Solid-state drive

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Un disque SSD de 2,5 pouces

Un SSD, de l'anglais « solid-state drive » (« disque électronique » au Québec[1]), est un matériel informatique permettant le stockage de données sur de la mémoire flash.

Description[modifier | modifier le code]

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.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Un SSD est matériellement plus solide qu'un disque dur : les plateaux de ces derniers étant de plus en plus souvent en verre depuis 2003[2], quoique encore très souvent en acier, mais surtout, des chocs peuvent égratigner la surface du disque. 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 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 dix fois supérieure et de coût similaire.

Depuis 2013 les capacités des SSD ont beaucoup évolué et on peut en trouver de 2 To[3].

Un SSD de 120 Gio produit par Corsair, fixé sur un adaptateur 3.5" pour une utilisation dans une tour.

Historique[modifier | modifier le code]

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Développement des SSD[modifier | modifier le code]

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 durs tournent à 7 200 tr/min voire 10 000 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 Samsung 840 Pro obtient des débits jusqu'à 540 Mo/s en lecture et 520 Mo/s en écriture).

Ces propos doivent toutefois être nuancé par deux points :

  1. 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[4]. Leur performance réelle en écriture seront beaucoup moins bonnes si la partition du disque est relativement pleine[réf. nécessaire] ;
  2. les disques durs laissent beaucoup de temps libre au processeur entre deux opérations, contrairement aux SSD du fait de leur absence de délais mécaniques. Il peut donc en résulter paradoxalement une perte de réactivité faute de temps processeur à consacrer au clavier, sauf si dans un multiprocesseur on utilise l'« affinité processeur » pour en dédier un soit au SSD[5], soit au clavier[réf. nécessaire].

Démocratisation : prix et capacités[modifier | modifier le code]

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 six ans avant 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 , dans le cadre d'une offre promotionnelle restreinte. La baisse se poursuit, puisqu'en novembre 2012, on atteint le prix de ± 0,7 euro/Go et en décembre 2013, ± 0,5 euro/Go[réf. nécessaire]. En janvier 2016, on arrive à ± 0,33 euro/Go[6] sur des modèles de 1 To en TLC.

En mai 2015 Sandisk annonce des SSD de 6 To[7], plutôt destinés aux centres informatiques.

En mars 2016 Seagate annonce un SSD dont la vitesse atteint 10 Go/s[8] et Samsung un SSD de plus de 15 To en format 2,5 "[9].

Différentes formes de SSD[modifier | modifier le code]

Forme classique[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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/s[10], alors que les interfaces SATA sont limitées à 600 Mio/s pour les toutes dernières générations, et même 300 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 »[modifier | modifier le code]

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)
Divers formes de SSD « exotiques »

Fonctionnement et architecture[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Caractéristique SSD Disque mécanique
Temps d'accès aléatoire Environ 0,1 ms De 2,9 à 12ms
Vitesse de lecture/écriture De 27 Mo/s à 3 Go/s[10] De 12 à 260 Mo/s
IOPS De 8 000 à 3 000 000 (connexion PCIe, plusieurs téraoctets) Dépend de la vitesse de rotation et du nombre d'axes
Fragmentation Aucun effet Dépend du système de fichiers
Bruit Très peu voire aucun Variable mais ayant tendance à s'accentuer avec le temps et selon la charge d'utilisation
Vulnérabilités Sensible au nombre de cycles d'écriture
Coupures de courant qui peuvent rendre le lecteur irrécupérable sur certains (anciens) modèles[11]
Chocs et vibrations, sensibles aux champs magnétiques
Taille 4,57-6,35 cm (1,8-2,5″) (en fonction des modèles) 4,57-6,35-8,89 cm (1,8-2,5-3,5″) (en fonction des modèles)
Masse Quelques dizaines de grammes Jusqu'à près de 700 g
Durée de vie Garantie constructeur allant de 1 à 10 ans
Cycles d'écriture garantis : 10 000 (SLC), 5 000 (MLC) et 1000 (TLC)
2 à 5 ans (voire plus) en fonction de la charge et des conditions d'utilisation
Rapport coût-capacité environ 0,4 €/Gio (2014) environ 0,04 €/Gio (2014)
Capacité de stockage Jusqu'à 16 To (Samsung PM1633a)[12] Jusqu'à 10 To (HGST de Western Digital)[13],[14].
Consommation 0,1 - 0,9 W (veille) jusqu'à 0,9 W (activité) 0,5 à 1,3 W (veille) 2 à 4 W (activité)

Techniques[modifier | modifier le code]

Types de mémoires SLC, MLC ou TLC[modifier | modifier le code]

Il existe trois types de mémoire flash :

  1. la SLC NAND (Single Level Cell), dans laquelle chaque cellule élémentaire peut stocker un seul bit (deux niveaux de charge),
  2. la MLC NAND (Multi Level Cell), dans laquelle les cellules peuvent stocker plusieurs bits (le plus souvent, 2 bits), soit quatre niveaux de charge.
  3. La TLC NAND (Triple Level Cell), variante de MLC comportant 3 bits, soit huit niveaux de charge, également appelé MLC « X3 » (introduites en 2009) et qui augmente encore le nombre de bits stockés par cellule.

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 cycles écriture/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'écriture par cellule[15]. Plusieurs constructeurs les offrent avec une garantie de 5 à 10 ans[16], ce qui ne prémunit pas contre la perte de données, mais garantit qu'en cas de défaillance (si on a gardé ses preuves d'achat ou qu'on s'est enregistré par Internet) sera fourni un SSD neuf de caractéristiques équivalentes sur lequel on pourra restaurer sa dernière sauvegarde.

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'écriture[17].

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 coût[18]. Il existe aussi une variante du type MLC, appelée eMLC (pour Enterprise MLC) qui permet plus de cycles d'écritures[19].

Durée de vie[modifier | modifier le code]

La durée de vie d'un disque dur SSD s'estime d'une manière un peu différente des disques durs traditionnels.

Elle tient compte essentiellement de 2 caractéristiques techniques :

  • Le MTBF qui s'exprime en nombre d'heures de fonctionnement[20]. L'ordre de grandeur est le million d'heures, soit plus d'une centaine d'années pour ce type de produit.
  • Le TBW (de l'anglais TeraByte Written) qui s'exprime en téraoctets. Ce chiffre correspond à la quantité maximale de données pouvant être écrite sur le disque SSD au cours de sa vie.

Le TBW est défini par la formule suivante[21],[22] :

Il se calcule à partir des 3 éléments suivants :

  • La capacité du disque SSD exprimée en Go.
  • Le nombre de cycles écriture/effacement (également appelé P/E Cycles pour Program / Erase Cycles). Ce chiffre est exprimé en millier(s), dizaine(s) de millier(s) ou centaine(s) de millier(s) en fonction de la technologie utilisée dans le processus de fabrication des puces. Il exprime le nombre de fois que l'on peut répéter l'opération d'écriture ou d'effacement d'une zone mémoire avant qu'elle ne se dégrade. Voir chapitre précédent "Types de mémoire".
  • Le WAF (de l'anglais Write Amplification Factor). Il s'agit du rapport entre le nombre d'octets réellement écrits sur le SSD et le nombre d'octets écrits vu de l’hôte. Ce chiffre varie en fonction du type de contrôleur utilisé dans le disque SSD et du système hôte. Certains fabricants utilisent également le terme WAI (de l'anglais Write Acceleration Index) qui signifie la même chose[réf. nécessaire]

Il existe également une autre façon d'exprimer le TBW, comme dans certaines documentations le terme DWPD (de l'anglais Drive Writes Per Day).

Alors que le TBW exprime en téraoctets la quantité maximale pouvant être transférée sur le disque SSD pendant toute la durée de sa vie, le DWPD exprime le nombre de fois que la capacité totale du disque SSD peut être réécrite par jour, cette valeur ne dépend pas de la capacité du disque contrairement au TBW.

En général, le TBW est utilisé pour des disques SSD d'entrée de gamme, alors que le DWPD est plutôt réservé pour des disques SDD à usage professionnel comme ceux qui sont intégrés dans des serveurs par exemple.

Le DWPD se calcule à partir du TBW et de la période de garantie du constructeur, il est défini par la formule suivante[23] :

La formule est réversible, on peut également calculer le TBW à partir du DWPD et de la durée de garantie du disque SSD :

Remarque : La conversion d'unité entre le Giga octet et le Tera octet exprime un rapport de 1024 (2^10). Cependant, par souci de simplicité, certains fabricants arrondissent ce ratio à 1000 dans les formules, ce qui peut générer une petite différence sur les résultats de conversion.

D'autres technologies peuvent influencer la durée de vie, comme par exemple la prise en charge ou non des commandes TRIM.

Commande TRIM[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Trim_(informatique).

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. Elle est supportée par les systèmes d'exploitation :

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[modifier | modifier le code]

Produits finis[modifier | modifier le code]

Contrôleurs[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Temps nécessaire aux têtes pour se mettre en position.
  2. Davantage en écriture parce que des tables d'allocation doivent être mises à jour.
  3. En particulier, pour un disque dur utilisé pour le système, l'affichage initial de navigateurs comportant beaucoup de plugins, comme Firefox, est presque instantané.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Grand dictionnaire terminologique de l'Office québécois de la langue française, définition de « disque électronique » consultée le 11 juin 2013.
  2. (en) Higher reliability with IBM glass substrate disks - hitachigst.com, juillet 1999
  3. Un SSD de 2 To au format 2,5 pouces - Yannick Guerrini, Tom's Hardware, 17 janvier 2013
  4. "Les SSD peuvent écrire des blocs de 4 kio, mais pour des raisons matérielles ils doivent effacer des blocs plus larges (par exemple 128 ou 512 kio)" : Voir trim (informatique))
  5. (en) 50 Tips for Boosting MySQL Performance - Arnaud Adant, MySQL Connect/Oracle, 2013 (chercher sur « affinity ») [PDF]
  6. TEST / Samsung 850 Evo 1 To, mémoire 3D V-NAND en TLC, sur le site lesnumeriques.com du 6 mars 2015, consulté le 8 février 2016.
  7. SSD : le cap des 6 To dépassé, mais attention aux coups de chaud, sur le site zdnet.fr du 12 mai 2015, consulté le 8 mars 2016.
  8. Record du monde de SSD à 10 Go/s, sur le site tomshardware.fr du 8 mars 2016.
  9. Capacité record pour le SSD de Samsung, sur le site commentcamarche.net du 4 mars 2016, consulté le 10 mars 2016.
  10. a et b Un SSD en PCI Express à 3 Go/s !, sur le site pcworld.fr.
  11. Comprendre la robustesse des SSD lors d'une coupure de courant, Conférence Fast 13, février 2013
  12. 16 To : le SSD dépasse désormais le disque dur en capacité, sur le site clubic.com du 19 aout 2015, consulté le 5 juin 2016.
  13. (en) HGST a Western Digital company announces the world’s first enterprise-class 10TB HDD, sur le site Hitachi Global Storage Technologies.
  14. Western Digital rachète la division disques durs d'Hitachi - Nil Sanyas, Nextinpact.com, 7 mars 2011
  15. (en) Samsung SSD 840 (250GB) Review par sur Anandtech, le 23 février 2012.
  16. Samsung 850 Evo : la TLC prend une autre dimension, sur le site clubic.com du 4 mars 2015, consulté le 10 mars 2016.
  17. les puces MLC sont moins chères que les coûteuses SLC. On estime en général à 100 000 le nombre d'écritures possibles par cellule SLC contre 10 000 pour une cellule d'une puce MLC, sur le site pcworld.fr du 2 février 2009.
  18. (en) Innodisk Innovates on NAND Flash to create iSLC Flash Technology, More Reliable Than MLC sur prweb.com, le 2 avril 2013.
  19. enterprise MLC (eMLC), sur le site techtarget.com, consulté le 8 février 2016.
  20. « Spécifications du SanDisk Extreme II SSD », sur kb-fr.sandisk.com (consulté le 25 mai 2016)
  21. (en) Ryan Smith, « Become a SSD expert in minutes ! », document PDF de Samsung,‎ , p. 12
  22. (en) Samsung, « Endurance of the SSD for data centers », Note d'application,‎ , p. 2
  23. (en) Jim Handy, « Comparing DWPD to TBW », sur thessdguy.com,‎ (consulté le 25 mai 2016)
  24. Mac OS X : le TRIM pour tous les SSD, c'est possible !, Macworld.fr, 28 mars 2011.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]