Jak funguje SSD disk - jednoduše a pochopitelně

Porozumění fungování Solid-State Disků (SSD)

Abychom pochopili, jak SSD fungují a proč jsou tak užitečné, musíme nejprve porozumět, jak funguje počítačová paměť. Architektura paměti počítače se skládá ze tří částí:

1. Cache (vyrovnávací paměť)
2. Paměť
3. Datový disk

Každý z těchto aspektů plní důležitou funkci, která určuje způsob jejich fungování.

1. Cache je nejrychlejší a elementární paměťová jednotka. Při běhu počítače slouží cache jako určité hřiště pro datové výpočty a procedury. Elektrické cesty do cache jsou nejkratší, což umožňuje téměř okamžitý přístup k datům. Cache je však velmi malá, takže její data jsou neustále přepisována.
2. Paměť je zlatá střední cesta. Můžete ji znát jako paměť RAM (Random Access Memory). Zde váš počítač ukládá data související s programy a procesy, které aktivně běží. Přístup do RAM je pomalejší než přístup do cache, ale pouze zanedbatelně.
3. Datový disk je místo, kde je vše ostatní uloženo trvale. Je to místo, kde jsou uloženy všechny vaše programy, konfigurační soubory, dokumenty, hudební soubory, video soubory a vše ostatní. Když chcete přistupovat k souboru nebo spustit program, počítač jej musí načíst z datového disku do RAM.

Důležité je vědět, že mezi těmito třemi aspekty existuje obrovský rychlostní rozdíl. Zatímco cache a RAM pracují v řádu nanosekund, tradiční pevný disk (HDD) pracuje v řádu milisekund.

Datový disk je úzkým hrdlem: bez ohledu na to, jak rychlé je vše ostatní, počítač může načítat a ukládat data jen tak rychle, jak to zvládne datový disk.

Kdybyste rozebrali typický pevný disk HDD, uvidíte jednu nebo více kovových kulatých datových ploten (na těch jsou uložena vaše data) rotujících podél své osy, a sadu čtecích hlav disku, které  můžeme analogicky přirovnat k přenosce s jehlou na konci. Celé to může v zásadě připomínat starý dobrý gramofon. Než "jehla na konci přenosky" může číst nebo zapisovat data, musí se datové plotny roztočit do provozních otáček a umístit přenosku na správné místo nad datovou plotnu - gramodesku. 

A zde přicházejí na řadu SSD disky. Zatímco tradiční pevné disky HDD jsou řádově pomalejší než cache a RAM, SSD jsou mnohem rychlejší. To může výrazně zkrátit dobu potřebnou k načtení různých programů a procesů a váš počítač bude nejen pocitově významně rychlejší.

Jak fungují velmi zjednodušeně SSD disky? SSD slouží ke stejnému účelu jako HDD: ukládají data a soubory pro dlouhodobé použití. Rozdíl je v tom, že SSD používají typ paměti nazývaný "flash paměť", která je podobná RAM - ale na rozdíl od RAM, která maže svá data při každém vypnutí počítače, data na SSD zůstávají i při ztrátě napájení.

SSD tak ve srovnání s HDD fungují zcela odlišně. SSD se nazývají "solid-state", protože nemají žádné pohyblivé části. Nic se netočí, a nepohybuje. Tzn. data se ukládají bez nutnosti mechanického pohybu, což je základní předpoklad pro zásadní navýšení rychlosti ukládání a čtení dat. V zásadě si lze SDD disk představit jako extrémně rychlou paměťovou kartu nebo USB flash disk. 

SSD používají ve svých paměťových čipech mřížku elektrických buněk pro rychlé odesílání a přijímání dat. Tyto mřížky jsou rozděleny na sekce zvané "stránky" a na těchto stránkách jsou uložena data. Stránky jsou dále seskupeny do "bloků".

Proč je to nezbytné vědět? Protože SSD mohou zapisovat pouze na prázdné stránky v bloku. V HDD lze data zapisovat na jakékoli místo na plotně kdykoli, což znamená, že data lze snadno přepsat. SSD nemohou přímo přepisovat data na jednotlivých stránkách. Mohou zapisovat data pouze na prázdné stránky v bloku.

Jak tedy SSD zvládají mazání dat? Když je v bloku označeno dost stránek jako nepoužívaných, SSD uloží data z celého bloku do paměti, celý blok smaže, poté znovu uloží data z paměti zpět do bloku a přitom ponechá nepoužité stránky prázdné. Všimněte si, že smazáním bloku nutně neznamená, že data jsou úplně pryč.

To znamená, že SSD se teoreticky časem mohou zpomalovat. Když máte nový SSD, je celý "naložen" bloky plnými prázdných stránek. Když na SSD zapíšete nová data, může je okamžitě zapsat na tyto prázdné stránky bleskovou rychlostí. Jak se však zapisuje stále více a více dat, prázdné stránky dojdou a vy zůstanete s náhodnými nevyužitými stránkami rozptýlenými po blocích.

Protože SSD nemůže přímo přepsat jednotlivou stránku, pokaždé, když budete od té doby chtít zapsat nová data, bude muset SSD v popsaném pořadí vykonat následující:

1. Najít blok s dostatečným počtem stránek označených jako "nepoužité".
2. Zaznamenat, které stránky v tomto bloku jsou stále potřebné.
3. Obnovit každou stránku v tomto bloku na prázdnou.
4. Přepsat potřebné stránky do nově obnoveného bloku.
5. Vyplnit zbývající stránky novými daty.

Proto, jakmile projdete všemi prázdnými stránkami z nového SSD, bude váš disk muset projít tímto procesem pokaždé, když bude chtít zapsat nová data. Takto funguje většina flash pamětí. Je to však stále mnohem rychlejší než tradiční HDD a rychlostní zisky rozhodně stojí za nákup SSD namísto HDD.

Tento problém však řeší funkce TRIM, která je podporována moderními operačními systémy společně s SSD disky. TRIM umožňuje operačnímu systému informovat SSD o tom, které datové bloky již nejsou používány a mohou být považovány za volné. SSD pak může tyto bloky proaktivně smazat a připravit pro budoucí zápisy, aniž by muselo procházet časově náročným procesem mazání a přesouvání dat při každém zápisu. Díky tomu si SSD s podporou TRIM udržují vysoký výkon i při dlouhodobém používání a minimalizují negativní dopady fragmentace volného místa. Zároveň však tento způsob optimalizace zápisu dat přináší jeden významný problém. Pokud budete potřebovat obnovit data z SSD, např. po smazání souborů nebo naformátování disku, nemusí být prognózy vůbec dobré.

Flash paměť vydrží pouze omezený počet zápisů - přirozeně

Při používání SSD je nutné periodicky resetovat elektrické náboje v každé z jeho datových buněk. Bohužel s každým resetem se mírně zvyšuje elektrický odpor každé buňky, což zvyšuje napětí potřebné k zápisu do této buňky. Nakonec se požadované napětí stane tak vysokým, že do příslušné buňky bude nemožné zapisovat.
Datové buňky SSD mají tedy omezený počet zápisů. To však neznamená, že SSD nevydrží dlouho! Většina moderních SSD disků je navržena tak, aby vydržela zápisovou zátěž odpovídající několika desetiletím běžného používání.

Celkově vzato, ačkoli mají SSD disky omezený počet zápisů, je nepravděpodobné, že by většina uživatelů při běžném používání narazila na problémy s opotřebením disku. S pokračujícím vývojem technologií flash pamětí se navíc očekává, že se životnost SSD disků bude i nadále prodlužovat.