Как работает твердотельный накопитель (SSD), контроллер и Flash (Nand) память
SSD очень быстрое запоминающее устройство и если разобрать его, то можно увидеть что он представляет собой печатную плату, с множеством чипов Flash памяти, типа NAND, именно они хранят информацию, а рядом с ними распаиваются контроллер и dram память. Контроллер отвечает за связь накопителя с компьютером и осуществляет операции чтения/записи, а DRAM служит как небольшой кэш и ускоряет доступ к данным.
В некоторых SSD на обратной стороне или на отдельной плате размещаются дополнительные чипы памяти и ряд ёмких конденсаторов, они позволяют безопасно выключить устройство при резком отключении питания. (Аппаратный PLP)
Другие твердотельные накопители, такие как usb-накопители и карты памяти имеют похожее строение, только в них нет dram, меньше чипов памяти и устанавливается менее производительный контроллер.
Ну а чтобы более детальней понять их работу, нужно рассмотреть как работает чип Flash памяти. Разобрав его, видно что состоит он из множества кристаллов,
если подробней рассмотреть один из них, то видно что большую часть кристалла занимает массив ячеек и лишь небольшая область отводится под буфер и логику.
Если проникнуть внутрь кристалла, то видно что он имеет трёхмерную структуру, состоящую из рядов вертикально уложенных ячеек Флеш памяти, и если разобрать одну отдельную ячейку, то её строение покажется запутанным, к тому же у разных производителей, принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтения данных из ячейки.
Так что лучше представить её в виде схемы, так легче понять что ячейка представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и "плавающим". Плавающий затвор способен удерживать внутри себя электроны, тем самым делая из транзистора ячейку памяти.
Чтобы записать информацию, на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение, это позволяет электронам пройти сквозь диэлектрик и остаться на плавающем затворе.
Для удаления заряда, на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, а на исток — положительное.
Каждый такой цикл записи и стирания разрушает слой диэлектрика, так что число перезаписи на ячейку ограничено.
Считывание не приводит к этому эффекту и проверять что записано в ячейке, ноль или единица, можно сколько угодно раз для этого, на управляющий затвор подаётся напряжение и проверяется, может ли идти ток по транзистору:
Если на плавающем затворе много электронов, то ток идти не будет, значит это единица. Если их немного, то ток пойдет, значит это ноль.
(у некоторых производителей ячейка может считываться наоборот)
Так считываются одноуровневые ячейки SLC, если же материал плавающего затвора способен захватить много электронов, а электроника способна размещать на плавающем затворе разные уровни зарядов и распознать несколько пороговых напряжений, то такая ячейка может хранить несколько бит информации. Например QLC ячейки могут хранить 4 бита информации, но для этого нужно различать 16 пороговых напряжений.
(Информация с SLC ячеек считывается и отправляется на контроллер почти без задержек. Чипы с QLC ячейками имеют внутреннею задержку в связи с необходимостью формирования специального сигнала для каждой ячейки и распознавания его)
Ко всему этому, чтобы уместить на кристалл как можно больше ячеек, их группируют соединяя последовательно и с обоих сторон подключают обычные транзисторы, принципиальная схема массива выглядит примерно так,
но в самом кристалле, массив имеет трёхмерную структуру. Ячейки, находящиеся на одной разрядной линии, образуют страницу размером в 4 килобайта, это минимальная область с которой можно считать или записать данные
Множество страниц формируют блок, размером 512 килобайт, это минимальная область которая может быть стёрта. То есть, если нужно переписать информацию всего лишь одной страницы, придётся стирать данные аж с целого блока и потом снова записывать.
Такие ограничения существует из-за архитектуры nand памяти, а так как таких блоков очень много, всеми операциями чтения записи руководит контроллер, он управляет структурой размещения данных и контролирует состояние ячеек, распределяя данные так чтобы одни ячейки не использовались чаще других, тем самым увеличивая срок службы накопителя.
Если посмотреть на блок схему типичного контроллера, то видно что он состоит из 32 битного RISC процессора который выполняет инструкции микропрограммы и может иметь до 4 ядер. Так же есть ddr контроллер отвечающий за работу с внешним DRAM-буфером, есть блок ecc, отвечающий за обнаружение и коррекцию ошибок, есть блоки интерфейсов отвечающие за обмен данными с чипами памяти и внешними интерфейсами и есть блоки отвечающие за шифрование и другие функции, которые могут меняться в зависимости от необходимого функционала.
Помимо контроллера, на скорость накопителя влияет интерфейс подключения. Существует множество форм-факторов SSD с разными интефейсами подключения и разной скоростью, но чаще всего в обычных компьютерах используются 2,5-дюймовые ssd или формата m2.
2,5-дюймовые SSD имеют интерфейс SATA, третьего поколения, такой интерфейс обеспечивает пропускную способность до 600 Мбайт/с. Накопители mSATA (mini-SATA) имеют такой же интерфейс.
В SSD M.2 используется один из двух интерфейсов: SATA3 или PCIe. В зависимости от количества выделенных линий и версии PCIe скорость может отличаться. Например PCI-E третей версии и с четырьмя выделенными линиями имеет пропускную способность до 4ГБ/с.
Так же такие накопители имеют несколько вариантов ключей. Есть накопители с B, M и B+M коннекторами.
Так же есть SSD в виде платы расширения которые подключаются напрямую в PCI-Express слот материнской платы. Некоторые модели таких накопителей могут использовать 8 и даже 16 линий слота PCIe, что даёт пропускную способность выше 6ГБ/с.
Кроме этого есть ещё много разных форм факторов, например U2, U3, NF1, и другие (EDSFF, 1.8 дюймовые), но ничем серьёзным, кроме размеров и коннекторов они не отличаются, да и используются они в основном в серверах и рабочих станциях.
Так же, хочется сказать что существует ещё один вид SSD накопителей, в которых вместо чипов Flash памяти используются чипы с технологией 3D crosspoint, в них в качестве ячеек не используются транзисторы с плавающим затвором и такие накопители быстрей обычных, но к сожалению у меня мало информации про эту технологию, так что на этом у меня всё, всем пока.
Апгрейд для 80286
Однажды томным вечером я играл на 286 под треск MFM-диска. "Как же медленно!", подумал я... И решил что 286ому нужен апгрейд.
1) Корпус был отмыт(насколько это вообще возможно).
2) Приобретены салазки для флоппика 3,5" в отсек 5,25"(с "мордой")
3) Установлена мультикарта, с её помощью я добавил 286 ещё 1 СOM-порт и IDE-контроллер.
4) Подключен жёсткий диск IDE "CONNER CFA170A" на 170 MB, что после медленного и маленького MFM диска просто офигенно. По удобству можно сравнить с заменой HDD на SSD, грузится система теперь на 15 секунд быстрее. Чтение/запись осуществляется почти мгновенно(особенно после MFM).
5)Установлен салазками в отсек 5,25
Вообще-то, я хотел поставить что-то побольше 170 метров.
Например, SEAGTE ST32122A на 2,1 ГБ или SAMSUNG WNR-31601A на 1,61 ГБ
Но первый виделся 286м не полностью (не верил он что бывают такие диски), а со второго он отказался грузится вообще(в остальных системах вполне работает).
Также мною была поменяна батарейка биоса, которая на самом деле очень даже аккум. Взял аккумулятор от домашнего радиотелефона, объёмом намного больше родного. (салатовый, виднеется на стенке слева от БП)
Глазастые люди могли заметить звуковушку и сетевую плату, но пока я не смог поставить на них дрова. Если удастся запустить, то сделаю пост.
Так теперь выглядит задняя панель системника.
Шильдик.
Была идея поставить жёсткий диск в "mobile rack" для быстрого съёма, но он вышел из строя.
Надыбал "эргономичную" клавиатуру.
Ну и по традиции видео запуска(и немного ретро-игр).
Спасибо что дочитали до конца, что бы вы хотели увидеть на 286?
P.S. пока делал пост понял что диск можно переставить в самый низ, а на его место флоппарь 5,25 дискет.
Отечественные процессоры МЦСТ, или Российский x86 не для всех
Как работает оперативная память компьютера (RAM, ОЗУ)
Оперативная память это важная часть любой компьютерной системы и сейчас я объясню, почему это так. В процессе работы память выступает в качестве буфера между накопителем и процессором, то есть данные сперва считываются с жесткого диска (или другого накопителя) в оперативную память и уже затем обрабатываются центральным процессором. Такая схема применяется, потому что процессор - очень быстрое устройство и ему требуется быстро получать доступ к нужным данным и командам, иначе он будет простаивать и производительность системы уменьшится, а так как жёсткий диск и SSD не могут обеспечить необходимую скорость, все нужные данные считываются и перемещаются в более быструю оперативную память и хранятся там, пока не понадобятся процессору для обработки.
Физически, оперативная память представляет собой набор микросхем припаянных к плате. Если посмотреть внутрь одной такой микросхемы, можно увидеть что она состоит из множества, соединённых друг с другом слоёв, каждый слой состоит из огромного количества ячеек, образующие прямоугольные матрицы. Одна ячейка может содержать 1 бит информации, а состоит она из одного полевого транзистора и одного конденсатора.
Выглядит эта конструкция довольно сложно и может различаться в зависимости от применённых технологий, так что для наглядности лучше представить ячейку в виде схемы.
Так легче понять, что именно конденсатор хранит информацию, а транзистор выполняет роль электрического ключа, который либо удерживает заряд на конденсаторе, либо открывает для считывания. Когда конденсатор заряжен, можно получить логическую единицу, а когда разряжен, ноль. Таких конденсаторов в чипе, очень много но считать заряд с одной конкретной ячейки нельзя, считывается вся страница целиком, и чтобы сделать это необходимо на нужную нам горизонтальную линию которая называется строка, подать сигнал, который откроет транзисторы, после чего усилители расположенные на концах вертикальных линий считают заряды которые находились на конденсаторах. Каждое такое считывание опустошает заряды на странице, из-за чего приходится её заново переписывать, для этого на строку так же подаётся открывающий транзистор заряд, а на столбцы подаётся более высокое напряжение, тем самым заряжая конденсаторы и записывая информацию. Задержки между этими операциями называются таймингами, чем они меньше тем более быстрая будет вся система в целом
Но вернёмся к модулю памяти в макро масштабе и посмотрим что, помимо самих чипов памяти, на модуль распаиваются SMD-компоненты резисторы и конденсаторы обеспечивающие развязку сигнальных цепей и питание чипов, а также Микросхема SPD – это специальная микросхема, в которой хранятся данные о параметрах всего модуля (ёмкость, рабочее напряжение, тайминги, число банков и так далее). Это нужно чтобы во время запуска системы, BIOS на материнской плате выставил оптимальные настройки согласно информации, отображенной в микросхеме.
Так же существует несколько форм факторов модулей, модули для компьютеров называются DIMM, а для ноутбуков и компактных систем SO-DIMM, отличаются они размером и количеством контактов для подключения. Это двухрядные модули которые имеют два независимых ряда контактов по одному с каждой стороны.
Например в старых модулях Simm контакты с двух сторон были замкнуты и они могли передать только 32 бита информации за такт, в то время как dimm могут передавать 64 бита.
Ко всему этому модули делятся на одноранговые, двухранговые и четырёхранговые. Ранг — это блок данных шириной 64 бита, который может быть набран разным количеством чипов память.
Одноранговая память имеет ширину 64 бита, тогда как Двухранговая память имеет ширину 128 бит. Но, так как один канал памяти имеет ширину всего 64 бита, как и одноранговый модуль, контроллер памяти может одновременно обращаться только к одному рангу. В то время как двухранговый модуль может заниматься ответом на переданную ему команду, а другой ранг уже может подготавливать информацию для следующей команды, что незначительно увеличивает производительность.
Так же хочется отдельно сказать о памяти с коррекцией ошибок, ECC-памяти, так как эти модули имеют дополнительный банк памяти на каждые 8 микросхем. Дополнительные банки и логика в модуле служат для проверки и устранения ошибок.
Использование буферов и коррекции ошибок незначительно ухудшает производительность, но сильно повышает надёжность данных. Поэтому ECC память широко используется в серверах и рабочих станциях.
Ещё немного расскажу о типах памяти, так как в современных компьютерах используется синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных DDR SDRAM 4-го поколения и скоро будет распространено пятое.
Память типа ddr пришла на смену памяти типа SDR. SDR SDRAM работает синхронно с контроллером. В ней внутренняя и внешняя шина данных работает на одной и той же частоте. При подаче сигнала на микросхему происходит синхронное считывание информации
и передача её в выходной буфер. Передача каждого бита из буфера происходит с каждым тактом работы ядра памяти. В SDR памяти синхронизация обмена данными происходит по фронту тактового импульса.
После SDR, вышла DDR память, в ней обмен данными по внешней шине идет не только по фронту тактового импульса, но и по спаду, из-за чего на той же частоте можно передать вдвое больше информации, а чтобы воспользоваться этим увеличением, внутреннею
шину расширили вдвое. То есть работая на тех же частотах что SDR, DDR память передаёт в 2 раза больше данных.
Следующие поколения памяти DDR не сильно отличаются, увеличивается только частота
работы буферов ввода вывода, а также расширяется шина, связывающая ядро памяти
с буферами, сам принцип работы не меняется, но даже так, каждое новое поколение
получает таким способом существенное увеличение пропускной способности, без увеличения частоты работы самих ячеек памяти.
Понятно что с каждый новым поколением улучшается работа логики, техпроцесс и многое другое. Но сам принцип работы остаётся одним и для общего понимая этого достаточно.
На этом у меня всё, всем пока.
Сможете найти на картинке цифру среди букв?
Справились? Тогда попробуйте пройти нашу новую игру на внимательность. Приз — награда в профиль на Пикабу: https://pikabu.ru/link/-oD8sjtmAi
Истории от Master095. Пост #388. Полезный сайт, чтобы не купить хлам на OZON под видом нового и разобраться в производительности
Сейчас времена веселые, люди идут на всё чтобы заработать и продают откровенное старье под видом нового:
Покупает клиент вот такой "новый" комплектик, думает как же он умен и хитер взял себе по акции мощный процессор Сore i5 и материнку по дешевке и в добавок ещё 8gb DDR3 черной памяти AMD
А по факту и процессор и плата минимум 12-летние и конечно с новой памятью не зарабатает и вообще деньги на ветер, но как он мог это проверить, до покупки:
заходим на сайт https://benchmark.best/ открываем раздел процессоры вбиваем i5-650
И видим что подсунули нам хлам 2010 года и поколение процессора совсем не 6-е а первое), соответственно и материнская плата того же года... и при любом раскладе товар б.у. не бывает такого, чтобы он 10 лет новый лежал на складе... кроме того тех.процесс производства(те самые нанометры) как у интел так и у amd меняется каждые 2-3 года и их заводы переходя на новый тех.процесс физически не могут выпускать старые процессоры, тоже самое касается и материнских плат...
И на этом прекрасном сайте есть ещё пара разделов позволяющих сравнить, производительность процессоров или видеокарт, это полезно при выборе компьютера, например вот перед нами несколько компьютеров похожих по характеристике и цене,
Например у нас есть цель, выбрать компьютер в офис за 25-30тр с 8gb памяти и ssd 256
Выбор большой, но что будет быстрее и насколько оправдана цена
тут нам на помощь приходит тот же сайт, только раздел сравнение процессоров, и сразу выбор становиться очевидным
Также там реализовано сравнение видеокарт, для примера возьмем несколько популярных моделей, сейчас представленных на рынке:
Идем в раздел сравнение видеокарт: https://benchmark.best/ru/gpu_comparison.html
можем убедиться, что модели не очень старые
А здесь можем увидеть сравнение производительности...
И последнее разберем очередной хлам с OZON который выдают за новый комп:
Даже относительно высокая цена не гарантия, получения нового товара.
И к сожалению сейчас половина ассортимента готовых компьютеров на OZON, это явно б.у. Если отсортировать компы по цене там самые бюджетные будут на процеccорах i3-2130, из 2011 года, и материнские платы на Intel H61 чипсете из 2012 годов и это всё выдается за новый товар... А потом клиент удивляется что у него комп новый, но тормозит...
Мой вам совет, покупаете комп на OZON проверяйте год выпуска процессора и видеокарты, чтобы не нарваться на хлам.