Dyski SSD z interfejsem PCIe 4.0 i nie tylko

Swoją ogromną popularność dyski SSD zawdzięczają przede wszystkim oferowanej wydajności i coraz przystępniejszej cenie. Nośniki o pojemności ok. 500 GB spełnią oczekiwania większości użytkowników biurowych, podczas gdy pojemności 1 i 2 TB są często wybierane przez graczy i profesjonalistów.

Większość użytkowników domowych i  profesjonalnych decyduje się na nośniki wykorzystujące złącza M.2 oraz SATA i interfejsy NVMe lub SATA3. Zależy to przede wszystkim od typu portów, w które wyposażona jest posiadana płyta główna. Obok wspominanych złączy funkcjonują także takie standardy jak U.2 czy dyski w formie kart rozszerzeń dla złącza PCI Express, jednak są znacznie mniej popularne.

Budowa dysku SSD

Co sprawia, że SSD są tak wydajne? W przeciwieństwie do dysków twardych nie wykorzystują one elementów mechanicznych, a jedynie komórki pamięci flash NAND, których pracą zarządza tzw. kontroler. Poszczególne elementy są dostarczane przez różnych producentów, dlatego oferta dysków jest bardzo duża. Producentem kontrolera mogą być np. firmy: Phison, LSI, Indilinx czy Maxiotek. Z kolei pamięci flash mogą pochodzić od takich dostawców jak Toshiba, Samsung, SK Hynix, WD i inni. W praktyce producenci SSD składają te elementy, tworząc gotowy produkt.

O wydajności dysku decyduje także współczynnik IOPS, czyli operacji wejścia/wyjścia wykonywanych w ciągu sekundy. Najczęściej parametr ten dotyczy zapisu lub odczytu bloku danych o rozmiarze 4 kB. Podczas gdy w dyskach HDD utrzymuje się on na poziomie ok. 200 IOPS w najwydajniejszych modelach serwerowych, to już w SSD dla złącza SATA sięga nawet 100 tys. IOPS, a w dyskach NVMe – 500 tys. To najlepiej obrazuje, jak dużą różnicę wydajnościową oferują nośniki SSD względem HDD.

MLC, TLC czy QLC?

Typowe układy pamięci wykorzystywane w dyskach SSD to SLC (single level cell), MLC (multi level cell), TLC (triple level cell) oraz QLC (quad level cell). Pamięci SLC pozwalają na zapisanie jednego bita w pojedynczej komórce pamięci. Jest to rozwiązanie najtrwalsze i najwydajniejsze oraz najdroższe, stąd też stosowanie tego typu nośników w użytku profesjonalnym, np. serwerach. Pamięć SLC jest również używana jako pamięć podręczna w dyskach konsumenckich. Pamięci MLC w pojedynczej komórce mogą zapisać dwa bity. Stosuje się je więc w dyskach z półki wyższej i średniej. Z kolei pamięć TLC może zapisywać trzy bity w  pojedynczej komórce. Nośniki wykorzystujące TLC są również przystępne cenowo. Kolejnym rozwinięciem są pamięci typu QLC, które w jednej komórce zapisują cztery bity. W porównaniu do TLC zyskujemy więc o 33 proc. danych więcej na jednej komórce. Każdy kolejny typ komórki cechuje się jednak zmniejszeniem trwałości, czyli liczby cykli zapisu. Oznacza to, że dane na komórce TLC zapiszemy większa liczbę razy niż na QLC, zanim się ona zużyje. Obecnie technika ta jest dopracowana i w nośnikach konsumenckich pamięci QLC są coraz częściej stosowane. Za zapewnienie dużej wydajności dysku, oprócz komórek pamięci, odpowiada także inny czynnik. W najwydajniejszych dyskach stosuje się dodatkowo szybką pamięć podręczną DRAM, która pozwala na znaczne przyspieszenie zapisu danych. Oczywiście, na rynku dostępnych jest także szereg dysków bez bufora DRAM, które w porównaniu do tradycyjnych HDD i tak są bardzo wydajne. Polecamy je mniej wymagającym użytkownikom, np. do zastosowań biurowych.

Rozwój pamięci

Tradycyjne kości NAND składają się komórek pamięci umieszczonych w jednej, poziomej płaszczyźnie. W celu powiększenia pojemności należy, oczywiście, wykorzystać więcej komórek. Teoretycznie można po prostu umieścić je na większej powierzchni, w praktyce jednak nie jest to możliwe z uwagi na większe koszty oraz ograniczenia w wymiarach urządzeń. Można więc umieścić komórki bliżej siebie, z tym że również ta metoda ma swoje granice i może nas narazić na ryzyko utraty danych. Rozwiązaniem tego problemu są pamięci 3D NAND, zwane również V NAND, w których komórki pamięci można układać warstwami. Obecnie stosuje się pamięci 3D NAND zbudowane z 32, 48, 64, 72, 96 a nawet 128 warstw. Technika ta przynosi same korzyści. Oprócz pojemności zwiększyły się również szybkość oraz trwałość komórek (również dzięki coraz skuteczniejszym i lepszym kontrolerom w dyskach SSD), a także efektywność energetyczna. Zredukowano również koszty. Wykorzystanie pamięci 3D NAND można w prosty sposób porównać do budowy piętrowych budynków, dzięki którym na działce o mniejszej powierzchni możemy stworzyć np. więcej przestrzeni biurowej. Podobnie jak tradycyjne pamięci NAND, tak i te występują w wersjach SLC, MLC, TLC i QLC.

Obecnie pamięci 3D NAND są powszechnie stosowane w nośnikach i urządzeniach, a ich udział będzie tylko rósł za sprawą ciągłego rozwijania tej techniki przez producentów. Jest to również dobra informacja dla klientów, ponieważ rozwiązanie to oznacza korzystniejszy stosunek ceny do gigabajta pojemności. W przyszłości spodziewać się możemy również pamięci określanych jako 4D NAND oraz zwiększania liczby warstw. Producenci coraz więcej mówią o kolejnych, 176-, a nawet 192-warstwowych modułach. Zastosowanie kości z większą liczbą warstw pozwala nie tylko na obniżenie ceny, ale również przyczynia się do zwiększenia pojemności dysków. Jeszcze niedawno dysk 1 TB wydawał się być bardzo pojemny, dziś jest dostępny w przystępnej cenie i coraz częściej stanowi wybór klientów. Dyski o pojemności 2 TB są powszechnie dostępne, a jeśli tylko dysponujemy odpowiednim budżetem, możemy wyposażyć się w niezwykle szybki nośnik o pojemności nawet 8 TB.

SATA czy NVMe?

Wybór dysku SSD z odpowiednim interfejsem powinniśmy zacząć przede wszystkim od specyfikacji komputera, określenia zastosowań oraz dostępnych złączy. Wszystkie nowe płyty główne oraz laptopy wyposażone są w port M.2 obsługujący standard NVMe, co pozwala zastosować w nich najwydajniejsze dyski. Złącza SATA są zaś powszechnie dostępne w większości płyt głównych (zazwyczaj minimum 4) oraz części laptopów, zwłaszcza w modelach gamingowych i ze średniego segmentu cenowego. Pod względem fizycznym dyski dla portu M.2 są mniejsze niż SATA i wpina się je bezpośrednio do płyty głównej. To ułatwia instalację zestawu komputerowego, zwłaszcza w niewielkiej obudowie. Większość nowych komputerów stacjonarnych oraz laptopów jest wyposażona w złącze M.2 umieszczone na płycie głównej, najczęściej w wersji 2280. Oznacza to, że szerokość nośnika to 22 mm, a jego długość maksymalnie 80 mm. Najwydajniejsze dyski SSD podczas intensywnej pracy nagrzewają się, dlatego niektórzy producenci, aby ułatwić odprowadzanie ciepła, wyposażają je w radiatory, które jednak zwiększają także grubość samego dysku. Dlatego wybierając dysk SSD z radiatorem, powinniśmy sprawdzić, czy zmieści się w miejscu przeznaczonym do montażu, bowiem usunięcie radiatora skutkowałoby utratą gwarancji producenta. Jeśli radiatora nie ma w  zestawie, możemy go dokupić dodatkowo, często jest również dołączony do płyty głównej.

Dysk SATA musi być podłączony przewodem do zasilacza oraz do płyty głównej. Pod względem rozmiarów odpowiada tradycyjnym 2,5-calowym dyskom twardym. Standard SATA oferuje przepustowość do 6 Gbit/s – większość dysków SSD wykorzystujących go oferuje prędkość odczytu i zapisu sekwencyjnego na poziomie do ok. 550 MB/s. Na rynku znajdziemy także dyski i złącza M.2 bazujące jedynie na standardzie SATA, określane również jako mSATA. W tym przypadku ich zaletą są przede wszystkim mniejsze wymiary. Złącze M.2 na płycie głównej może wykorzystywać standard mSATA lub PCI-Express. Dlatego dysk mSATA nie będzie działał w złączu M.2 PCIe oraz odwrotnie.

Złącze M.2 może występować w wersji obsługującej standard NVMe lub mSATA. W specyfikacji płyty głównej znajdziemy informację o jej kompatybilności z danym typem dysku. (Fot. Silicon Power)

Płyty główne często są wyposażone w dodatkowy radiator, który zapewnia prawidłowe chłodzenie dysku. (Fot. Redakcja)

PCIe 3x4 a PCIe 4x4 w SSD

Wykorzystanie protokołu NVMe oraz magistrali PCI-Express sprawia, że kompatybilne z nim dyski na M.2 są znacznie szybsze niż SATA. Obecnie w większości dostępne na rynku komputery wykorzystują standard PCIe 3x4. Oznacza to, że port dysku wykorzystuje 4 linie magistrali PCIe 3.0. Każda linia zapewnia przepustowość na poziomie 7,877 Gbit/s (984,6 MB/s), a więc w wersji PCIe 3x4 gwarantuje transfer do 3,93 GB/s. To bardzo duża wydajność, która spełni oczekiwania większości użytkowników, w tym graczy i profesjonalistów.

Dla konsumentów, których oczekiwania są jeszcze większe, powstał nowy standard PCIe 4x4, wykorzystujący magistralę PCIe 4.0, której pojedyncza linia zapewnia przepustowość na poziomie 15,752 Gbit/s (1969 MB/s). Jest więc dwukrotnie wydajniejszy niż poprzednik. Dlatego standard PCIe 4x4 oferuje przepustowość 7,86 GB/s. Oferta dysków wykorzystujących ten interfejs stale się powiększa i są one przeznaczone dla najbardziej wymagających użytkowników. Korzyści, jakie daje szybki dysk dla złącza M.2, docenią np. osoby zajmujące się obróbką plików wideo, pracujące na plikach o dużej rozdzielczości i dużej przepływności. Wydajny dysk SSD pozwala na płynny podgląd materiału czy szybsze działanie przy przewijaniu osi czasu. Oczywiście, najwydajniejsze dyski pozwalają także na szybsze kopiowanie plików, instalację programów czy wczytywanie poziomów w grach. Jednak często takie różnice mogą być trudne do odczucia zwykłemu użytkownikowi ze względu na to, że wynoszą one dosłownie kilka sekund. Dlatego najwięcej na wykorzystaniu standardu PCIe 4x4 skorzystają właśnie profesjonaliści pracujący na dużych plikach i  zbiorach danych. Warto dodać, że w interfejs ten jest wyposażona także konsola PlayStation 5. Tego typu nośniki będzie można w przyszłości wykorzystać do zwiększenia ilości pamięci na dane. Jednak póki co funkcja ta nie jest jeszcze dostępna i  producent konsoli nie określił dokładnie sposobu certyfikacji czy kompatybilności produktów.

Dostępność PCIe 4x4

Najnowsza wersja standardu – PCI Express 4.0 jest obsługiwana przez płyty główne z chipsetami B550, X570 i TRX40 dla procesorów AMD oraz Z490, B560 i  Z590 dla procesorów Intel Rocket Lake-S, które dopiero będą miały swoją premierę. Póki co więc możliwość skorzystania z nich jest ograniczona. Dostępne są także specjalne adaptery dla portu PCIe x16, które umożliwiają zamontowanie nawet kilku dysków M.2, w tym z możliwością pracy w macierzy RAID.

Macierz RAID utworzona z dysków NVMe to rozwiązanie dla najbardziej zaawansowanych użytkowników, wymagających dużej szybkości. (Fot. Silicon Power)

RAID z SDD

Jeszcze w okresie popularności dysków twardych tworzenie macierzy RAID było częstym sposobem na zwiększenie wydajności dysków, przede wszystkim pod względem szybkości zapisu i odczytu sekwencyjnego danych. Macierz RAID jest dostępna w kilku konfiguracjach. W  komputerach domowych najczęściej stosowane są RAID 0 oraz RAID 1. RAID 0 wymaga przynajmniej dwóch dysków tej samej pojemności, dane w trakcie zapisu są przeplatane pomiędzy nimi i w dużym uproszczeniu połowa pliku jest zapisana na jednym dysku, podczas gdy druga na kolejnym. To pozwala na niemal podwojenie szybkości. Możemy użyć większej liczby dysków, co będzie powodować kolejne wzrosty wydajności. Jednak awaria choćby jednego dysku oznacza całkowitą utratę danych ze wszystkich nośników. W konfiguracji RAID 1 również stosujemy przynajmniej dwa dyski. Stanowią one swoje wzajemne kopie, więc awaria jednego z nośników nie powoduje traty danych czy przerw w pracy.

Tworzenie macierzy RAID w oparciu o dyski SSD dla portu SATA w dużej mierze przypomina ten proces dokonywany na tradycyjnych dyskach twardych. Jednak występują znaczne różnice, gdy do pracy w RAID chcemy zaprzęgnąć dyski M.2 NVMe. Wynika to z faktu, że złącza często pracują z różną prędkością. Na przykład na płycie Asrock B550M Pro4 dostępne są dwa gniazda M.2, jedno o specyfikacji PCIe 4x4, a drugie PCIe 3x2. Utworzenie konfiguracji RAID 0 przy takich złączach ograniczy przepustowość macierzy do dwukrotności najwolniejszego z portów, więc w praktyce okaże się nieefektywne i lepiej po prostu zastosować dysk o większej wydajności. Jeśli jednak koniecznie zależy nam na macierzy RAID z dysków M.2, najlepiej wybrać płytę główną z dwoma złączami M.2 w standardzie PCIe 4x4, np. na chipsecie X570 lub TRX40. Użytkownicy chcący stworzyć macierz z większej liczby dysków mogą dokupić specjalny adapter dla złącza PCIe x16 z nawet czterema gniazdami M.2 w specyfikacji PCIe 4x4. Stosowanie macierzy RAID polecamy jedynie zaawansowanym użytkownikom, którzy odczują korzyści płynące z ich wykorzystania.

SSD w formacie U.2 i PCIe

2,5-calowe dyski SATA oraz M.2 NVMe cieszą się zdecydowanie największą popularnością, jednak nie są to jedyne standardy połączeń wykorzystywane przez dyski SSD. Dyski w formacie 2,5 cala wykorzystują również interfejs U.2, określany także jako SFF-8643. Na pierwszy rzut oka niewiele różnią się one od standardowych SSD dla SATA3, jednak wykorzystywane są w nich magistrala PCI Express oraz protokół NVMe. Na płycie głównej znajduje się złącze mini-SAS HD, do którego podłączamy dyski U.2 przy pomocy odpowiedniego przewodu lub adaptera. Adapter może być także podłączany do interfejsu M.2. Zaletami interfejsu U.2 są kompatybilność ze standardami SAS oraz SATA czy obecność funkcji hot swap.

Kolejnym z typów są dyski SSD dostępne w formacie karty rozszerzeń dla portu PCI Express. To rozwiązanie przeznaczone do komputerów stacjonarnych, gdzie na płycie głównej znajdziemy więcej niż jeden slot PCIe. To ciekawa propozycja dla konsumentów, którzy nie mają więcej wolnych złączy M.2, jednak zależy im na dysku, który nie będzie ustępował wydajnością. Najbardziej zaawansowane dyski, wykorzystując interfejs PCIe NVMe 4.0 x16, mogą zaoferować wydajność odczytu i zapisu sekwencyjnego na poziomie 15 000 MB/s. Zaletą dysków dla złączy U.2 i  PCIe x16 jest także dostępność bardzo dużych pojemności, sięgających nawet 8 TB. To jasno pokazuje, że są to nośniki dla wymagających, profesjonalnych użytkowników.

Trwałość dysków SSD

Obawy części użytkowników użytkujących intensywnie dyski SSD budzi trwałość komórek pamięci, które się zużywają poprzez usuwanie i ponowne zapisywanie na nich danych. Jak należy podchodzić do tego zjawiska? W praktyce zależy to od stylu użytkowania. Jeśli dysk ma być wykorzystywany jako pamięć podręczna, np. w serwerze NAS, i będzie intensywnie eksploatowany, to najlepiej wyposażyć się dysk klasy enterprise o zwiększonej trwałości.

Jak wspomnieliśmy, każdy SSD jest wyposażony w tzw. kontroler, odpowiadający za zbalansowane zużycie komórek pamięci. Ma więc zapobiec sytuacji, w której część z nich zużyłaby się szybciej, przez co cały dysk uległby uszkodzeniu. Do intensywnego użytku domowego lub profesjonalnego w  stacjach roboczych możemy zwrócić uwagę na dyski oparte o  pamięć MLC i  TLC. Z  kolei pamięci QLC świetnie sprawdzą się w urządzeniach biurowych. W praktyce jednak producenci często nie podają informacji dotyczącej zastosowanych kości. Wynika to z faktu, że w zależności od daty produkcji dyski mogą po prostu różnić się zastosowanymi komponentami. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest dostępność poszczególnych podzespołów w ofercie dostawców.

Jeśli zależy nam na dużej trwałości, powinniśmy przede wszystkim zwrócić uwagę na warunki gwarancji. Coraz częściej producenci pewni jakości oferowanych dysków zapewniają nawet 5-letnie wsparcie gwarancyjne. Jednak jest ono ograniczone przez współczynnik TBW (Total Bytes Written), który oznacza ilość danych, jaką możemy zapisać na dysku przed wygaśnięciem jego gwarancji. Jeśli wiec dysk jest objęty wspominaną 5-letnią gwarancją, jednak przekroczymy współczynnik TBW już po 4 latach, to przestanie ona obowiązywać. Ze względu na dużą ilość pamięci nośniki o większej pojemności mają TBW o wyższej wartości.

Współczynnik TBW dla przykładowego dysku o pojemności 1 TB wynosi 600. Oznacza to, że codziennie musielibyśmy zapisać na nim aż 1 TB danych oraz usuwać je, aby po 600 dniach przekroczyć jego TBW, co w konsekwencji oznaczałoby utratę gwarancji. Oczywiście, po przekroczeniu tej wartości dysk dalej będzie sprawny i można go normalnie użytkować. Dlatego nie powinniśmy obawiać się o jego zużycie. Jeśli trwałość ma dla nas bardzo duże znaczenie, powinniśmy wybierać dyski o dużym współczynniki TBW i długiej gwarancji.

Niezależnie od zakupionego dysku pamiętajmy, że bezpieczeństwo zgromadzonych na nim najważniejszych danych daje tylko ich kopia zapasowa. Powinna być ona wykonana na innym nośniku i przechowywana w bezpiecznym miejscu. Uchroni nas przed zdarzeniami losowymi np. awarią komputera, jego kradzieżą lub zgubieniem.

Przenośne SSD

Ze względu na przystępne ceny coraz większą popularnością cieszą się przenośne dyski SSD. Ich dodatkową zaletą w mobilnym użytkowaniu jest odporność na wstrząsy. W tradycyjnych przenośnych dyskach twardych upadek podczas pracy jest praktycznie gwarancją uszkodzenia, podczas gdy na rynku znajdziemy wiele wstrząsoodpornych dysków SSD. Wynika to m.in. z faktu, że są pozbawione elementów mechanicznych.

Wydajne przenośne dyski SSD polecamy przede wszystkim mobilnym profesjonalistom. Nierzadko, kupując nowy komputer, stoją oni przed wyborem, czy w danym budżecie wybrać pojemniejszy dysk czy wydajniejsze podzespoły. Zazwyczaj wybór pada na te drugie, ponieważ szybszy procesor czy karta graficzna mogą znacząco przyspieszyć wykonywanie prac. Niestety, w wielu laptopach, np. powszechnie wykorzystywanych przez osoby pracujące z grafiką i wideo, np. Macbookach Pro, podzespoły są wmontowane na stale. Nie ma możliwości wymiany dysku na większy, gdy zabraknie nam miejsca. Tu z pomocą przychodzą przenośne dyski SSD. W wypadku kompatybilności ze standardem USB 3.2 gen. 1 oferują one wydajność na poziomie 5 Gbit/s, a dla 3.2 gen 2 – 10 Gbit/s oraz 20 Gbit/s przy standardzie USB 3.2 Gen 2x2. Tak duża wydajność pozwala pracować na przechowywanych przez nie plikach praktycznie tak samo komfortowo jak na wbudowanym dysku komputera. Zarówno 3.2 gen 2 i USB 3.2 Gen 2x2 do pokazania pełni możliwości potrzebują kompatybilnego komputera oraz przewodu z obustronnym wtykiem USB-C. Jeśli zależy nam na jeszcze większej wydajności, można wybrać dysk ze standardem Thunderbolt 3, który oferuje transfer na poziomie nawet 40 Gbit/s oraz lepsze osiągi przy operacjach losowych.

Oczywiście, przenośny dysk SSD możemy także zrobić samodzielnie, po prostu dokupując odpowiednią obudowę. Pamięci SATA wykorzystują te same obudowy co przenośne HDD. Wybierając obudowę dla dysku ze złączem M.2, zwróćmy uwagę, jaki standard obsługuje – NVMe czy mSATA, aby zachować pełną kompatybilność.

Przenośne dyski SSD to dobry wybór dla użytkowników ultrabooków, w których nie ma możliwości wymiany wbudowanej pamięci. (Fot. Samsung)

Dysk SSD w konsoli

Wielu graczy zastanawia się, czy ma sens dysk SSD w konsoli. Oczywiście, takiego problemu nie mają posiadacze PlayStation 5 czy Xbox Series, które domyślnie są wyposażone w bardzo szybkie nośniki SSD. W urządzeniach starszej generacji – PS4 oraz Xbox One w standardzie znajdziemy zwykłe 2,5-calowe HDD, które można wymienić na SSD w tym formacie. Ze względu na to, że systemy konsol były projektowane z myślą o tradycyjnych nośnikach, taka zmiana nie przynosi spektakularnych wzrostów wydajności. Mimo wszystko wielu graczy donosi o odczuwalnej poprawie komfortu korzystania ze sprzętu, zwłaszcza pod kątem szybkości uruchamiania gier. Pamiętajmy jednak, że wymiana w żadnym wypadku nie poprawi płynności animacji zapewnianej przez konsolę

Wyjątkowa szybkość z Silicon Power US70

Dla wymagających użytkowników Silicon Power przygotowało dysk SSD US70, dostępny w wersjach o pojemności 1 i 2 TB. Wykorzystuje on interfejs PCIe 4x4, co pozwala na uzyskanie szybkości zapisu i odczytu sekwencyjnego odpowiednio do 4400 i 5000 MB/s, czyli dziesięciokrotnie więcej niż w dyskach SATA, to też potwierdziły nasze testy. Obsługa NVMe 1.3 zapewnia większą wydajność, mniejsze opóźnienia i mniejsze zużycie energii. Takie rozwiązania jak buforowanie SLC i bufor pamięci podręcznej DRAM poprawiają wydajność zapisu i odczytu sekwencyjnego oraz losowego. Funkcja zrównoważonej eksploatacji wyrównuje zużycie każdego bloku pamięci flash NAND, co chroni dysk przed uszkodzeniem. Dysk sprawdzi się świetnie wszędzie tam, gdzie przeprowadzane są operacje na dużych pikach, np. przy obróbce materiałów wideo w  dużej rozdzielczości czy projektowaniu graficznym.