SSD: thread generale e consigli per gli acquisti

[Black (Wooden Law)]

Cos'è un SSD?
Un solid-state drive (SSD) è un'unità di memorizzazione dati basata su memorie NAND flash. Gli SSD si sono diffusi principalmente poco prima del 2010, con diversi produttori come OCZ, Kingston, Crucial e Samsung. Ora alcuni produttori son cambiati così come prezzi e architettura, ma una cosa è rimasta uguale: l'altissima velocità rispetto agli HDD. E non sono la velocità è migliore, gli SSD sono esenti di meccanica interna fornendo maggiore affidabilità, hanno dimensioni ridotte e non generano alcun rumore.

Esistono diversi tipi di SSD a seconda di interfaccia, protocollo e fattore di forma. Nel mercato consumer quelli più diffusi sono gli SSD M.2 NVM Express (NVMe) PCI Express (PCIe), ossia SSD in fattore di forma M.2 che usano come protocollo l'NVMe e l'interfaccia PCIe. Poi ci sono gli SSD Serial ATA (SATA) 2,5'' che come protocollo usano l'Advanced Host Controller Interface (AHCI) e l'interfaccia SATA e gli SSD in fattore di forma M.2 con protocollo AHCI e interfaccia SATA (però molto meno diffusi rispetto ai 2,5'').

Gli SSD NVMe si suddividono principalmente in PCIe 3.0, PCIe 4.0 e PCIe 5.0, dove a salire di generazione si ha maggiore velocità sia in sequenziale (ossia con blocchi di dimensioni maggiori di 128kB) e sia in random (blocchi con dimensioni di 4kB). Ovviamente esistono anche i PCIe 1.0 e PCIe 2.0, ma sono fuori produzione (anche i PCIe 3.0 lo sono in realtà). La velocità massima in sequenziale per i PCIe 3.0 è di circa 3.500 MB/s, quella per i PCIe 4.0 è di circa 7.500 MB/s mentre quella per i PCIe 5.0 è di circa 14.800 MB/s. Gli SSD SATA usando l'interfaccia SATA III non superano i 560 MB/s, mentre gli HDD, come sappiamo tutti quanti, è già tanto se arrivano a circa 250-300 MB/s.

L'unico aspetto negativo che si può associare agli SSD rispetto agli HDD è il prezzo più alto per TB. Questa differenza, però, nel tempo si sta rimpicciolendo sempre di più in quanto gli sviluppi sulle memorie flash prevedono di costruire NAND flash sempre più dense ed economiche [1].

Data retention
Per data retention si intende la capacità dell'SSD di conservare i dati senza alimentazione per un certo periodo prima che questi si deteriorino e risultino illeggibili. Il data retention è un parametro che varia a seconda delle temperature delle NAND flash e della loro usura misurata in cicli di programmazione/cancellazione (detti anche "PEC" in inglese). È impossibile stabilire il data retention del proprio SSD, ed è anche impossibile dire, per esempio, "non comprare x SSD, ha un data retention di 5 mesi a 45 °C, compra piuttosto y SSD che ne ha molto di più a parità di temperatura". JEDEC ha prodotto un documento [2] mostrando con alcune NAND flash Intel a noi sconosciute come il data retention vari sensibilmente a seconda della temperatura sia operativa che di stoccaggio, ma questi test sono stati effettuati a memorie arrivate al 100% d'usura, perciò non molto "veritieri", o più che altro non molto vicini allo scenario reale del consumatore medio. Perché sì, è molto più facile che un SSD muoia per qualche motivo non legato all'usura delle NAND flash [3, Figura 20] che all'usura delle NAND flash.

Detto ciò, quello che io consiglio è di non comprare un SSD se l'intento è usarlo per backup o storage di dati statici, ossia dati a cui verrà effettuato l'accesso raramente. Piuttosto per un uso del genere meglio un HDD.

Garbage Collection e TRIM, chi sono costoro?
Le memorie NAND flash scrivono e leggono i dati all'interno di celle NAND flash raggruppate in unità chiamate "pagine"; tuttavia non sono in grado di sovrascrivere i dati come negli HDD, per quello bisogna cancellare il blocco (insieme di pagine) contenenti le pagine interessate. Perciò quando vogliamo cancellare delle pagine per poter scriverci di nuovo dobbiamo fare quello che viene chiamato in inglese un "out-of-place update", ossia prima cancellare un blocco e poi riscrivere le pagine contenute al suo interno. Questa operazione è deleteria per le memorie NAND flash e costituisce un PEC.

Se l'utente o il sistema operativo (SO) cancella un file, le relative pagine vengono marcate come "invalide", ma non possono essere cancellate individualmente perché il blocco ospita delle pagine ancora valide. Periodicamente l'SSD quindi deve eseguire una operazione chiamata garbage collection: il contenuto del blocco valido viene copiato in un altro blocco ignorando le pagine invalide in modo da liberare lo spazio. I controller di alcuni SSD cercano di compiere questa operazione nelle fasi di inattività (idle garbage collection o background garbage collection) per garantire una maggiore rapidità nelle fasi di attività.

I moderni sistemi operativi supportano il TRIM, un comando ATA con cui il SO comunica all'SSD gli indirizzi logici (in inglese "logical block addressing (LBA)") occupati da un file nel momento stesso in cui quest'ultimo viene cancellato, rendendo così l'operazione di garbage collection più efficiente.
Per verificare l'effettivo funzionamento del TRIM rimando ad un post del nostro Tennic.

A causa del TRIM e del garbage collection una cancellazione di un file avviene molto più velocemente di quanto pensiamo, quindi recuperare un file tramite software come si fa per gli HDD è molto più difficile (se non impossibile) come pratica. Questo è anche il motivo per il quale è sufficiente una formattazione "normale" quando vogliamo vendere il nostro SSD.

Cos'è il wear leveling?
Il wear leveling - attraverso l'uso di alcuni algoritmi - è il processo che permette di distribuire in maniera equa tutte le scritture che vengono effettuate nelle pagine delle NAND flash garantendo che nell'SSD non ci siano troppi blocchi più usurati rispetto ad altri come se ci fosse uno sbilanciamento. Esistono tre tipi di tecniche di wear leveling:
- wear leveling dinamico: con questa tecnica il wear leveling agisce soltanto sullo spazio disponibile dell'SSD all'utente e agisce sui blocchi meno cancellati rispetto agli altri;
- wear leveling statico: questa tecnica agisce su tutti i blocchi delle NAND flash, quindi anche sui blocchi dell'area di dati occupati dall'utente. In questa maniera si possono trasferire i dati dai blocchi con basse scritture ad altri blocchi e i blocchi con basse scritture possono essere usati in futuro;
- wear leveling globale: qui è necessario un controller più potente rispetto ai wear leveling di prima perché agisce sull'intero SSD ed è in grado di distribuire equamente tutte le scritture senza spostare dati da una parte all'altra.

Cos'è il write amplification factor?
Il write amplification factor (WAF) è un fenomeno negativo degli SSD dove le scritture richieste dall’utente (“host”) risultano essere minori rispetto alle scritture effettuate sulle memorie NAND flash, un fenomeno in pratica dove si scrive di più di quello che viene chiesto usurando maggiormente le NAND flash. Questo succede per il fatto che un SSD cancella a livello di blocco e scrive a livello di pagine. L'abbiamo spiegato prima il fatto che negli SSD non possiamo sovrascrivere i dati come negli HDD, quindi per aggiornare una pagina di un blocco specifico è necessario leggere le pagine valide di quel blocco, spostarle in un altro blocco (compito del garbage collection) e cancellare un'unità di dati nettamente più grande di quella richiesta dall'host (perché tecnicamente, quando noi richiediamo un aggiornamento lo chiediamo di una pagina, non di un blocco intero). Se poi facciamo quest'intera operazione su più blocchi, la quantità di dati in più scritti sulle NAND flash è tanta, amplificando sempre di più questo fenomeno.

Per ottenere il WAF bisogna dividere le scritture NAND flash per quelle host. Un valore normale è al di sotto di 3, al di sopra non lo è, nel senso che l’SSD sta scrivendo parecchi dati in più. Alcuni SSD possono raggiungere anche meno di 1, per esempio SandForce ai tempi dell’SF-2281 (controller) con la compressione ha raggiunto anche 0,14 [4] ma 1 è l’ideale ed è molto difficile avere un valore al di sotto di esso.

Cos'è l'over-provisioning?
L’over-provisioning è un’insieme di blocchi conservati e utilizzabili soltanto al controller dell’SSD per permettere una maggiore efficienza nell’uso del garbage collection e altri algoritmi, portando anche maggiori performance e maggior durata a causa di un WAF più basso. Solitamente si assesta su un 7-10% ma dipende dall’SSD. È modificabile ma non è una pratica che consiglio perché finché viene lasciato un 15-20% di spazio libero l’SSD lavorerà a regime senza alcun problema.

Cos'è il TeraByte Written o Total Byte Written (TBW)
Il TeraByte Written o Total Byte Written (TBW) è un parametro di ogni SSD che rientra nelle proprie specifiche tecniche e va ad indicare il numero massimo di scritture effettuabili entro gli anni di garanzia (3 anni o 5 anni a seconda dell’SSD) per poter richiedere una return merchandise authorization (RMA), ossia "un'autorizzazione comunicata dall'azienda preposta alla riparazione o sostituzione di un prodotto elettronico in periodo di garanzia" [5].

A differenza di quanto si pensi normalmente il TBW non indica la durata. Il senso comune è quello che indica la durata perché i produttori lo definiscono, erroneamente, in tale maniera. È importante, oltretutto, essere a conoscenza del fatto che sia un valore arbitrario nel senso che ogni produttore lo calcola in maniera diversa essendo il calcolo stesso basato su parametri come il WAF, fenomeno che varia a seconda del carico del lavoro e del modello di SSD. È perciò incorretto paragonare il TBW di un SSD Crucial con uno di un SSD Samsung (per esempio).

Il TBW è importante e utile all’acquirente soltanto se egli stesso è interessato alla garanzia e se sa che raggiungerà/supererà questo limite di scritture. Per fare un esempio, il Crucial T705 da 1TB dichiara 600TB (600.000GB) di TBW su 5 anni di garanzia (1.825 giorni) mentre il Corsair MP700 Pro ha 700TB (700.000GB) di TBW con sempre 5 anni di garanzia. Ciò vuol dire che l’MP700 Pro dura di più del T705? Assolutamente no, vuol dire semplicemente che se vogliamo fare una RMA entro 5 anni per l’MP700 Pro non dobbiamo scrivere di più di 383GB al giorno (700.000 / 1.825 = 383GB) mentre sul T705 non più di 328GB al giorno (600.000 / 1.825 = 328GB).

Per maggiori informazioni sul TBW consiglio di leggere questa mia guida.

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Com'è fatto un SSD?
Qualunque sia il formato dell’SSD, esso è composto sempre da massimo tre componenti: controller, NAND flash ed eventuale DRAM. Ci sarebbe anche un quarto ossia il power management integrated circuit (PMIC), ma non c’è molto da dire se non che è il circuito integrato utile per distribuire la corrente attraverso ogni componente dell’SSD.

Qui c'è un'immagine di com'è fatto un SSD. In rosso il controller, in verde la DRAM, in blu il PMIC e in giallo le NAND flash.

Controller
Il controller è il cuore pulsante dell’SSD in quanto gestisce tutti gli algoritmi utili al corretto funzionamento del drive (algoritmi come il garbage collection e il wear leveling) e permette anche di stabilire una connessione e trasmissione di dati sia verso che dall’interfaccia e dalle NAND flash. Il controller è un microcontrollore da 32-bit composto dai suoi core e dal suo numero di canali di comunicazione con le NAND flash, dove per ogni canale c’è poi un numero di chip enable (CE) ossia un numero massimo di segnali di attivazione dei die delle NAND flash. Questo stabilisce con quanti die ogni canale può comunicare contemporaneamente (e l’azione della trasmissione di dati tra più si chiama interleaving). Se per esempio abbiamo un controller con 8 canali e 4 CE per canale ciò vuol dire che il nostro controller può comunicare con massimo 32 die NAND flash contemporaneamente suddivisi in 4 die per ogni canale (8 * 4 = 32).

Suddivido il controller in 3 parti: host interface layer (HIL), flash translation layer (FTL) e flash controller. Andando in scala:
- Host interface layer: lo strato che si occupa di fornire una corretta connessione per la comunicazione tra l’SSD e la CPU usando un’interfaccia fisica come PCIe o SATA.
- Flash translation layer: viene chiamato anche “firmware” per gli SSD ed è lo strato che si occupa dei lavori più importanti in quanto gestisce la cache dei dati, la mappa della conversione degli indirizzi logici a quelli fisici (gli indirizzi fisici sono chiamati “physical block address (PBA)” e la mappa della conversione degli indirizzi logici-fisici è chiamata in inglese “logical-to-physical (L2P)”) ed esegue algoritmi come il garbage collection, wear leveling, ecc.
- Fash controller: questa parte contiene l’error correction code (ECC), il randomizer per permettere l’esecuzione di data scrambling ed è collegato ai canali NAND flash. L’ECC non è altro che l’algoritmo di correzione dati mentre il data scrambling eseguito dal randomizer è il garantire probabilisticamente che i dati scritti nelle NAND flash contengano tutti quanti lo stesso numero di 0 e 1 distribuiti randomicamente. Si fa data scrambling dal momento che gli errori nelle memorie flash sono molto dipendenti dal valore dei dati memorizzati nelle celle di memoria.

Qui c'è una rappresentazione dell'host (PC), HIL, FTL, flash controller e delle NAND flash.

Gli attuali e maggiori produttori di controller sono Phison, Silicon Motion, InnoGrit, MaxioTech, Realtek e Marvell. Ci sono poi produttori più piccoli per il mercato cinese come TenaFe e Yeestor ma ci sono anche aziende che producono in proprio i controller come Samsung, SK hynix e Western Digital (WD).

NAND flash
Le NAND flash sono il tipo di memoria flash che viene utilizzato negli SSD. Alla base di queste memorie c’è un transistor inventato nel 1967 da due ingegneri asiatici: il floating gate MOSFET (FGMOS). In realtà c’è da dire che il FGMOS non viene più utilizzato nelle recenti NAND flash a causa di diversi motivi, l’unico produttore che lo utilizza ancora è Solidigm (ex-Intel), ma a parte lui tutti gli altri produttori si sono spostati al transistor con tecnologia charge trap flash (CTF) che prevede l’uso di uno strato di nitruro di silicio (Si₃N₄) anziché uno strato di floating gate. Tuttavia, essendo il funzionamento alla base lo stesso, va bene comunque parlare del FGMOS.

Senza entrare troppo nel tecnico, un transistor FGMOS ha di diverso da un transistor MOSFET il fatto che ci sia uno strato di intrappolamento delle cariche (che si chiama “floating gate” ed è fatto di polisilicio) e una barriera di potenziale in più. La struttura del transistor è quindi questa: control gate (CG) in polisilicio, strato di ossido-nitruro-ossido (chiamato anche “ONO”), floating gate (FG) in polisilicio e poi uno strato di ossido di silicio (SiO₂) chiamato “tunnel oxide”. Per poter programmare il transistor in “0” e scrivere quindi dei dati è necessario applicare una tensione di 18-20 V al CG facendo fluire gli elettroni dal silicio al floating gate superando la barriera di potenziale “tunnel oxide” tramite effetto tunnel. Per invece cancellare il transistor si applica una tensione di 18-20 V al silicio per far tornare gli elettroni da dove sono arrivati. Infine, se volessimo leggere i dati basterebbe applicare una tensione di riferimento (“Vref”) ai transistor a noi interessati e controllare se c’è della corrente o meno nella cella NAND flash: in caso ci fosse vorrebbe dire che la cella sarebbe già programmata, altrimenti no.

Questo continuo passaggio di elettroni tra lo strato di silicio e il FG è la debolezza più grande di queste memorie: è questo quello che deteriora i componenti del transistor causando il data retention e il numero limitato di PEC effettuabili.

Adesso che abbiamo parlato di questo aspetto tecnico sappiamo da cosa è formata una pagina delle NAND flash: dai transistor. A loro volta le pagine sono contenute dentro le superpagine, le superpagine sono contenute dentro i blocchi, i blocchi sono contenuti dentro i superblocchi e infine i superblocchi sono contenuti dentro i piani. E dopo i piani… die e package, poi nient’altro. Possiamo dire che le NAND flash sono un po’ una matrioska.

Gli attuali e maggiori produttori di NAND flash sono Samsung, il gruppo SK hynix (SK hynix e Solidigm), Kioxia, Micron, YTMC e WDC.

DRAM
La memoria ad accesso casuale dinamico (DRAM) è un tipo di memoria volatile, ossia che non è in grado di mantenere i dati in caso di assenza di corrente. Essa viene utilizzata negli SSD di fascia alta perché è in grado di migliorare le performance (soprattutto quelle randomiche) dal momento che, avendo indirizzi da 32-bit, ha un rapporto 1:1.000 con i dati/celle di memorie e 1 byte corrisponde a 1kB, perciò 4 byte (32-bit) di dati corrispondono a 4kB, la dimensione tipica dei cluster del sistema operativo. Questo è anche il motivo per il quale viene assegnato 1GB di DRAM per TB di SSD ma qui, per chi fosse interessato, ho fatto una spiegazione esaustiva sul rapporto dimensione DRAM-dimensione SSD.

La funzionalità della DRAM negli SSD è quella di memorizzare la mappa L2P essendo molto più veloce delle NAND flash (la DRAM opera nell’ordine di nanosecondi mentre le NAND flash nell’ordine di microsecondi [6]), memorizzare metadata come il numero di PEC di ogni blocco, gestire la coda di richieste I/O dell’host e fungere per qualche MB da cache per alcuni dati. Essendo volatile la maggior parte della capacità della DRAM non viene usata come cache.

La DRAM tecnicamente aumenta la durata, ma più che “aumenta la durata” diminuisce il WAF facendo Defer-Write, ossia l'unione di più indirizzi piccoli in unico più grande, il problema è che questo vantaggio è tutto teorico e non ci sono prove né divulgative né accademiche, quindi non sappiamo in termini quantitativi quanto sia più duraturo un SSD DRAM-based rispetto ad uno DRAM-less.

Tutti gli SSD che usano la DRAM sono “DRAM-based” mentre quelli senza sono “DRAM-less”.

Gli attuali e maggiori produttori di DRAM per gli SSD sono Micron, Samsung, SK hynix e Nanya.

Quali sono i tipi di NAND flash?
Esistono tre tipi principali di NAND flash: single-level cell (SLC), multi-level cell (MLC), triple-level cell (TLC), quad-level cell (QLC) e penta-level cell (PLC). Prima di spiegare che cosa sono va specificato che questi tipi di NAND flash sono tutti quanti 3D, tridimensionali, ossia che tutte le pagine sono disposte verticalmente come uno stack altissimo. Più è alto lo stack più layer avrà, quindi delle NAND flash da 321-layer (321L) sono alte 321 pagine (dette anche "wordline"). Qui una rappresentazione di uno stack di celle NAND flash 3D.

SLC, MLC, TLC, QLC e PLC si distinguono per il quantitativo di bit che si possono memorizzare per cella, dove è rispettivamente 1 bit per cella, 2 bit per cella, 3 bit per cella, 4 bit per cella e 5 bit per cella. Più bit per cella abbiamo più siamo in grado di costruire NAND flash e SSD capienti ed economici, motivo per il quale gli SSD stanno aumentando di dimensioni sempre di più (con il record attuale di 256TB [7]) e stanno anche diminuendo di prezzo; come contro, però, più bit per cella abbiamo, più livelli di tensione ci sono con anche maggiore sensibilità dei valori di lettura delle celle NAND flash, comportando, così, a minor durata e minori performance. In generale la durata delle NAND flash SLC è di 100.000 PEC, quelle MLC di 10.000 PEC, quelle TLC di 3.000 PEC, quelle QLC di 1.500 PEC e di quelle PLC ancora non lo sappiamo ma si presume circa 1.000 PEC.

In poche parole la scala di qualità generale è questa: SLC > MLC > TLC > QLC > PLC, peccato che le NAND flash SLC e MLC siano fuori produzione da un sacco di tempo e quelle attuali siano soltanto le TLC, QLC e PLC.

Gli SSD TLC sono adatti per qualsiasi utilizzo sia read-intensive e sia write-intensive. Gli SSD QLC sono un tipo di SSD che al momento consiglio soltanto per uso secondario come gaming, storage di video, foto, ecc. Gli SSD PLC non sono ancora presenti nel mercato consumer ma faranno la stessa fine di quelli QLC per ancora un bel po’ di tempo.

SSD DRAM-based vs. SSD DRAM-less
Avendo parlato della DRAM può essere sorto un dubbio: se porta veramente tutti questi benefici come maggiore durata e maggiori performance, perché allora esistono SSD senza questo chip? Semplice, per fare SSD più economici.

Implementare la DRAM ha un proprio costo per i produttori degli SSD, non a caso gli SSD DRAM-based tendono a costare almeno 15-20 euro in più rispetto alla controparte DRAM-less; proprio per questo motivo sono nati gli SSD DRAM-less, per poter risparmiare qualche soldo in più. Ai tempi dei SATA III, questo tipo di SSD erano un “problema” in quanto risentivano sia delle peggiori performance che della peggior durata, col tempo però i ricercatori hanno creato una tecnologia in grado quasi di sostituire la DRAM utilizzando piccola porzione della RAM del sistema: l’host memory buffer (HMB).

Qui c’è una spiegazione breve fatta da @Liupen su come funziona l’HMB ma per chi volesse approfondire l’argomento consiglio di leggere direttamente il paper IEEE qui. Per farla breve, l’HMB appoggiandosi per un massimo di 64MB alla RAM del sistema è in grado di gestire la coda di I/O in modo efficiente, veloce e sicuro garantendo maggiori velocità di quelle che avrebbe se non lo facesse [8]. Questa tecnologia è usata soltanto dagli SSD NVMe in quanto è stata introdotta con la specifica NVMe 1.2. Ovviamente le performance non sono le stesse di avere un chip DRAM apposito per l’intera mappa L2P (HMB è in grado di tenerne solo una parte essendo di dimensioni molto più piccole rispetto alla DRAM) ma sono comunque impressionanti, specialmente per certi SSD di fascia medio-alta.

Gli SSD DRAM-based vengono consigliati per qualsiasi utilizzo, quelli DRAM-less un po’ meno con tante persone scettiche sul loro uso per il SO. Allo stato attuale posso garantire che gli SSD DRAM-less di fascia alta sono sufficienti per poter soddisfare qualsiasi esigenza dell’utente medio e per poter essere utilizzati per qualsiasi utilizzo di media-leggera intensità, che sia installare il SO o altro. Tuttavia, per utilizzi più “pesanti” è consigliato un SSD DRAM-based.

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Performance di un SSD
Ci sono tre modi per misurare le performance di un SSD:
- Larghezza di banda: la larghezza di banda (in inglese chiamata “bandwidth”) è un’unità di misura della quantità di dati che si possono trasferire su un canale di comunicazione. Essa dipende dall’interfaccia e dal protocollo dell’SSD e più è alto questo numero meglio è. Attualmente gli SSD più veloci sul mercato sono i PCIe 5.0 che hanno un bandwidth di 16 GB/s (o 16.000 MB/s) ma il throughput (ossia l’effettiva quantità di dati trasmessa sul canale di comunicazione) è di circa 14,8 GB/s o di 14.800 MB/s.
- Input/output per second: gli input/output per second (IOPS) sono una misura delle performance input/output (I/O), ossia quante operazioni di lettura/scrittura vengono effettuate per secondo. Più è alto questo numero, meglio è. Per i nuovi SSD PCIe 5.0 ci aggiriamo sui due milioni.
- Latenza: con latenza di si intende la latenza di accesso, ossia il tempo richiesto per l’SSD per recuperare i dati richiesti dal sistema [9]. Più è basso questo valore, meglio è.

Per misurare queste performance vengono effettuati dei benchmark con vari software: i più utilizzati sono sicuramente CrystalDiskMark (da non confondere con CrystalDiskInfo), ATTO Disk Benchmark, AS SSD, HD Tune Pro e Iometer.

Però… c’è un “però”: le performance che vediamo nelle specifiche tecniche espresse dai produttori vengono ottenute con condizioni favorevoli al drive, dove sì, sicuramente vengono raggiunti quei valori, ma non verrebbero raggiunti in altre condizioni come per il 90% dei carichi di lavoro dell’utente medio. Quindi non sono “fake” le velocità espresse nelle specifiche tecniche, sono semplicemente lontane dall’utilizzo reale.

Per spiegare meglio questo concetto dobbiamo parlare di profondità della coda (in inglese “queue depth (QD)”), di thread, sequenziale e random che vanno a costruire la nostra configurazione di benchmark.

Molto semplicemente, la QD è il numero di richieste I/O che possono essere messe in coda contemporaneamente. Se abbiamo quindi una QD di 5 vuol dire che ci sono 5 richieste I/O nello stesso momento. I thread, invece, sono i thread della CPU e la definizione di “thread” è “una suddivisione di un processo in due o più filoni (istanze) o sottoprocessi” [10].
Se dovessi fare un esempio lo farei con delle persone e se il benchmark che stessimo andando ad eseguire fosse Q4T4 (quindi QD di 4 e 4 thread) vorrebbe dire che avremmo 4 persone (thread) che starebbero chiedendo 4 informazioni allo stesso momento (QD).
A maggiore QD e thread abbiamo maggiori performance; ecco svelato il motivo per il quale nelle operazioni “normali” (che per il 90% dei casi non superano una QD di 4 [11, pagina 12] gli SSD che sono pubblicizzati come 14,8 GB/s ne fanno magari molti meno.

… ne fanno molti meno se i dati che stiamo scrivendo o leggendo sono sequenziali, però, ovvero i blocchi sono contigui uno all’altro al termine e inizio delle operazioni, altrimenti stiamo parlando di operazioni randomiche dove la velocità è molto più bassa. Per esempio, un’operazione sequenziale è costituita dalla fine del blocco 257 (numero completamente a caso) e l’inizio di quello 258, mentre un’operazione randomica è costituita dalla fine del blocco 355 e l’inizio del 122 (ricordandoci comunque che le operazioni di scrittura vengono eseguite a livello di pagina e non di blocco), quindi le operazioni randomiche sono per forza di cosa molto più lente. Il vantaggio per le operazioni sequenziali è ancora più maggiore se si parla di pagine nello stesso blocco: magari non serve passare dal 257 al 258 ma dalla pagina 25 del 257 alla pagina 26 del 257.

Solitamente le operazioni sequenziali vengono eseguite con blocchi di grandi dimensioni come 128kB e 1MB mentre quelle randomiche con blocchi da 4kB. Per dare dei numeri, in Q32T16 (configurazione a caso) con un blocco di 1MB (quindi sequenziale) un SSD PCIe 5.0 fa circa 14,8 GB/s ma in Q1T1 con lo stesso blocco non fa più di 10,8 GB/s [12]. In random, invece, in Q32T16 vengono raggiunti i 2 milioni (o poco meno) di IOPS ma in Q1T1 poco più di 100.000 IOPS [13].

Cache SLC
La cache SLC è una tecnologia presente in tutti gli SSD più recenti che permette di memorizzare 1 bit per cella anziché 3 (in caso di NAND flash TLC) o 4 (in caso di NAND flash QLC) bit per cella. Usando questa modalità si riescono ad ottenere i vantaggi delle NAND flash SLC, ovvero alta velocità (motivo per il quale gli SSD attuali fanno più di 4.500 MB/s) e alta durata. Una volta terminata la cache SLC l'SSD scriverà sulle NAND flash TLC/QLC con velocità molto più basse. La cache SLC viene poi ripristinata in un primo momento di idle per il controller.
Esistono tre tipi di cache SLC:
- cache SLC statica: si trova all'interno dello spazio OP e ha una capienza di piccole dimensioni, solitamente si aggira sui 40-50GB. È quella meno usata ma è anche quella che fornisce la maggior durata visto che garantisce fino a 100.000 PEC in più per le NAND flash con casi anche di 250.000 PEC per gli ultimi sviluppi eseguiti sulle NAND flash PLC Intel 192L [14].
- cache SLC dinamica: questa non si trova all'interno dello spazio OP ed è anche il motivo per il quale diminuisce di dimensioni man mano che vengono archiviati dati sull'SSD. Tuttavia, è programmabile per le intere NAND flash TLC/QLC, ciò significa che, per esempio, per un SSD TLC 2TB (2.048GB) può avere una dimensione fino a circa 682,6GB (2.048 / 3 = 682,6GB), mentre per un SSD QLC sempre 2TB massimo 512GB (2.048 / 4 = 512GB). I conti tornano perché 682,6 * 3 = circa 2.048GB e 512 * 4 = 2.048GB. Quando un SSD ha una cache SLC del genere è chiamato anche "full-drive SLC". La cache SLC dinamica è in grado di aumentare la durata delle NAND flash fino ad un massimo di 20.000 PEC [15, [0048]] ma aumenta anche il WAF dal momento che i dati prima vanno scritti in SLC e poi in TLC/QLC [16]. Altro aspetto negativo della cache SLC dinamica (specialmente se l'SSD è un full-drive SLC) è che potrebbe eseguirsi del folding dopo le scritture sulle NAND flash TLC. Il folding è l'unione di 3-4 blocchi SLC in 1 TLC/QLC per ripristinare la cache SLC e durante questo momento c'è anche molto overhead e GC causando un ulteriore abbassamento di performance (solitamente si parla di meno di 1.500 MB/s).
- cache SLC ibrida: chiamata anche "TurboWrite" da Samsung e "nCache" da WD, la cache SLC ibrida è formata da una porzione di cache SLC statica e una porzione di cache SLC dinamica fondendo i due tipi insieme. Non ci sono numeri su quanto aumenti la durata questo tipo di cache SLC.

Il caso più comune in cui possiamo testare la cache SLC del nostro SSD è durante un trasferimento di file, specialmente se i file sono di grandi dimensioni (costituendo quindi un trasferimento sequenziale): quando vediamo le performance scendere di botto vuol dire che è finita la cache SLC e l'SSD sta scrivendo sulle NAND flash TLC/QLC "integre".
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Software utili
Quando utilizziamo il nostro SSD è sempre bene controllare sia la salute dal punto di vista performante sia dal punto di vista vitale. Per fare ciò elenco qui sotto i vari tool utili per misurare le performance e per controllare Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology (S.M.A.R.T.), un sistema di monitoraggio della salute degli SSD e degli HDD che fornisce attributi rilevanti ad errori, usura, ecc.

Benchmark
- CrystalDiskMark: il più famoso tra tutti i software, è sufficiente usare il programma con le condizioni di test di default, anche con la dimensione di pattern (quella misurata in GiB) visto che aumentarla non cambierebbe in maniera sostanziale i risultati del drive/disco.
- ATTO Disk Benchmark: conducendo un test di scrittura e lettura sequenziale con un blocco che varia di dimensione durante il benchmark (da 512kB a 64MB) fornisce numeri utili per il nostro SSD.
- AS SSD Benchmark: più completo rispetto agli scorsi software perché fornisce anche la latenza di lettura e scrittura ma non il mio preferito dal momento che non è possibile modificare la configurazione della QD e dei thread.
- HD Tune Pro: penso che sia il software più completo di tutti. Si possono testare le performance simulando un trasferimento di file, è in grado di misurare la cache SLC (anche se non in modo molto preciso), calcola la latenza di accesso ai dati e fornisce anche una panoramica S.M.A.R.T. Questo software è molto utilizzato per scansionare la salute dei settori logici degli HDD.
- Iometer: il più vecchio e il più preciso, soprattutto per la misurazione della cache SLC. È anche il più difficile da utilizzare grazie alla sua interfaccia grafica stile anni '90. Qui c'è un'ottima guida di Micron su come usarlo.

Salute
- CrystalDiskInfo: quello più usato attualmente. Gli attributi utili da vedere sono quelli della colonna "Valori grezzi" e sono in esadecimale.
- Hard Disk Sentinel: leggermente più completo di CrystalDiskInfo.

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[Black (Wooden Law)]

Modelli di SSD che consigliamo
Qui inserisco soltanto gli SSD che consiglio al momento tenendo conto di performance, affidabilità, rapporto qualità-prezzo e disponibilità su Amazon (motivi per i quali ci sono molti meno SSD rispetto a quelli che offre il mercato). Per chi volesse una maggiore panoramica consiglio di guardare la mia tier list che è basata soltanto sull’affidabilità e le performance, non anche sui prezzi.

Per chi avesse dei dubbi, attualmente, non consiglio SSD PCIe 5.0 a nessuno per il prezzo troppo elevato, mentre consiglio i PCIe 4.0 per qualsiasi persona e qualsiasi utilizzo visto il rapporto qualità-prezzo. Gli SSD SATA III, essendo a fine vita (end-of-life, EOL), hanno dei prezzi troppo alti, ergo non li consiglio più, ma ho inserito ugualmente la categoria nella guida per coloro che volessero acquistarne uno.

Per i gamer non è necessario né un SSD con NAND flash TLC né con la DRAM, specialmente la seconda, infatti consiglio vivamente i DRAM-less PCIe 4.0 per chi avesse un budget basso. Per chi lo avesse più alto andrebbero comunque bene i DRAM-based, semplicemente i giochi facendo molte letture [17, Osservazione 3) non usurano e né sfruttano le alte performance degli SSD, quindi non ci sarebbe alcuna differenza.

Per chi vuole usare l’SSD come drive primario e tenerci su qualche programma tra qui qualche gioco consiglio per chi ha un basso budget i PCIe 4.0 DRAM-less da 7,5 GB/s della guida e per chi ha un budget un po’ più alto quelli DRAM-based. In questo caso i DRAM-based sono la prima scelta.

Per chi vuole usare l’SSD per scritture intensive (sia a bassa che alta QD), macchine virtuali, gestione di file di grandi dimensioni, ecc., consiglio vivamente un DRAM-based di fascia alta da almeno 7,5 GB/s. In questo caso i PCIe 5.0 potrebbero essere utili ma dipende dall’utente.

Gli SSD QLC, che siano DRAM-based o meno, sono consigliati soltanto per uso secondario. Giochi, storage di foto, video, musica, ecc. va bene, ma non per SO o utilizzi più pesanti.

SSD M.2 PCIe NVMe 2280
5.0:
- Crucial T705 (DRAM, TLC, 14,8 GB/s): Prezzo consigliato: 150 € per 1TB, 230 € per 2TB e 520 € per 4TB.
- Crucial T700 (DRAM, TLC, 12 GB/s): Prezzo consigliato: 120 € per 1TB, 200 € per 2TB e 420 € per 4TB.
- Corsair MP700 Pro (DRAM, TLC, 12 GB/s): Prezzo consigliato: 120 € per 1TB, 200 € per 2TB e 420 € per 4TB.
- Corsair MP700 Elite (DRAM, TLC, 10 GB/s). Prezzo consigliato: 100 € per 1TB, 180 € per 2TB e 380 € per 4TB.
- Seagate FireCuda 540 (DRAM, TLC, 10 GB/s). Prezzo consigliato: 100 € per 1TB, 180 € per 2TB e 380 € per 4TB.
4.0:
- SK hynix Platinum P41 (DRAM, TLC, 7,5 GB/s). Prezzo consigliato: 85-90 € per 1TB e 140 € per 2TB (usare il coupon).
- Kingston Fury Renegade/Kingston KC3000 (DRAM, TLC, 7,5 GB/s). Prezzo consigliato: 85-90 € per 1TB, 140 € per 2TB e 270 € per 4TB.
- WD Black SN850X (DRAM, TLC, 7,5 GB/s). Prezzo consigliato: 85-90 € per 1TB, 140 € per 2TB e 270 € per 4TB.
- Lexar NM790/Fanxiang S880/Ediloca EN870/Fikwot FN955 (DRAM-less, TLC, 7,5 GB/s). Prezzo consigliato: 75 € per 1TB, 120-130 € per 2TB e 240 € per 4TB.
- Corsair MP600 Elite (DRAM-less, TLC, 7,5 GB/s). Prezzo consigliato: 75 € per 1TB, 120-130 € per 2TB e 240 € per 4TB.
- Samsung 990 EVO Plus (DRAM-less, TLC, 7,5 GB/s). Prezzo consigliato: 75 € per 1TB, 120-130 € per 2TB e 240 € per 4TB.

SSD M.2 PCIe NVMe 2230
- Corsair MP600 Mini (DRAM-less, TLC, 7 GB/s). Prezzo consigliato: 110 € per 1TB e 220 € per 2TB.
- Sabrent Rocket 2230 (DRAM-less, TLC, 4,7 GB/s). Prezzo consigliato: 60 € per 256GB, 60-70 € per 512GB e 100 € per 1TB.
- Patriot Viper VP4000 Mini (DRAM-less, QLC, 5 GB/s). Prezzo consigliato: 40 € per 512GB, 70 € per 1TB e 140 € per 2TB.

SATA III
- Samsung 870 EVO (DRAM-based, TLC, 560 MB/s). Prezzo consigliato: 55 € per 250GB, 70 € per 500GB, 90 € per 1TB, 160 € per 2TB e 300 € per 4TB.
- Crucial MX500 (DRAM-based, TLC, 560 MB/s). Prezzo consigliato: 55 € per 250GB, 70 € per 500GB, 90 € per 1TB, 160 € per 2TB e 300 € per 4TB.
- Silicon Power A55 (DRAM-less, TLC, 560 MB/s). Prezzo consigliato: 20 € per 256GB, 30 € per 512GB, 55 € per 1TB, 100 € per 2TB e 200-220 € per 4TB.
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FAQ
#1: necessito di un NVMe?
A distanza di anni dall'uscita di questo protocollo con i relativi SSD la risposta rimane la stessa: no, ma sono più convenienti, specialmente ora che i SATA III sono EOL e gli NVMe costano di meno. Tuttavia, è importante far notare che non si nota differenza tra NVMe e SATA III in tempi di caricamento, fluidità del SO e altri carichi di lavoro leggeri.

#2: necessito di un dissipatore per il mio NVMe?
All'aumentare della tecnologia gli SSD NVMe consumano e scaldano sempre di più con i più recenti SSD PCIe 4.0 e 5.0 che vanno in thermal throttling (TT) se non vengono dissipati correttamente. Il mio metodo per verificare se l'SSD necessiti di un dissipatore è fare un benchmark con un software apposito (vedere sopra) e monitorare le temperature con HWiNFO64. Se le performance sequenziali sono al di sotto delle specifiche tecniche vuol dire che l'SSD è in TT e che va dissipato. L'attuale miglior dissipatore (passivo) su Amazon è il Thermalright HR-10.
Per maggiori informazioni generali su come funzionano le temperature degli SSD consiglio di leggere questa mia guida.

#3: DRAM o DRAM-less?
Dipende dall'uso e dalla qualità dell'SSD. Se l'utilizzo è primario e l'SSD di cui stiamo parlando è il Silicon Power A55 allora meglio ripiegare su uno DRAM-based e utilizzare l'A55 come secondario; se l'utilizzo, rimane lo stesso e l'SSD in questione è il Lexar NM790 o cloni vari va benissimo. Dipende anche dal prezzo in realtà, infatti un DRAM-less dev'esser sempre meno costoso di uno DRAM-based della stessa fascia qualitativa.

#4: TLC o QLC?
Un SSD TLC è l'unica scelta per il SO e utilizzi più pesanti, un SSD QLC è adatto soltanto per uso secondario.

#5: come posso sapere le NAND flash di un SSD, se ha la DRAM e che controller usa?
Per poter informarsi sulla componentistica in uso di un determinato SSD consiglio di utilizzare il database di TechPowerUp come fonte principale, poi ci sono le recensioni delle varie testate giornalistiche come Tom's Hardware, AnandTech, TechPowerUp, The Overclock Page e TweakTown.

#6: Fanxiang, Ediloca e Fikwot sono marchi affidabili?
Tralasciando il fatto che ogni marchio ha i suoi flop e quindi non tutti gli SSD di brand famosi sono affidabili e duraturi, di Fanxiang l'unico modello buono e che consigliamo è l'S880, di Ediloca l'EN870 e di Fikwot l'FN955. Tutti gli altri modelli di questi brand son da evitare perché o di bassa qualità o con hardware non noto.

#7: quanto spazio libero devo lasciare sul mio SSD?
Generalmente viene consigliato di lasciare un 15-20% di spazio libero per ogni SSD (anche se dipende dalla capacità). Non superare l'80% è buona cosa nonostante l'OP attivo.

#8: cos'è un secure erase?
Il secure erase è un comando ATA che viene mandato al firmware del controller dell'SSD per far impostare le NAND flash al loro stato di fabbrica. È quindi una formattazione a basso livello (più "pesante" di quella "normale") che è utile fare quando si verificano anomalie nel funzionamento dell'SSD. Solitamente, c'è l'impostazione nel BIOS del proprio PC per poter eseguire un secure erase, altrimenti si può utilizzare il software del produttore dell'SSD (Crucial, Kingston, Samsung, ecc.).

#9: perché ho meno capacità su Windows rispetto a quella pubblicizzata dal produttore?
Il motivo per il quale abbiamo una capacità inferiore rispetto a quella che ci dicono i produttori è dovuto dall'uso di unità di misura diverse tra i produttori degli SSD e Windows. I produttori, usando il sistema decimale, calcolano la quantità di dati in base 10 dove le unità di misura sono GB, TB, ecc., mentre Windows, usando il sistema binario, calcola la quantità di dati in base 2 dove le unità di misura sono gibibyte (GiB), tebibyte (TiB), ecc. Nonostante ciò, onde evitare confusione, Windows riporta GB/TB al posto di GiB/TB.
Per esempio, se un produttore specifica 1TB (1.000GB) vuol dire che Windows lo vedrà come 931GiB scrivendo 931GB.

#10: le performance peggiorano se partiziono l'SSD?
No, l'SSD non risentirà né a livello duraturo né a livello performante di un partizionamento, questo perché gli SSD lavorano ad un livello molto più basso (cioè a livello di blocco e pagine) rispetto al sistema operativo che lavora al livello del file system. Quando formattiamo un SSD da 1TB con due partizioni (500GB l'una), per il sistema operativa certe scritture andranno verso una partizione come se venisse solo scritta una parte dell'SSD ma per l'SSD non sarà così e non vedrà un insieme di blocchi da una parte e un altro dall'altra, se ne "fregherà" delle partizioni e lavorerà come ha sempre fatto.

Il contenuto di questo post è rilasciato con licenza Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 2.5

[Black (Wooden Law)]

In questa discussione si parla di SSD in generale e di consigli per gli acquisti, se avete dubbi o domande relative al vostro specifico SSD sarebbe bene cercare prima il thread ufficiale dedicato allo stesso ed al limite postare i propri dubbi lì. Ovviamente le comparative tra modelli sono bene accette.


Potete copiate e postare ovunque volete il contenuto di queste pagine... Vi chiedo solamente di citare il sottoscritto (cioè Black (Wooden Law)) e tutti i coloro che hanno contribuito alla stesura di questa prima pagina e che sono riportati qui e lì all'interno dei post che la compongono.


In questi post ho cercato di riassumete tutto ciò che ho appreso sugli SSD dall'aprile 2020 (quando mi sono interessato all'argomento) sia cercando informazioni in giro, sia chiedendo agli utenti più esperti di me qui sul forum. Ovviamente per qualcosa mi sono appoggiato a fonti esterne tutte puntualmente citate nei post stessi.
Ringrazio tutti coloro che si sono complimentati con me per il lavoro svolto ed ovviamente se avete suggerimenti su come ampliare ed aggiornare la guida scrivete pure!
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Link utili
- Database SSD TechPowerUp;
- Spreadsheet SSD (NewMaxx);
- Guide SSD (fatte da me);
- Borecraft.

Il contenuto di questo post è rilasciato con licenza Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 2.5

[Pess]

Questo è un restart del thread generale sugli SSD (link qui)... Per la prima volta gestisco la prima pagina di un thread sono quasi emozionato!
Se avete suggerimenti proponete pure!

[ChioSa]

ottimo lavoro Pess

[213]

ciao, come mai è stata chiusa l'altra discussione sugli SSD?

[Pess]

Originariamente inviato da 213

ciao, come mai è stata chiusa l'altra discussione sugli SSD?

L'altra discussione era molto lunga e con il primo post non aggiornato, così l'abbiamo riavviata...
Si continua qui...

[s12a]

gli ultimi modelli riescono addirittura a saturare il BUS SATA II...

Direi anche SATAIII / SATA 6Gb/s !

[Tennic]

Eccellente lavoro Pess, complimenti, non c'è una parola che non quoto

E ti sarò per sempre grato per avermi consigliato quasi 2 anni fa di lasciar perdere i Vertex (nella mia ignoranza di allora, neofita degli SSD, guardavo i numeri, e pensavo che fossero tutti affidabili e bisognasse guardare solo la velocità tabellare) e di prendere l'M4 Grazie a tale consiglio, ho da un anno e mezzo l'M4 e mai acquisto fu più azzeccato

[viger68]

Complimenti Pess

[1enry1]

ma per clonare hdd su ssd ci vuole per forza un prg o con win8 si fa da solo ?

[Pess]

Grazie a tutti e grazie Tennic! Sono contento se ho aiutato qualcuno nella scelta del prodotto migliore... In fondo siamo qui per questo... È questa la forza di una comunità attiva e pimpante!

[frafelix]

Originariamente inviato da 1enry1

ma per clonare hdd su ssd ci vuole per forza un prg o con win8 si fa da solo ?

Non ho ancora installato win8 ma dato che win7 ha una sua clonazione immagino l'abbia anche win8.

Grande Pess

[mtofa]

Complimenti e ringraziamenti anche da parte mia

[Pess]

Originariamente inviato da s12a

Direi anche SATAIII / SATA 6Gb/s !

Aggiornato!

Originariamente inviato da 1enry1

ma per clonare hdd su ssd ci vuole per forza un prg o con win8 si fa da solo ?

Ti rimando a questo post in uno dei thread ufficiali di Windows 8...

[Tennic]

Pess, consiglio una integrazione esplicativa sul discorso del Raid 0


Viene giustamente detto che l'incremento è avvertibile solo nei bench e per contro ci sono tanti svantaggi. Ma qualcuno potrebbe dire "ma se nei bench va il doppio, non è vero che non si vede anche realmente"...


Quindi direi di integrare con:

l'incremento e visibile solo nei bench e nel sequenziale... Siccome la quasi totalità degli accessi sono random, questo incremento nel sequenziale e praticamente inutile, e per contro si ha un peggioramento (causa maggior carico controller) nel random, che rappresenta la totalità degli accessi... Quindi, ad un incremento puramente numerico dove non serve (il sequenziale) corrisponde un peggioramento dove serve (random), unito al fatto che il funzionamento meno efficiente del GC contribuirà a far degradare più rapidamente le prestazioni rispetto ad un SSD singolo... Quindi, riepilogando, all'inizio numeroni nel sequenziale (ma non servono a niente) e numeri "normali" nel random... Dopo poco tempo, vistoso degrado sia sequenziale che random.

Sono stato prolisso, ma giusto per spiegare (o almeno, tentare) il concetto, scaturito anche dall'esperienza di chi ha fatto il raid 0 (che sconsigliamo da molto, io personalmente da un anno ).

Vedi tu se ritieni vada specificato il perchè è sconsigliato (le motivazioni tecniche) ed il modo

[Althotas]

Bravo Pess

[Pess]

Originariamente inviato da Tennic

Pess, consiglio una integrazione esplicativa sul discorso del Raid 0


Viene giustamente detto che l'incremento è avvertibile solo nei bench e per contro ci sono tanti svantaggi. Ma qualcuno potrebbe dire "ma se nei bench va il doppio, non è vero che non si vede anche realmente"...


Quindi direi di integrare con:

l'incremento e visibile solo nei bench e nel sequenziale... Siccome la quasi totalità degli accessi sono random, questo incremento nel sequenziale e praticamente inutile, e per contro si ha un peggioramento (causa maggior carico controller) nel random, che rappresenta la totalità degli accessi... Quindi, ad un incremento puramente numerico dove non serve (il sequenziale) corrisponde un peggioramento dove serve (random), unito al fatto che il funzionamento meno efficiente del GC contribuirà a far degradare più rapidamente le prestazioni rispetto ad un SSD singolo... Quindi, riepilogando, all'inizio numeroni nel sequenziale (ma non servono a niente) e numeri "normali" nel random... Dopo poco tempo, vistoso degrado sia sequenziale che random.

Sono stato prolisso, ma giusto per spiegare (o almeno, tentare) il concetto, scaturito anche dall'esperienza di chi ha fatto il raid 0 (che sconsigliamo da molto, io personalmente da un anno ).

Vedi tu se ritieni vada specificato il perchè è sconsigliato (le motivazioni tecniche) ed il modo

Ok, ho modificato leggermente il tutto aggiungendo le tue osservazioni... Grazie!