SSD SOLID STATE DRIVE

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Cos’è un SSD?

Un SSD, o unità a stato solido, è un tipo di dispositivo di archiviazione utilizzato nei computer. Questo supporto di archiviazione non volatile memorizza dati persistenti su una memoria flash a stato solido. Gli SSD sostituiscono i tradizionali dischi rigidi (HDD) nei computer e svolgono le stesse funzioni di base di un disco rigido. Ma gli SSD sono significativamente più veloci in confronto. Con un SSD, il sistema operativo del dispositivo si avvia più rapidamente, i programmi si caricano più rapidamente e i file possono essere salvati più velocemente.

Un disco rigido tradizionale è costituito da un disco rotante con una testina di lettura/scrittura su un braccio meccanico chiamato attuatore. Un HDD legge e scrive i dati magneticamente. Le proprietà magnetiche, tuttavia, possono causare guasti meccanici.

Al contrario, un SSD non ha parti mobili che si rompono o ruotano su o giù. I due componenti chiave in un SSD sono il controller flash e i chip di memoria flash NAND. Questa configurazione è ottimizzata per fornire elevate prestazioni di lettura/scrittura per richieste di dati sequenziali e casuali.

Gli SSD sono utilizzati ovunque sia possibile distribuire dischi rigidi. Nei prodotti di consumo, ad esempio, sono utilizzati in personal computer (PC), laptop, videogiochi, fotocamere digitali, lettori musicali digitali, smartphone, tablet e chiavette USB. Sono anche incorporati nelle schede grafiche. Tuttavia, sono più costosi degli HDD tradizionali.
Le aziende con una rapida crescita della necessità di input/output (I/O) più elevati hanno alimentato lo sviluppo e l’adozione di SSD. Poiché gli SSD offrono una latenza inferiore rispetto agli HDD, possono gestire in modo efficiente sia carichi di lavoro di lettura pesanti che casuali. Questa latenza inferiore deriva dalla capacità di un SSD flash di leggere i dati direttamente e immediatamente dai dati archiviati.

Server ad alte prestazioni, laptop, desktop o qualsiasi applicazione che debba fornire informazioni in tempo reale possono trarre vantaggio dalla tecnologia delle unità a stato solido. Tali caratteristiche rendono gli SSD aziendali adatti per scaricare le letture da database con transazioni pesanti. Possono anche aiutare ad alleviare le tempeste di avvio con l’infrastruttura desktop virtuale o all’interno di un array di archiviazione per archiviare i dati utilizzati di frequente localmente utilizzando un cloud ibrido.

Come funzionano gli SSD?

Un SSD legge e scrive dati su chip di memoria flash interconnessi sottostanti realizzati in silicio. I produttori realizzano gli SSD impilando i chip in una griglia per ottenere densità diverse.

Gli SSD leggono e scrivono dati su un set sottostante di chip di memoria flash interconnessi. Questi chip utilizzano transistor a gate flottante (FGT) per mantenere una carica elettrica, che consente all’SSD di memorizzare dati anche quando non è collegato a una fonte di alimentazione. Ogni FGT contiene un singolo bit di dati, designato come 1 per una cella carica o 0 se la cella non ha carica elettrica.

Ogni blocco di dati è accessibile a una velocità costante. Tuttavia, gli SSD possono scrivere solo su blocchi vuoti. E sebbene gli SSD abbiano strumenti per aggirare questo problema, le prestazioni potrebbero comunque rallentare nel tempo.

Gli SSD utilizzano tre tipi principali di memoria: celle a livello singolo, multiplo e triplo. Le celle a livello singolo possono contenere un bit di dati alla volta, uno o zero. Le celle a livello singolo (SLC) sono la forma più costosa di SSD, ma sono anche le più veloci e durevoli. Le celle multilivello (MLC) possono contenere due bit di dati per cella e hanno una maggiore quantità di spazio di archiviazione nella stessa quantità di spazio fisico di una SLC. Tuttavia, le MLC hanno velocità di scrittura più lente. Le celle a tre livelli (TLC) possono contenere tre bit di dati in una cella. Sebbene le TLC siano più economiche, hanno anche velocità di scrittura più lente e sono meno durevoli rispetto ad altri tipi di memoria. Gli SSD basati su TLC offrono una maggiore capacità flash e sono meno costosi di una MLC o SLC, sebbene con una maggiore probabilità di bit rot a causa della presenza di otto stati all’interno della cella.

Quali sono le principali caratteristiche degli SSD?

Diverse caratteristiche caratterizzano il design di un SSD. Poiché non ha parti mobili, un SSD non è soggetto agli stessi guasti meccanici che possono verificarsi negli HDD. Gli SSD sono anche più silenziosi e consumano meno energia. E poiché gli SSD pesano meno dei dischi rigidi, sono adatti per laptop e dispositivi di elaborazione mobili.

Inoltre, il software del controller SSD include analisi predittive che possono avvisare un utente in anticipo di un potenziale guasto dell’unità. Poiché la memoria flash è malleabile, i fornitori di array all-flash possono manipolare la capacità di archiviazione utilizzabile utilizzando tecniche di riduzione dei dati.

Le aziende con una necessità in rapida espansione di input/output (I/O) più elevati hanno alimentato lo sviluppo e l’adozione di SSD. Poiché gli SSD offrono una latenza inferiore rispetto agli HDD, possono gestire in modo efficiente sia carichi di lavoro di lettura pesanti che casuali. Questa latenza inferiore deriva dalla capacità di un SSD flash di leggere i dati direttamente e immediatamente dai dati archiviati.

Server ad alte prestazioni, laptop, desktop o qualsiasi applicazione che debba fornire informazioni in tempo reale possono trarre vantaggio dalla tecnologia delle unità a stato solido. Tali caratteristiche rendono gli SSD aziendali adatti per scaricare le letture da database pesanti per le transazioni. Possono anche aiutare ad alleviare le tempeste di avvio con l’infrastruttura desktop virtuale o all’interno di un array di archiviazione per archiviare i dati utilizzati di frequente localmente utilizzando un cloud ibrido.

Come funzionano gli SSD?

Un SSD legge e scrive dati su chip di memoria flash interconnessi sottostanti realizzati in silicio. I produttori realizzano gli SSD impilando i chip in una griglia per ottenere diverse densità.

Gli SSD leggono e scrivono dati su un set sottostante di chip di memoria flash interconnessi. Questi chip utilizzano transistor a gate flottante (FGT) per mantenere una carica elettrica, che consente all’SSD di memorizzare dati anche quando non è collegato a una fonte di alimentazione. Ogni FGT contiene un singolo bit di dati, designato come 1 per una cella carica o come 0 se la cella non ha carica elettrica.

Ogni blocco di dati è accessibile a una velocità costante. Tuttavia, gli SSD possono scrivere solo su blocchi vuoti. E sebbene gli SSD abbiano strumenti per aggirare questo problema, le prestazioni potrebbero comunque rallentare nel tempo.

Gli SSD utilizzano tre tipi principali di memoria: celle a livello singolo, multilivello e triplo. Le celle a livello singolo possono contenere un bit di dati alla volta, uno o zero. Le celle a livello singolo

Le celle a livello (SLC) sono la forma più costosa di SSD, ma sono anche le più veloci e durevoli. Le celle multilivello (MLC) possono contenere due bit di dati per cella e hanno una maggiore quantità di spazio di archiviazione nella stessa quantità di spazio fisico di una SLC. Tuttavia, le MLC hanno velocità di scrittura più lente. Le celle a tre livelli (TLC) possono contenere tre bit di dati in una cella. Sebbene le TLC siano più economiche, hanno anche velocità di scrittura più lente e sono meno durevoli rispetto ad altri tipi di memoria. Gli SSD basati su TLC offrono una maggiore capacità flash e sono meno costosi di una MLC o SLC, sebbene con una maggiore probabilità di bit rot a causa della presenza di otto stati all’interno della cella.

Quali sono le principali caratteristiche degli SSD?

Diverse caratteristiche caratterizzano il design di un SSD. Poiché non ha parti mobili, un SSD non è soggetto agli stessi guasti meccanici che possono verificarsi negli HDD. Gli SSD sono anche più silenziosi e consumano meno energia. E poiché gli SSD pesano meno dei dischi rigidi, sono adatti per laptop e dispositivi di elaborazione mobile.

Inoltre, il software del controller SSD include analisi predittive che possono avvisare in anticipo un utente di un potenziale guasto dell’unità. Poiché la memoria flash è malleabile, i fornitori di array all-flash possono manipolare la capacità di archiviazione utilizzabile utilizzando tecniche di riduzione dei dati.

Quali sono i vantaggi degli SSD?

I vantaggi degli SSD rispetto agli HDD sono:

  • Velocità di lettura/scrittura più elevate. Gli SSD possono accedere rapidamente a file di grandi dimensioni.
  • Tempi di avvio più rapidi e prestazioni migliori. Poiché l’unità non deve girare come farebbe un HDD, è più reattiva e offre migliori prestazioni di carico.
  • Durata. Gli SSD sono più resistenti agli urti e possono gestire il calore meglio degli HDD perché non hanno parti mobili.
  • Consumo energetico. Gli SSD necessitano di meno energia per funzionare rispetto agli HDD a causa della loro mancanza di parti mobili.
  • Più silenziosi. Gli SSD producono meno rumore udibile perché non ci sono parti mobili o rotanti.
  • Dimensioni. Gli SSD sono disponibili in una varietà di fattori di forma mentre le dimensioni degli HDD sono limitate.

Quali sono gli svantaggi degli SSD?

Gli svantaggi degli SSD includono:

  • Costo. Gli SSD sono più costosi degli HDD tradizionali.
  • Aspettativa di vita. Alcuni SSD, ad esempio quelli che utilizzano chip di memoria flash NAND, possono essere scritti solo un numero specificato di volte che è in genere inferiore a quello degli HDD.
  • Prestazioni. Le limitazioni sul numero di cicli di scrittura causano una diminuzione delle prestazioni degli SSD nel tempo.
  • Opzioni di archiviazione. A causa del costo, gli SSD sono solitamente venduti in dimensioni più piccole.
  • Recupero dati. Questo processo che richiede molto tempo può essere costoso, poiché i dati sui chip danneggiati potrebbero non essere recuperabili.

Quali sono i tipi di memoria non volatile SSD?

Rispetto a NAND, la flash NOR offre tempi di lettura rapidi, ma è generalmente una tecnologia di memoria più costosa. NOR scrive i dati in blocchi di grandi dimensioni, il che significa che ci vuole più tempo per cancellare e scrivere nuovi dati.

Le capacità di accesso casuale di NOR vengono utilizzate per l’esecuzione del codice, mentre la flash NAND è destinata all’archiviazione. La maggior parte degli smartphone supporta entrambi i tipi di memoria flash, utilizzando NOR per avviare il sistema operativo e schede NAND rimovibili per espandere la capacità di archiviazione del dispositivo.

Quali sono i tipi di SSD?

I tipi di SSD includono:

  1. Unità a stato solido. Le SSD di base offrono le prestazioni più basse. Le SSD sono dispositivi flash che si collegano tramite Serial Advanced Technology Attachment (SATA) o Serial-Attached SCSI (SAS) e forniscono un primo passo conveniente nel mondo dello stato solido. Per molti ambienti, l’aumento delle prestazioni nelle velocità di lettura sequenziale da un SATA o SAS SSD sarà sufficiente.
  2. Flash basato su PCIe. La flash basata su Peripheral Component Interconnect Express è il passo successivo in termini di prestazioni. Sebbene questi dispositivi offrano in genere una maggiore produttività e più operazioni di input/output al secondo, il vantaggio più grande è una latenza notevolmente inferiore. Lo svantaggio è che la maggior parte di queste offerte richiede un driver personalizzato e ha una protezione dei dati integrata limitata.
  3. DIMM flash. I moduli di memoria flash dual in-line riducono la latenza, andando oltre le schede flash PCIe eliminando la potenziale contesa del bus PCIe. Richiedono driver personalizzati esclusivi per i DIMM flash, con modifiche specifiche al sistema I/O di sola lettura sulla scheda madre.
  4. SSD NVMe. Questi SSD utilizzano la specifica dell’interfaccia NVMe (non-volatile memory express). Ciò accelera le velocità di trasferimento dati tra sistemi client e unità a stato solido su un bus PCIe. Gli SSD NVMe sono progettati per l’archiviazione non volatile ad alte prestazioni e sono adatti per impostazioni di elaborazione molto impegnative.
  5. NVMe-oF. Il protocollo NVMe over Fabrics consente il trasferimento dati tra un computer host e un dispositivo di archiviazione a stato solido di destinazione. NVMe-oF trasferisce i dati tramite metodi quali Ethernet, Fibre Channel o InfiniBand.
  6. Storage DRAM-flash ibrido. Questa configurazione di canale di memoria ad accesso casuale (DRAM) dinamica combina flash e DRAM server. Questi dispositivi di storage flash ibrido affrontano il limite di scalabilità teorico della DRAM e vengono utilizzati per aumentare la produttività tra software applicativo e storage.

Fattori di forma SSD

I produttori di SSD offrono diversi fattori di forma. Il fattore di forma più comune è un SSD da 2,5 pollici disponibile in più altezze e supporta i protocolli SAS, SATA e NVMe.

La Solid State Storage Initiative, un progetto della Storage Networking Industry Association, ha identificato i seguenti tre principali fattori di forma SSD:

  1. SSD che sono disponibili nei tradizionali fattori di forma HDD e si adattano agli stessi slot SAS e SATA in un server.
  2. Schede a stato solido che utilizzano fattori di forma di schede aggiuntive standard, come quelle con una scheda porta seriale PCIe. Un SSD connesso a PCIe non richiede adattatori host bus di rete per inoltrare i comandi, il che velocizza le prestazioni dello storage. Questi dispositivi includono gli SSD U.2 che sono generalmente considerati la sostituzione finale per le unità utilizzate nei laptop sottili.
  3. Moduli a stato solido che risiedono in un modulo DIMM o small outline dual in-line memory. Possono utilizzare un’interfaccia HDD standard come SATA. Questi dispositivi sono noti come schede DIMM non volatili (NVDIMM).

In un sistema informatico vengono utilizzati due tipi di RAM: DRAM, che perde dati quando si verifica un’interruzione di corrente, e RAM statica. Le NVDIMM forniscono l’archiviazione persistente di cui un computer ha bisogno per recuperare i dati. Collocano la flash vicino alla scheda madre, ma le operazioni vengono eseguite nella DRAM. Il componente flash si inserisce in un bus di memoria per il backup su un archivio ad alte prestazioni.

Sia gli SSD che la RAM incorporano chip allo stato solido, ma i due tipi di memoria funzionano in modo diverso all’interno di un sistema informatico.
In un sistema informatico vengono utilizzati due tipi di RAM: DRAM, che perde dati quando si verifica un’interruzione di corrente, e RAM statica. Le NVDIMM forniscono l’archiviazione persistente di cui un computer ha bisogno per recuperare i dati. Collocano la flash vicino alla scheda madre, ma le operazioni vengono eseguite nella DRAM. Il componente flash si inserisce in un bus di memoria per il backup su un archivio ad alte prestazioni.

Sia gli SSD che la RAM incorporano chip allo stato solido, ma i due tipi di memoria funzionano in modo diverso all’interno di un sistema informatico.

Due nuovi fattori di forma degni di nota sono gli SSD M.2 e U.2. Un SSD M.2 varia in lunghezza, in genere da 42 millimetri (mm) a 110 mm, e si collega direttamente a una scheda madre. Comunica tramite NVMe o SATA. Le piccole dimensioni di un M.2 limitano la superficie per la dissipazione del calore che, nel tempo, ne ridurrà le prestazioni e la stabilità. Nell’archiviazione aziendale, gli SSD M.2 sono spesso utilizzati come dispositivo di avvio. Nei dispositivi di consumo, come i computer portatili, un SSD M.2 fornisce espansione della capacità.

Un SSD U.2 descrive un SSD PCIe da 2,5 pollici. Questi dispositivi di piccolo fattore di forma erano precedentemente noti come SFF-8639. L’interfaccia U.2 consente di inserire SSD PCIe ad alta velocità basati su NVMe nella scheda di circuito di un computer, senza la necessità di spegnere il server e l’archiviazione.

Produttori di SSD

Il mercato degli SSD è dominato da una manciata di grandi produttori, tra cui:

  • Crucial
  • Intel
  • Kingston Technology
  • Micron Technology Inc.
  • Samsung
  • SanDisk
  • Seagate Technology
  • SK Hynix
  • Western Digital Corp.

Questi produttori producono e vendono chipset flash NAND ai venditori di unità a stato solido. Commercializzano anche SSD di marca basati sui propri chip flash. I fattori da considerare quando si acquistano SSD includono:

  • Durata. Ogni garanzia SSD copre un numero finito di cicli di unità, determinato dal tipo di flash NAND. Un SSD utilizzato solo per le letture non richiede lo stesso livello di resistenza di un SSD destinato a gestire principalmente le scritture.
  • Fattore di forma. Ciò determina se un SSD sostitutivo funziona con l’archiviazione esistente e il numero di SSD che possono essere inseriti in un singolo chassis.
  • Interfaccia. Ciò determina la massima velocità di trasmissione e le soglie di latenza minima, nonché le capacità di espansione dell’SSD. I produttori qualificano i loro SSD per NVMe, SAS e SATA.
  • Consumo energetico. L’interfaccia dell’unità specifica anche la potenza massima di un SSD, sebbene molti SSD aziendali siano progettati per essere regolati durante il funzionamento.

Storicamente, gli SSD costano più dei dischi rigidi convenzionali. Ma grazie ai miglioramenti nella tecnologia di produzione e all’aumento della capacità dei chip, i prezzi degli SSD sono diminuiti, consentendo ai consumatori e ai clienti aziendali di considerare gli SSD come un’alternativa valida allo storage convenzionale. Tuttavia, i prezzi stanno aumentando a causa della carenza di chip e di un mercato generalmente volatile, più di recente nel 2020 e nel 2021, a causa di problemi di supply chain correlati al COVID-19. La domanda fluttuante di chip flash ha mantenuto i prezzi degli SSD variabili, ma il prezzo di un SSD rimane più alto di un HDD.

SSD vs. HDD

Gli SSD sono considerati molto più veloci degli HDD più performanti. Anche la latenza è sostanzialmente ridotta e gli utenti in genere sperimentano tempi di avvio molto più rapidi.

Diversi fattori influenzano la durata di vita di SSD e HDD, tra cui calore, umidità ed effetto dei metalli che si ossidano all’interno delle unità. I dati su entrambi i tipi di supporto si degraderanno nel tempo, con gli HDD che generalmente supportano un numero maggiore di scritture di unità al giorno. Gli esperti del settore consigliano di conservare gli SSD inutilizzati o inattivi a basse temperature per prolungarne la durata.

Le parti mobili degli HDD aumentano la possibilità di guasti. Per compensare, i produttori di HDD hanno aggiunto sensori antiurto per proteggere le unità e altri componenti all’interno dei PC. Questo tipo di sensore rileva se la macchina sta per cadere e adotta misure per spegnere l’HDD e l’hardware critico correlato.

Le prestazioni di lettura di un HDD possono risentirne quando i dati vengono suddivisi in settori diversi sul disco. Per riparare il disco, viene utilizzata una tecnica nota come deframmentazione. Gli SSD non archiviano i dati magneticamente, quindi le prestazioni di lettura rimangono stabili, indipendentemente da dove i dati sono archiviati sull’unità.

Gli SSD hanno un’aspettativa di vita impostata, con un numero finito di cicli di scrittura prima che le prestazioni diventino irregolari. Per compensare, gli SSD utilizzano il livellamento dell’usura, un processo che estende la durata di un SSD. Il wear leveling è in genere gestito dal controller flash, che utilizza un algoritmo per organizzare i dati in modo che i cicli di scrittura/cancellazione siano distribuiti uniformemente tra tutti i blocchi nel dispositivo. Un’altra tecnica, l’SSD overprovisioning, può aiutare a ridurre al minimo l’impatto dell’amplificazione della scrittura della garbage collection.

 

SSD vs. eMMC

Una MultiMediaCard incorporata (eMMC) fornisce l’archiviazione flash integrata in un computer. È installata direttamente sulla scheda madre del computer. L’architettura include una memoria flash NAND e un controller progettato come un circuito integrato. L’archiviazione EMMC si trova in genere nei cellulari, nei laptop meno costosi e nelle applicazioni IoT.

Un dispositivo eMMC offre prestazioni pressoché equivalenti a quelle di un SSD. Ma differiscono in termini di capacità, poiché un eMMC standard varia in genere da 1 GB a 512 GB e le dimensioni degli SSD possono variare da 128 GB a diversi terabyte. Ciò rende gli eMMC più adatti per gestire file di dimensioni inferiori.

Nei dispositivi portatili, un eMMC funge da storage primario o da aggiunta a schede multimediali SD e microSD rimovibili. Sebbene questo sia l’uso storico dei dispositivi eMMC, vengono sempre più distribuiti nei sensori all’interno di dispositivi Internet of Things connessi.

SSD vs. disco rigido ibrido

Sebbene non sia ampiamente utilizzato come un’unità a stato solido standard, un’alternativa è un disco rigido ibrido (HHD). Gli HHD colmano il divario tra flash e storage magnetico a disco fisso e vengono utilizzati per aggiornare i laptop, sia per capacità che per prestazioni.

Gli HHD hanno un’architettura disco convenzionale che aggiunge circa 8 GB di flash NAND come buffer per carichi di lavoro basati su disco.

Pertanto, un HHD è più adatto per computer con un numero limitato di applicazioni. Il costo di un disco rigido ibrido è leggermente inferiore a quello di un HDD.

Storia ed evoluzione degli SSD

I primi dischi allo stato solido erano generalmente progettati per dispositivi consumer. Ciò cambiò nel 1991, quando SanDisk lanciò il primo SSD commerciale basato su flash. Gli SSD progettati commercialmente erano realizzati con tecnologia flash multilivello aziendale, che migliorava i cicli di scrittura.

Altre date degne di nota includono:

  • Il debutto dell’iPod Apple nel 2005 ha segnato il primo dispositivo flash degno di nota a penetrare ampiamente nel mercato consumer.
  • Toshiba ha annunciato 3D V-NAND nel 2007. I dispositivi flash 3D aumentano capacità e prestazioni.
  • EMC, ora Dell EMC, è accreditata per essere stata il primo fornitore a includere gli SSD nell’hardware di archiviazione aziendale, aggiungendo la tecnologia ai suoi array di dischi Symmetrix nel 2008. Ciò ha generato la creazione di array flash ibridi che combinano unità flash e HDD.
  • Toshiba ha introdotto le celle a triplo livello nel 2009. La flash TLC è un tipo di memoria flash NAND che memorizza tre bit di dati per cella.
  • IBM è considerata il primo grande fornitore di storage a rilasciare una piattaforma array all-flash dedicata, chiamata FlashSystem, basata sulla tecnologia derivante dall’acquisizione di Texas Memory Systems nel 2012. In quel periodo, Nimbus Data, Pure Storage, Texas Memory Systems e Violin Memory hanno iniziato a essere pionieri nell’adozione di array all-flash, affidandosi allo storage SSD per sostituire i dischi rigidi.
  • Nel 2012, EMC ha acquisito XtremIO e ora distribuisce un sistema all-flash basato sulla tecnologia XtremIO