Контроллеры SSD – обзор, сравнение, производители

Контроллеры SSD дисков – что это

 Контроллер SSD — это микросхема с предустановленной программой (прошивкой), «мозг» твердотельного накопителя. В процессе чтения или записи во флэш-память он обеспечивает обмен данными с шиной, руководит операциями записи или чтения информации из ячеек, управляет структурой размещения данных и контролирует состояние ячеек. Помимо этого, контроллер занимается обслуживанием ячеек, очисткой памяти от мусора, предотвращением износа устройства, корректировкой ошибок. Таким образом, качество и функциональность контроллера влияют не только на скорость чтения и записи SSD, но также на долговечность и стоимость этого устройства.

Из чего состоит контроллер – функции контроллера

• Микропроцессор контроллера. Имеет от 1 до 4 ядер. Как в любом процессоре, количество и быстродействие ядер определяют производительность SSD. Чем больше ядер — тем лучше справляется накопитель при одновременной нагрузке от нескольких приложений.

• Интерфейс между процессором и флэш-памятью NAND. Эта часть контроллера ССД занимается обменом данными с чипами памяти и может иметь до 10 каналов. Каждый канал может обслуживать один или несколько чипов NAND. Чем больше каналов, тем выше производительность SSD, но при этом сложнее становится и контроллер — увеличивается количество контактов и энергопотребление. Поэтому, в зависимости от предполагаемой сферы использования накопителя, производителям приходится подбирать баланс между быстродействием и энергоэффективностью.

• Блок управления хост-интерфейсом. Ранее мы уже рассказывали о физических (SATA, PCI-Express, SAS и др.) и логических (AHCI, NVMe) интерфейсах подключения SSD-накопителей. Многие из них изначально создавались для механических HDD с их вращающимися пластинами и считывающей магнитной головкой. Для тех твердотельных накопителей, которые используют интерфейсы магнитных жестких дисков, одна из задач контроллера — имитировать работу обычного HDD, передающего блоки, секторы и другие стандартные порции данных. Но, помимо этого, блок управления хост-интерфейсом может оптимизировать порядок выполнения серии команд на чтение и на запись (зачастую чтение оказывается предпочтительней записи), чтобы уменьшить задержки и увеличить пропускную способность. И если у стандартного подключения SATA есть всего одна очередь необработанных команд, вмещающая в себя до 32 запросов, то диски с поддержкой NVMe имеют до 65 536 очередей, содержащих до 65 536 команд в каждой очереди, что является огромным ресурсом для оптимизации.

• SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) — технология самоконтроля, анализа и отчетности. Это система мониторинга SSD, отслеживающая и записывающая (набор параметров может отличаться в зависимости от производителя) сведения о состоянии накопителя. Наиболее интересны такие показатели, как:

• температура SSD-диска;

• число ошибок считывания;

• количество записанной информации;

• прогноз продолжительности функционирования накопителя исходя из периода эксплуатации;

• количество потенциальных участков накопителя, подлежащих замене;

• количество неисправных секторов, не подлежащих восстановлению.

• Блок выравнивания износа. Для того, чтобы записать данные в ячейку памяти ССД, предварительно ее требуется очистить. У HDD для этого достаточно просто обозначить соответствующий блок памяти, как неиспользуемый, но для твердотельных накопителей необходимо произвести физическую операцию стирания данных. А поскольку флэш-память может выдерживать ограниченное число циклов записи/стирания информации (в зависимости от типа ячеек — SLC, MLC, TLC или QLC, оно будет равняться от сотни тысяч до тысячи), то если в какую-то конкретную ячейку будут постоянно производиться операции записи и стирания, а в другие — нет, эта ячейка быстро выйдет из строя, тем самым уменьшая объем накопителя. Для предотвращения такого исхода контроллеры SSD реализуют те или иные алгоритмы по выравниванию износа, чтобы максимально равномерно распределить операции записи по блокам флэш-памяти.

• Система контроля неисправных секторов памяти. В момент, когда сектор памяти NAND становится непригодным для использования, контроллер SSD должен отследить это изменение, предотвратить дальнейшую запись в него и заменить отказавший сектор резервным.

• Блок предотвращения случайного изменения ячеек. При создании современных чипов памяти, ячейки упакованы в плотную трехмерную структуру. Постоянное утончение технологического процесса может привести к тому, что при чтении или записи в ячейку возникнут перекрестные связи с соседями, и произойдет незапланированное изменение значений в близлежащих ячейках. Одна из задач контроллера — это предотвратить.

• Блок контроля и коррекции ошибок (ECC). Занимается обнаружением и исправлением ошибок связи; обеспечивает контроль целостности данных при записи или чтении.

• Блок шифрования. У большинства современных SSD возможность аппаратного шифрования и механизм дешифровки встроены непосредственно в микросхему контроллера, что высвобождает ресурсы процессора и операционной системы. Шифрование необходимо в том случае, если нужно защитить устройство и его содержимое от завладевших им злоумышленников, соседей по комнате, членов семьи, коллег, должностных лиц и пр. На ряде накопителей поддерживается механизм самошифрования — невидимый для пользователя, не влияющий на производительность диска и обеспечивающий высокий уровень безопасности данных.

• Буфер/кэш. Часть контроллера, отвечающая за работу с внешним DRAM-буфером, о котором мы уже говорили в статье «Типы и виды SSD дисков». При отсутствии внешней микросхемы DRAM небольшой буфер, основанный на энергозависимой памяти, может быть встроен внутрь самого контроллера. Иногда присутствуют оба этих решения.

• Блок прерывания записи. Если при обновлении служебной информации или во время записи данных пропадет питание SSD, это может привести как к потере информации, так и к повреждению самого накопителя. Этот блок контролирует исчезновение питания, и в основном предусмотрен в накопителях корпоративного сегмента.

 Помимо вышеперечисленных функций (выравнивания износа, контроля за неисправными блоками, кэширования, коррекции ошибок и др.) стоит упомянуть еще три важных задачи среди «служебных обязанностей» контроллера SSD.

• Сборка мусора. Мы уже говорили о том, что флэш-память NAND не может перезаписывать данные на занятое место без его предварительной очистки. Ячейки памяти сгруппированы в страницы (обычно размером от 4 до 16 КБ), страницы группируются в блоки размером от 128 до 512 страниц. Страница — это минимальная единица для чтения и записи в SSD, то есть при операции записи данные могут дозаписываться в частично уже занятый блок — на те страницы, что оставались чистыми. В противовес этому, аппаратные ограничения таковы, что стирание может производиться только блоками целиком.
  Что же происходит в том случае, когда нам нужно изменить несколько записанных страниц? Информация считывается с диска, изменяется и записывается на свободные (предварительно очищенные) страницы; а те страницы, что содержат неактуальные данные, помечаются как «грязные». Таким образом, часть памяти начинает занимать мусор — устаревшая информация, которая уже никому не нужна. Записать на это место другое содержимое невозможно без предварительной очистки, очистить — можно только с остальной частью блока (которая, напротив, содержит нужную для нас информацию). В результате, чтобы вернуть эти страницы к использованию, актуальная информация перезаписывается в другой, полностью очищенный, блок, после чего блок с «грязными» страницами очищается. Кстати, именно во время операции сборки мусора зачастую происходит и выравнивание износа. Для производительности сборка мусора работает в фоновом режиме, когда к SSD-диску нет обращений.
  Функцией сборки мусора оснащены абсолютно все твердотельные накопители, основанные на флэш-памяти NAND, а вот скорость ее работы будет сильно зависеть от установленного контроллера.

• Команда TRIM. В то время как контроллер ничего не знает о файловой структуре и оперирует понятиями страниц и блоков — занятых, очищенных, «грязных» — операционная система компьютера работает с файлами, их структурой и логическим размещением, ничего не зная о физическом устройстве накопителя SSD. При удалении файла система просто отмечает в своей таблице логических данных, что пространство, где тот хранился, свободно и может быть повторно использовано. В результате контроллер SSD «осознает», что данные удалены или недействительны только в случае, когда ОС снова попытается выполнить запись на то же место. С этого момента, конечно, неактуальные страницы будут отмечены, как «мусор», запись произведут в другое место, а в процессе сборки мусора «грязное» пространство очистят и подготовят для новой записи. Но до тех пор контроллер твердотельного накопителя ошибочно считает эти страницы содержащими ценную информацию, которую необходимо сберечь, и при сборке мусора исправно перемещает ее в свободные блоки. Такая избыточная перезапись приводит к износу ячеек памяти, замедляет работу по сборке мусора и занимает свободное пространство на диске.
  Команда TRIM дает возможность операционной системе сообщить накопителю о том, что соответствующие страницы могут быть помечены, как «грязные», и не нуждаются в перезаписи, в момент, когда ОС окончательно удаляет файл. Чтобы TRIM работала, она должна поддерживаться как самой ОС, так и SSD-диском. В ОС поддержка TRIM реализована, начиная с Windows 7, Linux 2.6.33, Mac OS X Lion.

• Избыточное выделение ресурсов. Это пространство на SSD-накопителе, недоступное операционной системе, которое используется контроллером для своих служебных операций: сборки мусора, выделения ячеек памяти NAND взамен пришедших в негодность, выравнивания износа. Размер этого пространства обычно устанавливается на заводе во время окончательного низкоуровневого форматирования накопителя. В процентном соотношении от объема SSD обычно фигурируют цифры в 0%, 7% (для большинства дисков пользовательского сегмента) и 28% (для корпоративного сегмента). Например, диск с одним и тем же объемом чипов может быть представлен на рынке как 128 Гб (с 0% избыточного выделения), 120 Гб (с 7%) и 100 Гб (при 28%) — разница будет в количестве доступного для пользователя пространства.

Прошивка контроллера

 Хотя часть функций контроллера ССД (например, ECC) жестко запрограммирована в самой микросхеме, большинство из них контролируется прошивкой. Микропрограммное обеспечение можно легко модифицировать, чтобы добавить, улучшить или удалить какие-то функции. Часть производителей (например, Marvell) может выпускать свои контроллеры без прошивки или с базовой прошивкой, требующей серьезных доработок, предоставляя производителям дисков самим решать задачу создания микропрограммы для контроллера. Другие (Phison) — предлагают готовые решения из контроллера с прошивкой (а иногда — и чипов памяти, так что производителю SSD остается, по сути, только придумать название бренда и красивую этикетку). Впрочем, в этом случае производители дисков тоже могут сами переписать прошивку, улучшив ее в сравнении с исходным вариантом. Именитые вендоры обычно также выпускают регулярные обновления своего ПО, исправляя ошибки и улучшая прошивки для своих дисков.

Производители контроллеров – сравнение контроллеров SSD

 Несмотря на изобилие торговых марок и конкретных моделей SSD-дисков, число производителей контроллеров для них не так велико. Помимо этого, в последние годы многие известные фирмы либо вовсе не представляли актуальных решений для современных чипов (3D TLC и QLC) и интерфейса PCI-E, либо были выкуплены крупными вендорами. Так, Toshiba приобрела Indilinx (OCZ), Micron – Tidal Systems, WD – Sandisk, а Seagate – SandForce (LSI). Распространенной практикой для крупных производителей дисков — даже тех, кто выстроил или выкупил собственные инженерно-производственные мощности — также является использование контроллеров Marvell, Silicon Motion и Phison, как в оригинальном виде, так и под маркой своего бренда. Например, в контроллере Seagate STXZA01F5578 многие небезосновательно предполагают кастомизованный чип PS3112-S12 от Phison, а продукцию от Silicon Motion SM2258XT можно встретить в дисках Transcend, ADATA, Crucial, Apacer, AMD Radeon, Kingston, HP, Patriot, WD и пр. О том, как проверить модель контроллера, установленную в ССД-диске, вы можете прочитать в статье «Как определить контроллер SSD-накопителя».

 На текущий момент среди производителей отдельной строкой можно выделить Samsung (первооткрывателя технологии 3D-Nand), использующего свои контроллеры исключительно в изготовлении собственных накопителей (равно как и наоборот — использующих для своих SSD только собственные контроллеры). Огромную долю рынка занимает продукция от Silicon Motion, Phison и Marvell. После длительного перерыва возобновила производство контроллеров компания JMicron — под новым брендом Maxiotek (Maxio Technology), а также с недавних пор занялась изготовлением контроллеров и компания Realtek, более известная своим производством компьютерного аудио. Намного реже можно встретить разработки компании Kioxia (ранее — Toshiba); как и в случае с Seagate, среди них с большой вероятностью может оказаться модифицированная продукция на базе Phison. C 2017 года на рынок вышел производитель Yeestor, образовавшийся путем слияния компаний SiliconGo (основана в 2007) и Auspitek (2015). Первый контроллер собственного производства недавно выпустила компания Micron.

 Ниже представлены сравнительные таблицы контроллеров различных производителей для интерфейсов SATA и PCI-Express. Увы, в отличие от компаний Silicon Motion, Marvell или Phison, предоставляющих подробные обзоры своих контроллеров в открытом доступе у себя на сайтах, большинство именитых брендов предпочитает держать в тайне технические характеристики своей продукции. Так, компания Realtek, например, на вопрос о ядрах своих контроллеров ограничилась ответом «мы используем ядра собственной разработки». Не уточнила количество ядер своего нового контроллера Elpis и компания Samsung. О мотивации производителей мы можем только догадываться: возможно, это желание избежать сопоставления с конкурентами. По счастью, информацию о типе поддерживаемой NAND-памяти и DRAM-кэша можно, по крайней мере, получить из характеристик дисков, построенных на базе этих контроллеров.

Сравнение контроллеров SSD для интерфейса SATA

Сравнение контроллеров SSD для интерфейса PCI-Express

Автор: Catman Bast