20 let změn u SSD disků. Kdysi extravagance, dnes základní vybavení

Dnes si již nikdo nedokáže představit počítač bez SSD, ale nebylo tomu tak vždy. V prvních letech existence se první SSD objevovaly za astronomické ceny a byly jen kuriozitou, ale v následujících letech se situace změnila.

První pokusy s SSD (které se sice měly nazývat média, ale trh přijal termín disk) se datují do roku 1976, kdy firma Dataram uvedla na trh disk Bulk Core s kapacitou 2 MB, která 10 000krát překonávala výkon klasických HDD. Tento však tehdy stál 9700 dolarů, což by dnes znamenalo téměř 18 000 dolarů, v přepočtu cca 442 tisíc Kč. Je však třeba poznamenat, že se jednalo o konstrukce založené na paměti RAM, takže při výpadku napájení (používaly se baterie) se data neuchovávala.

Kořeny dnešních SSD disků lze naopak hledat v roce 1995, kdy izraelská společnost M-Systems (později pohlcená společností SanDisk) představila konstrukci založenou na paměti flash, která neztrácí data po výpadku proudu. Jednalo se o paměti NOR a NAND, které se lišily typem logického hradla použitého v paměťových buňkách, přičemž druhý typ se stal nejoblíbenějším.

Disky řady FFD-350 od společnosti M-Systems v 3,5palcovém formátu s rozhraním SCSI byly nabízeny v kapacitách od 16 do 896 MB a stály tisíce až desetitisíce dolarů za kus (cca desítky až stovky tisíc Kč). Z tohoto důvodu se používaly především v obranném a leteckém průmyslu, stejně jako pozdější řešení od konkurence.

Zrod spotřebitelských SSD disků

Spotřebitelské SSD disky s rozhraním SATA ve formátu 2,5 palce se začaly ve světě objevovat po roce 2006, a to zpočátku v kapacitách 32 nebo 64 GB za poněkud absurdní ceny kolem 20 000 Kč. Start systému už netrval minuty, ale sekundy, a nabízely přenosové rychlosti, kterých běžné plotnové disky nedosahovaly.

Hlavní proměnnou, která způsobila tento převrat, však byla přístupová doba, která v případě SSD činí 0,1/0,2 ms. U nejrychlejších pevných disků, jako je WD VelociRaptor (10000 ot./min), které vyžadují chladič, to bylo několik milisekund, takže mluvíme o skutečné propasti. Naštěstí ceny rychle klesaly a v roce 2009 už disky stály méně než 6 000 Kč a první 256GB modely byly k dispozici za více než 16 000 Kč.

Jednalo se o disky vytvořené na destičkách MLC a první modely na destičkách TLC se objevily v roce 2013 v podobě Samsungu 840 EVO, který kromě dobrého výkonu za přijatelnou cenu bohužel přinesl i problémy s poklesem výkonu. Jeho konkurenty byly mimo jiné dobře přijaté Crucial M500, Plextor M5 Pro nebo GoodRam Iridium Pro a jejich revize.

Společnost Samsung se však v roce 2015 výrazně zlepšila s modelem 850 EVO, který ukázal, že 3D TLC může poskytovat srovnatelný výkon jako vlajkové SSD disky založené na MLC. Horší to však bylo s disky používajícími standardní ploché (2D) TLC flash pamětí, které zklamaly svým výkonem (příkladem je řada Crucial BX200).

Když SATA III nestačí – disky s rozhraním PCIe

U SSD disků se ukázalo, že fyzickou překážkou dalšího vývoje je rozhraní SATA, které omezuje výkon na něco málo přes 500 MB/s, takže výrobci začali experimentovat s použitím rozhraní PCI-e. Za tímto účelem byl vyvinut speciální nový konektor NGFF (Next Generation Form Factor), který byl v roce 2013 přejmenován na M.2.

Jednalo se o vývojovou verzi rozhraní mSATA, které bylo známé již od roku 2009 a rozměrově se shodovalo s mini-PCIe, které se mimo jiné používalo k montáži síťových karet do notebooků. M.2 nahradil tyto dva standardy a od roku 2014 se používá na základních deskách s čipovými sadami Intel H97 a Z97. Zpočátku byly pod konektory M.2 podporovány dvě nebo čtyři linky PCIe (klíč B nebo M), ale nakonec se standardem staly čtyři, stejně jako 80mm délka disků.

Proto byly vyvinuty také adaptéry M.2 pro slot PCIe určený pro grafické karty na starších základních deskách a zpočátku se používal protokol AHCI (Advanced Host Controller Interface), který umožňoval přenosy rychlostí až 750 MB/s. Ten byl poměrně rychle nahrazen protokolem NVMe (Non-Volatile Memory Express), který byl od základu navržen pro disky SSD a umožňuje bezproblémové využití linek PCIe.

Pro PCIe 3.0 byl limit šířky pásma 4 GB/s a pro v současnosti populární SSD disky založené na PCIe 4.0 je maximum 8 GB/s. Na obzoru jsou však již disky podporující PCIe 5.0, kde bude limit 16 GB/s.

Stojí za zmínku, že zatímco přechod z HDD na SATA SSD byl obrovským skokem v komfortu, při přechodu ze SATA na PCIe 3.0 je pokrok v každodenních aplikacích mnohem méně znatelný, zatímco přechod z disků PCIe 3.0 na 4.0 ocení především lidé, kteří například přenášejí obrovské databáze nebo profesionálně zpracovávají fotografie či video.

Stále však bude hodně záležet na použitých paměťových blocích, řadiči, protože historie zná případy, kdy byly disky PCIe 4.0 v praktických aplikacích pomalejší než kvalitní kusy PCIe 3.0.

Typy disků

SSD se skládají z FLASH pamětí nebo taky laicky „paměťových blocích“, řadiče a bohužel stále vzácnější přídavné vyrovnávací paměti RAM. SSD disky byly zpočátku vyráběny s pamětí, kterou mnozí považují za svatý grál, SLC (Single-Level Cell), ale až modely založené na MLC (Multi-Level Cell), TLC (Triple-level Cell) a QLC (Quad-level Cell) si získaly oblibu v domácích počítačích. V případě paměťových blocích SLC lze do každé buňky uložit pouze jeden bit, v případě MLC dva bity, v případě TLC a QLC tři, resp. čtyři bity.

Cenou za to je snížení výdrže, protože paměťové bloky SLC teoreticky vydrží 100 000 cyklů zápisu, MLC ~10 000, TLC 3 000 a QLC 1 000 cyklů. Kromě toho se také zvyšuje spotřeba energie a snižuje výkon (hlavně zápis), ale na druhou stranu klesá cena, takže například 2TB SSD lze pořídit za 600-700 PLN.

Spotřebitelskému trhu nyní dominují SSD disky založené na pamětích 3D TLC nebo 3D QLC, a pokud někdo nutně chce MLC, musí se poohlédnout po starších modelech nebo serverových produktech.

Německá redakce serveru Heise provedla dlouhý test SSD, jehož účastníky byli: OCZ TR150, Crucial BX 200, Samsung 750 Evo, Samsung 850 Pro a SanDisk Extreme Pro. Všechny disky přestaly smysluplně překračovat výrobcem stanovený TBW, ale pouze modely založené na MLC překonaly hranici 2000 TBW, přičemž jeden ze dvou Samsungů 850 Pro (3D MLC) přežil zápis 9100 TB!

Postupem času se ukázalo, že vertikálním uspořádáním paměťoví na inteposeru (paměti označené 3D) lze dosáhnout několikanásobně vyšší výdrže. V případě 3D TLC pamětí hovoříme u nejnovějších řešení až o 10 000 zápisových cyklech. Stručně řečeno, čím více vrstev, tím lépe, a nedávno se objevily SSD disky se 176 vrstvami 3D TLC pamětí.

Kromě toho výrobci disků využívají také toho, že část povrchu disku lze softwarově přeměnit na tzv. pseudo-SLC buffer, kde se část TLC pamětí chová jako SLC, což výrazně zvyšuje výkon. Její činnost a velikost se liší v závislosti na konkrétní jednotce. Stručně řečeno, první data, která mají být zapsána, jdou do vyrovnávací paměti a teprve potom se na pozadí zapíší na paměťový blok TLC. Toto uspořádání má také pozitivní vliv na trvanlivost flash pamětí.

Pokud je například šifrována plocha celého disku, dobře uvidíte rozdíl mezi disky, jako je starý Samsung 970 Pro (3D MLC), a jiným populárním konkurentem založeným na 3D TLC nebo QLC pamětích. V případě posledních dvou jmenovaných dojde po určité době (po přetečení vyrovnávací paměti) k drastickému poklesu rychlosti zápisu. V takovém testu se také dokonale projeví kvalita použitých čipů (nižší výkon = horší paměť).

Zdroj: redakce, heise.de, Wikipedia