. Ad esempio, i produttori di dischi rigidi valutano l'affidabilità dei loro prodotti utilizzando una misura nota come tempo medio tra guasti o MTBF. Un tipico disco rigido di consumo ha una valutazione MTBF di 500.000 ore, il che significa che, in un campione di unità testate, si verificherebbe un guasto ogni 500.000 ore di test. È un fallimento ogni 57 anni, il che suona abbastanza bene, giusto? Sfortunatamente, i punteggi MTBF sono fuorvianti. Provengono da una valutazione statistica basata su una piccola dimensione del campione e un breve lasso di tempo. In realtà, dovresti anche considerare la garanzia e la durata di servizio di un tipico HDD (da tre a cinque anni circa), insieme al punteggio MTBF. Poiché non hanno parti mobili, gli SSD possono offrire una maggiore affidabilità. Possono valutare fino a 2,5 milioni di ore MTBF, il che probabilmente significa qualche anno in più aggiunto alla durata del dispositivo.

Un affare ancora più grande sono le prestazioni delle unità a stato solido rispetto agli HDD. Senza teste mobili e piatti rotanti, gli SSD possono accedere a un dato con la stessa rapidità di qualsiasi altro pezzo, anche se non si trovano nelle stesse vicinanze. La velocità del dispositivo si manifesta in tutte le attività chiave della CPU, dall'avvio del software di sistema all'apertura dei file alla lettura e scrittura dei dati. I seguenti punti elenco confrontano SSD e HDD su queste attività critiche:

Tempo di avvio (Windows 7): 22 secondi (SSD), 40 secondi (HDD)

Velocità di lettura-scrittura dei dati : 510-550 megabyte al secondo (SSD), 50-150 megabyte al secondo (HDD)

Velocità di apertura del file Excel : 4 secondi (SSD), 14 secondi (HDD)

Tutto questo si somma. Anche un utente occasionale noterà un notevole aumento delle prestazioni di un computer dotato di SSD. Ma un utente esperto sentirà davvero la differenza. I progettisti di giochi , gli animatori e altre persone che realizzano file di output di grandi dimensioni sono stati i primi ad adottare gli SSD solo a causa del tempo cumulativo che potevano risparmiare leggendo e scrivendo file di grandi dimensioni. Oggi, i giocatori, i fotografi e chiunque modifichi file grafici o video apprezzeranno l'aumento di velocità offerto da un'unità a stato solido.

Infine, gli SSD consumano molta meno energia rispetto ai tradizionali dischi rigidi, il che significa che preservano la durata della batteria e rimangono più freschi. Sono anche super silenziosi, senza il ronzio e il clic che si ottengono con gli HDD. Lo apprezzerai di più se sei un viaggiatore frequente e spesso hai il computer appollaiato sulle ginocchia, ma anche se il tuo laptop rimane agganciato per la maggior parte del tempo, una macchina più fresca e silenziosa può fare una notevole differenza nel comfort del tuo spazio di lavoro.

Naturalmente, nessuna tecnologia è perfetta e gli SSD sono tutt'altro. Nella pagina successiva, esamineremo gli aspetti negativi del flash NAND e perché una combinazione di tecnologie potrebbe essere la soluzione migliore.

Scambiare il tuo disco rigido con un disco a stato solido sembra un gioco da ragazzi. Ma prima di effettuare il passaggio, dovresti comprendere i limiti degli SSD. Come il costo. Anche se i prezzi sono diminuiti costantemente, la memoria flash NAND è ancora costosa. Ad esempio, per ottenere 240 gigabyte di spazio di archiviazione su un SSD PNY Prevail, potresti sborsare $ 280. Questo è $ 1,17 per gigabyte. L'HDD Western Digital Scorpio Blue, d'altra parte, ti offre 250 gigabyte di spazio di archiviazione per circa $ 65. Risulta essere $ 0,26 per gigabyte.

Poi c'è il problema della longevità. La flash NAND utilizzata negli SSD può essere utilizzata solo per un numero finito di scritture. Come mai? Perché gli SSD non possono scrivere un singolo bit di informazioni senza prima cancellare e poi riscrivere blocchi di dati molto grandi contemporaneamente. Ogni volta che una cella attraversa un ciclo di cancellazione, viene lasciata una carica nel transistor a gate flottante, che cambia la sua resistenza. All'aumentare della resistenza, la quantità di corrente richiesta per cambiare il gate aumenta. Alla fine, il cancello non può essere ribaltato affatto, rendendolo inutile. Questo processo di decadimento non influisce sulle capacità di lettura dell'SSD, perché la lettura richiede solo il controllo, non la modifica, delle tensioni delle celle. Di conseguenza, il flash NAND può "marcire" in uno stato di sola lettura.

Alcuni produttori usano qualcosa chiamato wear-leveling per contrastare il degrado del flash NAND. Questa tecnica distribuisce le scritture dei dati su tutti i blocchi per assicurarsi che la memoria flash si consumi in modo uniforme, ma anche in questo caso, gli SSD decadranno nel tempo. La memoria flash NAND della varietà di celle a livello singolo fornisce generalmente 50.000 cicli di programma/cancellazione. Il lampo della varietà cellulare multilivello, il tipo utilizzato nei prodotti di livello consumer, si consuma dopo circa 5.000 cicli.

Per questo motivo, molti data center e tecnici utilizzano una combinazione di SSD e HDD. Un approccio consiste nell'utilizzare un'unità a stato solido in un laptop e un disco rigido tradizionale come memoria esterna per contenere musica, foto e altri file. Questo combina il meglio di entrambi i mondi: l'accesso casuale e ultraveloce ai dati dell'SSD con l'elevata capacità relativamente economica dell'HDD. Se questo ti suona bene, ti consigliamo di iniziare ad acquistare un'unità a stato solido adatta. I principali produttori includono Samsung, Seagate, SanDisk, PNY, Toshiba e OCZ Technology. E non dimenticare Intel, che offre una solida linea di unità, oltre a diversi strumenti per aiutarti a scegliere la tecnologia giusta e calcolare quanto tempo e denaro puoi risparmiare se passi a SSD.

Lavorare su questo articolo mi ha riportato all'università di informatica, dove abbiamo imparato a conoscere bit, byte e, naturalmente, memoria. Allora, mi sono seduto davanti a un Commodore 64 (ovvero 64 kilobyte di RAM) con un'unità floppy esterna da 5,25 pollici! Amico, quanto siamo arrivati.

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Fonti