Разбираемся с преимуществами SSD и HDD, или почему HDD – далеко не отработанный материал

При организации системы хранения в 2023 году у пользователя уже редко возникает вопрос: а нужен ли мне скоростной SSD? Уже пришло понимание, что твердотельный накопитель нужен обязательно, поскольку он как ничто ускоряет отклик системы. Наличие SSD заметно буквально на глаз. Однако, по собственному опыту можем сказать, что технически неподкованные пользователи нередко не понимают зачем переплачивать, при чём кратно переплачивать за гигабайт ёмкости. Или наоборот, финансово обеспеченные заказчики хотят только SSD, а это не всегда правильно.

В этой статье расскажем о фундаментальных отличиях жёстких дисков (HDD) и твердотельных накопителей (SSD), об уместных и не очень сферах их применения, разъясним разницу между SATA-SSD и NVMe-SSD, почему SSD с интерфейсом PCI-E 4.0 и 5.0 часто хуже старого-доброго PCI-E 3.0, почему SSD не всему голова, и конечно зачем это всё нужно.

Количество мегабайт в секунду – не главный показатель

В самом начале стоит закрепить «базу». В представлении большинства, чем больше накопитель обеспечивает мегабайт/гигабайт в секунду – тем он лучше. Так произошло потому, что это очевидный-наглядный показатель, не требующий уточнений, и именно его производители всегда указывают в технических спецификациях. Но МБ/с и ГБ/с – это так называемые линейные (или последовательные, Sequential) скорости чтения/записи. И это только половинка, если не треть типичной нагрузки накопителя.

Природа работы компьютера такова, что операции линейного чтения/записи не повсеместны. Конечно, если речь не идёт о взаимодействии с крупными массивами данных. Беспрерывно идут операции с мелкими случайными блоками данных (так называемые IOPS, или Random). Иногда таких операций много, иногда очень много.
Проводя аналогии, накопитель – это служба доставки воды. Они могут привезти тонну, но завтра – это линейные скорости. А нужно прямо сейчас и только литр – это быстродействие со случайными блоками данных.

Более полезным для общего быстродействия компьютера, для скорости отклика системы являются не гигабайты в секунду, а IOPS.

HDD и SSD – в чём разница?

Технически жёсткий диск является гибридом электроники и механики. Внутри вращается непосредственно магнитный диск (или несколько), есть специальная головка (или несколько), которая считывает информацию с поверхности. Грубо говоря, это граммофон на максималках.
Твердотельный накопитель устроен в корне иначе. Есть контроллер, есть массив чипов, в которых данные и хранятся. Это уже чистая электроника, никакой механики.

Если говорить об операциях линейного чтения или записи, между ними разница не настолько значительна. Просто HDD в таком случае удобно, ведь данные сгруппированы на поверхности диска, а не разбросаны.

Но вспоминаем предыдущий раздел и IOPS. При небольшой глубине очереди HDD ещё более-менее могёт, но так не бывает. Глубина очереди всегда большая, а иногда очень большая. Считывающая головка у HDD не поспевает позиционироваться, а у SSD позиционироваться нечему: контроллер просто обращается к чипу, тот даёт ответ – всё.

Если HDD нужны миллисекунды для поиска информации, то SSD наносекунды. Именно быстродействие при мелкоблочных операциях и является главным преимуществом SSD.

Кратко о преимуществах SSD и HDD

Перед продолжением важно расставить акценты – обозначить главные недостатки и преимущества этих типов накопителей. Начнём с классики – с жёсткого диска.

HDD

Плюсы:

• Низкая стоимость за гигабайт;
  
• Большая ёмкость на один диск – до 28 ТБ. Здесь сразу куча преимуществ: экономия места, экономия энергии, нужно меньше разъёмов для набора аналогичного объёма и т.д.;
  
• Относительно легко восстановить данные в случае удаления или повреждения диска;
  
• Неплохая скорость при последовательном чтении/записи;
  
• Большой ресурс на перезапись данных.
  

Минусы:

• Драматически низкая скорость работы с мелкими блоками данных;
• Гул и постукивания во время работы;
• Сильно не любит магниты, удары/падения, вибрацию, высокие и низкие температуры.

Как нетрудно заметить, HDD имеет массу преимуществ, и не так уж много недостатков. Впрочем, будь всё иначе – это был бы мёртвый формат, как DVD-диски, и как их предшественники.

SSD

Плюсы:

• Зачастую (читаем следующий раздел) очень высокая скорость при последовательном чтении/записи;
  
• Очень высокая скорость при работе с мелкими блоками данных;
  
• Абсолютно бесшумен;
  
• Компактные габариты;
  
• Относительно стойкие к падениям, вибрации и прочим внешним воздействиям;
  

Минусы:

• Высокая стоимость за гигабайт ёмкости;
  
• Серьёзные ограничения по максимальной ёмкости. Сейчас максимум 8 ТБ, и те с хитростями, нормальный максимум 4 ТБ. Припоминаем последствия таких ограничений;
  
• Восстановить данные вдруг чего крайне проблематично, часто невозможно;
  
• Ресурс записи ограничен (зачастую это 600 полных перезаписей – 600 ТБ записанных данных в случае SSD на 1 ТБ);
  
• В теории через несколько лет не подключенный SSD может потерять данные (ну это такое, байка местная).
  

Также в колонку «минусы» SSD можно было бы добавить необходимость охлаждения (если это сверхскоростной NVMe-диск, а не простой SATA). Но этот же минус можно приписать и HDD. В системах, где применение HDD практически необходимо, они тоже должны хорошо охлаждаться.

Итого при поверхностном взгляде SSD не выглядят вот сильно лучше HDD. «Решает» банально скорость работы. HDD скоростью похвастаться не могут, но имеют ряд других преимуществ.

SLC-кэш - главный «чит» SSD

Тема SLC-кэширования в SSD-накопителях настолько важна, что были мысли поставить её в самом-самом начале, даже перед фундаментальными отличиями SSD и HDD.
NAND-память, содержащая непосредственно информацию, бывает 4 типов: SLC, MLC, TLC и QLC. SLC – 1 бит данных на ячейку, MLC – 2 бита, и так далее. Для производства накопителя с SLC-памятью требуется вдвое больше чипов, чем для MLC, а в случае с TLC разница уже в 3 раза. Диски на SLC-памяти сейчас можно сказать отсутствуют, MLC худо-бедно есть, наиболее распространены TLC и QLC в бюджетном сегменте. Уплотнение большего количество битов в ячейку негативно сказывается на ресурсе и быстродействии SSD-накопителя, зато кратно снижает себестоимость.
Фактически «чистая» скорость работы наиболее распространённой TLC-памяти при последовательных операциях не сильно большая. Конечно, больше жёстких дисков, но не на порядки. Поэтому был придуман хитрый алгоритм SLC-кэша. Суть в том, TLC-ячейки на лету конфигурируются в SLC-режим, благодаря чему достигается временный прирост скорости. Скорость высокая до тех пор, пока SLC-кэш не закончится.

Железобетонно всегда производители указывают именно скорость SLC-кэша. Что будет за его пределами умалчивают все. Количество кэша зависит от настроек. В основном используют 2 подхода: динамический на весь объём (зачастую 1/3 от текущего свободного пространства SSD), или статический (фиксированное значение гигабайт). Оба подхода имеют свои плюсы и минусы, здесь ключевое другое.
HP FX900 Pro 1 ТБ - хороший PCI-E 4.0 SSD

Показать реальную скорость SSD могут тесты AIDA64 Disk Benchmark или HD Tune Pro, записывающие данные на весь массив. На показанном примере до 33% ёмкости скорость аж под 6 ГБ/с, а после падает до ~700 МБ/с. И это ещё просто превосходный результат, который скорее исключение из правил! Вот пример случая, когда вне SLC скорость упала до ~95 МБ/с, что даже хуже показателей жёсткого диска: Kingston SNV2S500G 512 ГБ - посредственный PCI-E 4.0 SSD Toshiba HDWR11A 10 ТБ - HDD c SATA-интерфейсом

Весь этот спич на тему SLC несёт пару простых мыслей. Во-первых, производители указывают скорость так сказать «быстрых гигабайт», а не SSD в целом. Количество «быстрых гигабайт» бывает очень разное. Во-вторых, при некоторых сценариях использования SSD может проиграть HDD по скорости.

Об интерфейсах подключения HDD и SSD

В потребительских компьютерах HDD-накопители подключаются через интерфейс SATA 6 Гбит/с. В серверах используется более быстрый SAS 12 Гбит/с. Больше вариантов нет, да и SATA целиком покрывает скоростные возможности HDD. А вот у SSD разнообразие куда больше.
SSD-диски можно разделить на 2 большие группы: те, что подключаются по SATA 6 Гбит/с (выполнены в формате 2,5”), и те, что подключаются по линиям PCI-Express напрямую к процессору (они в формате M.2). Пропускной способности SATA хватает на обеспечение скорости около 560 МБ/с, чего для HDD с головой, но SSD уже мало. Намного лучше может интерфейс PCI-Express.
Накопители с интерфейсом PCI-E 3.0 обеспечивают порядка 3,5 ГБ/с, PCI-E 4.0 – в районе 7 ГБ/с, а только-только появившиеся PCI-E 5.0 в районе 10-12 ГБ/с. Казалось бы, ну всё понятно, версия PCI-E новее – накопитель круче. И тут в дело вступает ушлость производителей.

Дело в том, что условно компаний-производителей SSD более 300, из них толковых с десяток. Почти все используют готовые платформы от Phison или Silicon Motion, то есть почти все на одно лицо. И накопители PCI-E 4.0 в большинстве своём не так хороши, как кажется.

Для совместимости с PCI-E 4-го поколения ровно к тем же контроллерам, что работали по PCI-E 3.0, просто приделали новый блок ввода-вывода, больше не меняя вообще ничего. В итоге да, при линейных операциях они показывают немаленькие скорости, но такая скорость линейных операций мало кому вообще нужна. А вот задержки доступа к памяти, скорость работы с мелкими файлам, что более приоритетно, у них часто даже меньше, чем у предшественников.
Безусловно, топовые модели на базе PCI-E 4.0 лучше топовых PCI-E 3.0 по всем показателям. Но PCI-E 4.0 среднего уровня фактически хуже и при том дороже, чем лучшие PCI-E 3.0.

Как там будет с PCI-E 5.0 пока непонятно. Производители активно хвастаются линейными скоростями, но данных о показателях IOPS и задержках доступа совсем нет. С чего бы это?

Ресурс SSD как то, о чём вообще не стоит переживать

В этой статье, как и во всех похожих, неоднократно упоминается ограниченный ресурс SSD на запись данных. Стоит раскрыть эту тему детальнее.

У большинства SSD потребительского класса на TLC-памяти ресурс записи ограничен 600 полными перезаписями (у MCL – 1200, у QLC – 300). В случае накопителя ёмкостью 500 ГБ это 300 ТБ записанных данных. Насколько это много на самом деле?

Прежде всего важно заметить, что после исчерпания ресурса накопитель не сломается, данные не потеряются. Он перейдёт в режим только чтения, с него можно будет скопировать данные, но не записать. Впрочем, это теория, а практика показывает, что 600 перезаписей – цифра примерная и условная. Это количество гарантируемых производителем циклов, а не фактическое возможное. Бывает сильно больше, бывает сильно меньше, а бывает SSD ломается совсем, без перехода в режим только чтение.

SSD-диск – как человек – он смертен. И плохо то, что иногда внезапно смертен.

Говоря о практике, отечественный ресурс 3DNews уже много проводит уникальное исследование фактического ресурса SSD. Что правда, рубрика не обновлялась новинками с 2019 года, но общее понимание ситуации даёт. Есть случаи, когда SSD в 30 (!) раз отработал больше заявленного ресурса.
Снова говоря о практике, вот показатели моего старого SSD с рабочего/домашнего компьютера. Он 3 года был единственным диском в системе, эксплуатировался нещадно (фильм на 50 ГБ – а почему бы и нет?). За 3 года записал под 20 ТБ данных, израсходовав всего 6,7% ресурса. Утилита CrystalDiskInfo считает иначе, но даже -10% ресурса за 3 года – тоже нормально.
А вот другой пример. Этот накопитель отработал более пяти лет, что заметно по наработке в часах. Суммарно 16,8 ТБ записанных данных, потеря ресурса всего 3%.

Для понимания ситуации, 600 перезаписей – это запись по ~80 ГБ ежедневно в течении 10 лет в случае SSD на 512 ГБ, или ~160 ГБ в случае терабайтника. Выработать весь ресурс в игровом или рабочем компьютере нереально в обычных условиях эксплуатации.

Но это что касается потребительских SSD. Для серверов и компьютеров корпоративного класса есть решения с многократно большим ресурсом – 3000-5000 перезаписей. Что правда, там такие ценники, что применение уместно только в критически важных узлах. В основном организации предпочитают просто хорошие SSD потребительского класса.

Целесообразность HDD или только SSD

Предыдущие разделы подводили к мысли, что SSD – вещь конечно замечательная, но не везде уместная. И даже если высокую стоимость вынести за скобки. Безусловно, современный игровой или рабочий компьютер без SSD сильно потеряет в скорости отклика, во времени загрузки и запуска программ. Как минимум «твердотельник» нужен под операционную систему.

Но HDD-диски рано списывать со счётов, иначе они бы вымерли ещё лет 10 назад. Для систем хранения данных это удобное решение по целому ряду причин:

• Большая ёмкость;
  
• Неплохие скорости работы при линейных операциях (а системы хранения – не Windows, у них мелкоблочные операции редко востребованы);
  
• Линейные скорости стабильны, не зависят от заполненности диска;
  
• Нет жёстких ограничений по количеству перезаписей (напомним, у SSD в районе 600 перезаписей).
  

Применение только SSD уместно только в игровых компьютерах или продвинутых рабочих станциях, где быстродействие дисковой системы важно. В остальных случаях лучше не переплачивать. Впрочем, этому лучше посвятить отдельный раздел.

Идеальные варианты для разных задач

Игровые компьютеры

Геймерский компьютер без SSD – это как машина на трёх колёсах. Ехать может, но есть нюансы. Для игровой сборки SSD необходим как минимум для операционной системы. На 120 ГБ, простенький SATA, но нужен.

Желательно использовать SSD и как накопитель под игры. В таком случае загрузка уровней/сохранений/запуск самой игры будет куда быстрее. К тому же будет меньше «статтеров» и «фризов» - подвисаний на полсекунды. SSD обеспечит плавность игрового процесса.

Для контентмейкеров

У рабочих станций для труженников Photoshop, видеоредакторов, стримеров и звукооператоров ситуация схожа с геймерами. Для Windows – просто обязательно SSD. Желательно также использовать SSD для текущих проектов. Это сильно ускорит открытие, сохранение, процесс работы над проектом. HDD – только в качестве архивного хранилища.

Для серьёзных организаций

В случае исследовательских институтов, инженерных конструкторских бюро и других серьёзных организаций ситуация посложнее. Всё сильно зависит от конкретной сферы деятельность. Где-то приоритетнее высокая скорость доступа к файлам, а где-то твёрдая уверенность в их сохранности и возможность хранить много данных.

Для простых рабочих станций – SSD под операционную систему, но можно обойтись и жёстким диском. Снова-таки, здесь большая зависимость от конкретной деятельности.

Если речь идёт о системе хранения данных, которой пользоваться будет вся организация, HDD предпочтительнее.

Для дата-центров, ИИ и BigData

Как в вышеописанном случае, здесь всё зависит от конкретной деятельности. Зачастую эти сегменты рынка предпочитают HDD за счёт меньшей стоимости гигабайта, отсутствия снижения быстродействия при заполненности, большей ёмкости и всех вытекающих. В редких случаях используются хранилища на SSD-накопителях.

Итоги

SSD – технология замечательная, но не всему голова. Дело лишь частично в ценнике за гигабайт ёмкости, который у накопителей на QLC-памяти уже близок к жёстким дискам. Всё дело в фундаментальных принципах работы, не позволяющих использовать SSD повсеместно. Ключевые: ограниченное количество «быстрых гигабайт», скорость работы вне SLC-кэша уже не такая впечатляющая, и не богатырский для действительно крупных массивов данных ресурс. На ресурс SSD стоит обращать внимания только если узел критически сильно нагружен операциями перезаписи.
HDD – тоже технология замечательная, просто для другого. В плане линейных скоростей записи/чтения на самом деле они не сильно отстают от SSD, когда тот работает без «читов» – без SLC-кэша. А чем больше SSD заполнен – тем меньше остаётся «читов». По сути, у HDD только один ключевой недостаток – очень низкая скорость работы при работе со случайными небольшими файлами, а именно такой тип нагрузки самый распространённый в обычных ПК.
Для полноты картины стоит упомянуть SSHD – гибрид жёсткого диска и твердотельного накопителя. Технически это HDD с магнитным диском и считывающими головками, но с небольшой кэш-памятью. Она позволяет сгладить главный недостаток «чистого» HDD. Серьёзного распространения такие накопители не получили. В основном потому, хотелось «всё и сразу», а получилась «ни рыба, ни мясо». В потребительских компьютерах это совсем экзотика, изредка применяются в серверах.

В будущих материалах, касающихся систем хранения данных, будет углубление темы. Речь пойдёт про альтернативные системы, такие как облачные- и NAS-хранилища, а также про RAID-массивы разных уровней. И конечно о том, где более уместны HDD, а где SSD.