Как работают SSD и как восстановить данные?

Как работают SSD и как восстановить данные?

SSD диск — один из основных элементов ПК. Работа всего компьютера зависит от работы диска. Наверное, ни один другой компонент не оказывает такого большого влияния на эффективность и производительность. Накопители на основе старой магнитной технологии и вращающихся пластин постепенно уходят в прошлое. Их история восходит к пятидесятым годам прошлого века. Идея магнитной записи постепенно достигает стены, что является техническим пределом. Да, жесткие диски по-прежнему будут использоваться из-за их преимуществ — доступной цены и большой емкости, но по мере снижения цен на твердотельные накопители они будут постепенно заменяться.

По сравнению с жесткими дисками SSD выглядит просто.
И все же SSD-накопитель — это не только несколько припаянных флешь-микросхем на печатной плате, но и целая подсистема, на борту которой есть процессор, оперативная память и операционная система (прошивка). Его можно определить, как устройство хранения информации с расширенным контроллером, буфером, оперативной памятью и резервом памяти.

Диски SSD записывают данные в энергонезависимые ячейки микросхем Flash. Другими словами, в отличие от ОЗУ, флэш-память не теряет данные при отключении питания. В традиционных запоминающих устройствах ОЗУ для хранения данных используется транзистор с конденсатором. Однако для этого требуется бесперебойное питание. Напротив, в ячейках флэш-памяти используются два транзистора. Один из них — плавающие затворы, а другой — управляющие затворы. Плавающий затвор может хранить электрический заряд даже после отключения питания. Электрические заряды, удерживаемые в плавающем затворе, через электрическое поле влияют на управляющий затвор. Так меняется его проводимость. Следовательно, достаточно измерить эту проводимость, чтобы отличить заряженный затвор от незаряженного. При удалении таких затворов эти процессы меняются, и нагрузка с управляющего затвора снимается путем подачи высокого напряжения сброса. Вот как работает одна ячейка микросхемы флеш-памяти. В одном чипе могут быть миллиарды таких ячеек.

Два типа памяти

Проще всего сказать, что в любой флешь-памяти ячейки организованы в строки — называемые словарными строками и столбцы — называемые битовыми строками. Флешь-память можно разделить на два основных типа, которые различаются логической структурой и способом записи и чтения данных:

— NOR — имеет возможность писать и читать отдельные ячейки. Проще говоря, приложив напряжение к словарной шине ячейки, в зависимости от ее заряда, напряжение появится на правильной битовой строке. Используя простой логический оператор NOR, вы можете установить определенное значение в данной ячейке. Это несомненное преимущество этой памяти перед памятью NAND. К сожалению, недостатками являются высокие производственные затраты и сложная конструкция, требующая обращения к каждой ячейке. Предыдущие разработки идеально подходят для простых схем памяти.

— NAND — это комбинация логических элементов NOT и AND — в этих ячейках памяти есть ссылка на целые блоки, размер которых может составлять от 512 до 4096 байт. В памяти этого типа ячейки памяти соединены в столбцы последовательной битовой строкой. Строки же соединяются горизонтальными линиями словно (строка за строкой), соединяясь непосредственно с каждой ячейкой. Данные читаются целыми строками. Невозможно прочитать одну ячейку. Вся строка называется страницей. При чтении из такой памяти возвращаются целые страницы.

Наиболее популярные типы NAND-памяти:

В настоящее время в твердотельных накопителях чаще всего используются память MLC, TLC или SLC NAND. Как правило, речь идет об увеличении плотности записи, то есть количества битов на одну ячейку памяти. Стандартная одноуровневая ячейка способна хранить один бит информации. Отсюда и название «Одноуровневая ячейка». Производители микросхем памяти пришли к идее использовать разные уровни напряжения на плавающем затворе для установления разных уровней заряда. Такие клетки называются клетками уровня Мути. В памяти трехуровневой ячейки три бита данных хранятся в одной ячейке памяти. Этот тип памяти чаще всего используется в бюджетных SSD из-за самых низких скоростей операций чтения и записи и из-за самой низкой надежности. Предыдущие разработки в технологии MLC — это своего рода компромисс между дешевой и энергозависимой памятью TLC и надежной и быстрой памятью SLC. На этом этапе следует обратить внимание на количество ошибок, связанных с операциями с памятью. В SLC вероятность ошибок минимальна. Из-за одноуровневой записи, когда на ячейку памяти приходится только один бит.

Пойдя еще дальше, производители дисков разработали новый тип памяти, в котором они применили технологию 3D NAND. Почему? Короче говоря, дело в том, что традиционные системы 2D NAND приблизились к пределу плотности упаковки ячеек в чипах. Таким образом, вы не можете упаковать больше данных, сохранив размер чипов.

И производителям пришла в голову идея наращивать вверх. Да короче 3D NAND работает. Двухэтажный блок вместит больше жителей, чем одноэтажный. Вот почему система памяти 3D NAND имеет в своем распоряжении гораздо большее количество ячеек, чем система 2D. Все из-за многоуровневого расположения ячеек. Современные технологии позволяют наносить 32 слоя на поверхность 1×1 мм. Однако технология постоянно развивается, и такие производители, как Samsung или Intel, объявляют, что скоро слоев будут сотни. Технология 3D NAND позволила увеличить емкость накопителей и значительно снизить затраты и энергопотребление SSD. Он очень развит, поэтому производители дисков вкладывают в него большие средства.

КонтроллерКонтроллер SSD

Для бесперебойной работы диска требуется устройство управления распределением данных. Каждый раз, когда диск получает команду от операционной системы на выполнение какой-либо операции с данными, они обрабатывается контроллером и его программным обеспечением, а затем разбивается на разные страницы памяти. Кроме того, он отвечает за упорядочение и буферизацию данных перед записью и чтением. Все это в первую очередь направлено на балансировку потребления ячеек памяти, а также оптимизацию и безопасность процессов, запущенных на SSD-диске. Таким образом, контроллер является основным компонентом всей подсистемы SSD. Однако его прошивка отвечает за алгоритмы, реализованные в логике контроллера. Это программное обеспечение необходимо для правильной работы привода. Любой сбой в этой системе приводит к фатальным ошибкам.

Восстановление данных

Восстановление данных с SSD накопителей чрезвычайно сложен, поскольку каждый производитель вводит свои собственные алгоритмы записи, шифрование и многие другие факторы, которые влияют на то, как информация хранится в памяти NAND. Чрезвычайно важно распознать алгоритмы контроллера, чтобы иметь возможность копировать полезные данные с SSD. Это непростая задача, потому что запись и чтение данных не упорядочены, а определяются микропрограммой контроллера, которая делит данные на части и назначает себе только известные распределения в ячейках памяти.

Симптомы неисправного SSD

Самые распространенные из них:

SSD диск информирует о неправильной емкости — чаще всего проблема связана с повреждением прошивки диска

SSD диск не виден в системе BIOS — проблема может заключаться в повреждении контроллера, прошивки, микросхем памяти или электрическом повреждении

зависание экрана, виснет системы — указывает на износ ячеек памяти чипа NAND. Затем время доступа увеличивается. Если контроллер встречает такую ​​ячейку, у него возникают проблемы с ее чтением.

данные видны на SSD диске, но не могут быть использованы — повреждение прошивки или логической файловой системы

синий экраны смерти — компьютерный контроллер не может считывать системные данные с диска

система работает медленно или не запускается — компьютер не может прочитать файлы, необходимые для правильной инициализации Windows

диск определяется как пустой — ошибка прошивки или контроллера