Solid-state drive(ssd)

Un SSD, pour solid-state drive (disque électronique au Québec¹), est un matériel informatique permettant le stockage de données sur de la mémoire flash.

Le terme anglais « solid-state » signifie que ce matériel est constitué de mémoires à semi-conducteurs à l’état solide par opposition aux disques durs classiques, sur lesquels les données sont écrites sur un support magnétique en rotation rapide.

Un SSD est matériellement plus solide qu’un disque dur, les plateaux de ces derniers étant de plus en plus souvent en verre depuis 2003². Cette spécificité lui permet une résistance aux chocs et aux vibrations bien plus importante que les disques mécaniques. Les SSD surclassent les disques durs classiques au niveau de la performance (débit, latence inexistante sur les SSD, consommation). Néanmoins, le rapport prix-espace de stockage reste encore largement à l’avantage du disque mécanique, près de dix fois moins cher en 2012.

Une tendance apparue en 2012 sur les ordinateurs de salon consiste à mettre le système sur un SSD d’environ 100 Go et les données sur un disque dur de capacité 10 fois supérieure et de coût similaire.

Historique

Développement des SSD

L’objet principal d’un SSD à l’heure actuelle est de s’affranchir de trois défauts des disques durs classiques :

• leur mécanique et leur fragilité d’une part (cf. la tribologie) ;
• les nuisances sonores dues à la lecture des données ;
• des latences importantes d’accès aux données : en moyenne une demi-rotation nécessaire pour accéder à celles-ci plus le temps de déplacement de piste à piste de la tête de lecture.

Au moment où apparaissent les SSD, la majorité des disques tournent à 7 200 tr/min, soit environ 4,2 ms de latence moyenne, et le temps moyen de recherche^{N 1} est, le plus souvent, compris entre 8 et 12 ms pour un disque dur grand public, ce qui donne donc un temps d’accès moyen compris entre 12 et 16 ms^{N 2}. Ce temps d’accès moyen a peu évolué en dix ans, tandis que les vitesses des processeurs, des mémoires vives, des cartes vidéo et d’un bon nombre des composants d’un PC ont connu d’importants progrès.

L’usage de la mémoire flash supprime en théorie le problème des temps d’accès, ramené à l’ordre de 0,1 ms seulement. La réactivité de l’ordinateur est donc considérablement augmentée^{N 3}. Les SSD se révèlent donc systématiquement plus rapides que les disques traditionnels (par exemple, un disque SSD obtient des débits jusqu’à 540 Mo/s en lecture et 520 Mo/s en écriture).

Ce propos doit toutefois être nuancé par deux points :

• les SSD sont nettement plus performants en lecture, mais leur conception fait qu’ils ne peuvent réécrire que des zones bien plus grandes qu’un secteur disque^{[réf. nécessaire]}. Leur performance réelle en écriture ne sera donc que rarement leur performance théorique maximale, hormis en mode séquentiel^{[réf. nécessaire]} ;
• alors que le disque dur laisse beaucoup de temps libre au processeur entre deux opérations où il le sollicite, le SSD ne le fera pas du fait de son absence de délais mécaniques. Il peut donc en résulter une perte de réactivité sauf si dans un multiprocesseur on utilisait l’affinité processeur pour en dédier un au SSD^{[réf. nécessaire]}.

Démocratisation : prix et capacités

La démocratisation des SSD a été proportionnelle à la diminution de leur prix, corrélée à l’augmentation de leurs capacités. Au début des SSD, leurs capacités très faibles ne permettaient pas d’installer un Windows (4,8 puis 16 Gio). Par ailleurs, Windows XP était mal optimisé pour les SSD, sa conception remontant à plus de 6 ansavant leur apparition effective. Windows Vista, gérant un peu mieux les SSD, avait la fonction ReadyBoost, ce qui offrait une opportunité pour l’usage de ces petits SSD. Par la suite, les SSD ont pu avoir la capacité d’accueillir de lourds systèmes Windows, à un prix supportable, de sorte que la configuration préférée des informaticiens était un SSD système et un (ou plusieurs) disques mécaniques en stockage. Cette méthode, restée élitiste par l’achat d’au moins deux unités de stockage, dont une coûteuse, ne s’est démocratisée qu’avec la baisse de prix, équipant dans un premier temps les PC fixes haut de gamme, avant de descendre progressivement vers les tours et portables de milieu de gamme.

Le gigaoctet pour 1 euro a été atteint en France début septembre 2011, dans le cadre d’une offre promotionnelle restreinte^{N 4}. La baisse se poursuit, puisqu’en novembre 2012, on atteint le prix de 0,68 €/Go^{N 5} et en décembre 2013 0,5 €/Go³.

Différentes formes de SSD

Forme classique

En général, un SSD se présente sous la même forme qu’un disque dur classique. Ainsi les appareils au format 2,5″ peuvent nécessiter un adaptateur pour être utilisés dans un emplacement prévu pour un format 3,5″. Ils possèdent généralement une alimentation SATA ainsi qu’une connectique SATA III.

Carte PCI

Afin de délivrer le maximum de leur débit, il existe des SSD reliés à la carte mère par le biais d’un connecteur PCI Express, à l’image d’une carte graphique. Ceci permet à certains SSD de dépasser la barre du Gio/s⁴, alors que les interfaces SATA sont limitées à 600 Mio/s pour les toutes dernières générations, et même300 Mio/s pour les interfaces SATA les plus répandues.

Les SSD au format PCI Express sont le plus souvent constitués d’un contrôleur RAID interfaçant deux à huit SSD placés directement sur la carte, permettant ainsi d’obtenir une solution RAID clé en main et bien plus compacte qu’une carte SATA RAID raccordée à des SSD SATA classiques au format 2,5 ou 3,5 pouces. Cependant, ce type de solution ne supporte pas encore la commande TRIM.

Solutions « artisanales »

Diverses solutions exotiques avaient été vendues sur internet au début des SSD pour éviter les prix astronomiques de ces stockages. En faisant son SSD, on pouvait maîtriser capacité et prix.

• Jeu (Bundle) de barrettes de mémoire vive fixées sur une carte fille, connectée à la carte mère via PCI
• Multislots de carte mémoires (compact Flash)
• …

• 

  Carte mémoire constituée de barrettes DDR.

• 

  Barrette de RAM connectée via SATA.

• 

  Adaptateur pour carteCompactFlash.

Divers formes de SSD « exotiques »

Fonctionnement et architecture

Un SSD stocke les données (documents, musique, film…) sur de la mémoire flash, de la même manière qu’une simple clé usb. Un SSD est donc un support de mémoires flash relié à l’ordinateur, souvent par SATA III, mais progressivement remplacé par PCI, pour plus de performance. Cette mémoire flash, répartie sur la carte en plusieurs modules, est pilotée par un contrôleur qui organise le stockage et la répartition des données sur l’ensemble de la mémoire. Les données échangées entre le système d’exploitation et la mémoire transitent par une mémoire tampon (buffer). Le SSD fonctionne logiciellement par un BIOS interne qui permet entre autres, la manipulation de divers paramètres et l’affichage de beaucoup d’informations non visibles par l’intermédiaire du système d’exploitation.

Comparaison entre SSD et HDD

Techniques

Types de mémoires SLC, MLC ou TLC

Il existe trois types de mémoire flash : la SLC NAND (Single Level Cell), dans laquelle chaque cellule élémentaire peut stocker un seul bit (deux niveaux de charge), la MLC NAND (Multi Level Cell), dans laquelle les cellules peuvent stocker plusieurs bits (le plus souvent, 2 bits), soit quatre niveaux de charge. Enfin, la technique dite TLC NAND (Triple Level Cell), variante de MLC comportant 3 bits, soit huit niveaux de charge, également appelé MLC « X3 » (introduites en 2009), augmente encore le nombre d’écritures possible.

Le stockage de plusieurs bits par cellule permet de diminuer fortement le coût de fabrication, puisque la densité est au minimum doublée, mais dégrade les performances, surtout en écriture, et réduit grandement la durée de vie des cellules. Sur des mémoires 50 nm, les SLC supportent environ 100 000 cyclesécriture/effacement. La MLC a une durée de vie de l’ordre de dix fois inférieure, allant d’environ 3 000 à 10 000 cycles par cellule, selon les modèles. La TLC est la technologie ayant la plus faible durée de vie avec environ 1 000 cycles d’écritures par cellules⁸.

La majorité des SSD grand public utilisent de la mémoire MLC, tandis que la mémoire SLC se retrouve dans les SSD destinés aux entreprises et aux serveurs, ce qui crée le problème principal du SSD grand public : la limite des cycles d’écriture⁹.

Innodisk, concepteur de SSD pour applications industrielles, a breveté la technologie iSLC, qui doit garantir une performance plus durable et plus fiable que les classiques flash NAND MLC, mais à un moindre coût¹⁰.

La commande TRIM

La commande TRIM, disponible sur la plupart des modèles récents de SSD, permet aux systèmes d’exploitation modernes d’éviter que les performances ne se dégradent avec le temps, tels que les systèmes d’exploitation:

• GNU/Linux à partir du noyau 2.6.33 et dérivé Android 4.3.
• Microsoft Windows à partir de Windows 7.
• OS X depuis la version 10.6.6 (mais uniquement sur les SSD livrés par Apple¹¹).
• FreeBSD à partir des versions 8.1 et 9.2 pour UFS, 9.2 et 10.0 pour ZFS. Le support du RAID logiciel leur est ajouté en 10.0. Les systèmes d’exploitation dérivés en héritent: FreeNAS 9.1.0, PC-BSD 10.0, NAS4Free 9.3.0.2.
• NetBSD 6 pour FFS.
• DragonFly 4.1.
• AIX et HP-UX avec JFS2 en 2012.
• OpenSolaris build 146 avec ZFS, et dérivé Oracle Solaris 11.
• IllumOS avec ZFS, implémentation en court en 2014.

Elle sert à notifier le SSD lors de l’effacement d’un fichier. Le contrôleur du SSD peut alors effacer les cellules de mémoire flash anciennement utilisées, afin d’optimiser les écritures ultérieures qui pourront alors être effectuées sans avoir à réaliser l’effacement préalable imposé par la technologie de la mémoire flash.

Cette technique permet également d’augmenter la durée de vie des SSD, à la condition de laisser suffisamment d’espace libre sur le disque, en effectuant une rotation sur les cellules utilisées à chaque écriture. Plus l’espace disque disponible est faible, plus les écritures seront fréquemment sur les mêmes cellules et réduira donc l’efficacité de cette technique.

Le fabricant Kingston, sur son modèle SSDNow V+ 100, annonce une technologie permettant un résultat proche des systèmes d’exploitation couplés avec des SSD offrant la commande TRIM, tout en étant disponible pour tous les types de systèmes d’exploitation. Cette solution nommée « Garbage Collector » (en français,ramasse-miettes) fonctionne au niveau du micrologiciel du SSD, indépendamment du système d’exploitation^{[réf. nécessaire]}.

Constructeurs

Produits finis

Contrôleurs

Notes et références

Notes

Références

Voir aussi

Articles connexes

• Mémoire flash
• Wear levelling
• Disque dur
• Système de fichiers
• Ferroelectric Random Access Memory, un autre type de mémoire
• Hyperviseur de stockage

Liens externes

• disque électronique, sur le site /gdt.oqlf.gouv.qc.ca
• Sébastien Pétain, Le point sur la technologie des SSD et Comment optimiser son SSD, sur le site BHmag.fr
• Patrick Guignot, Les systèmes de fichiers pour disques SSD, sur le site linuxfr.org, 4 avril 2008
• Pascal Meyrou, Eric Baudot Comparatif permanent de SSD et bases techniques, sur le site comptoir du hardware
• Stéphane Charpentier, Un mois avec un SSD, le verdict… et Puce MLC/SLC et l’importance du contrôleur… sur le site Matbe.com
• Matthieu Sarter, Comprendre les SSD… sur le site Infobidouille
• Comparatif • 7 SSD de 32 à 256 Go sur le site du Comptoir du hardware – 5 août 2009
• Florian Charpentier, Tableau comparatif de SSD sur le site Tom’s Hardware
• Sujet SSD, Hardware.fr
• (en) A guide to understanding Solid State Drives, sur le site happysysadm.com
• (en) Anand Lal Shimpi, The SSD Anthology: Understanding SSDs sur le site Anandtech