Le stockage : comment ça marche ?
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Comprendre le SSD
Ça fait désormais 10 ans ou presque que nos PC sont équipés de SSD. Ce composant, qui fut la dernière révolution majeure du PC tant il a décuplé ses performances comparé au disque dur, reste un mystère pour la plupart de ses utilisateurs. Voici comment il fonctionne.
LE PLEIN DE NAND
Un SSD embarque avant tout des puces de mémoire flash, de la NAND comme les clés USB et autres cartes mémoires. La NAND, qui tire son nom de la fonction logique NON-ET en anglais, est un type de mémoire inventé par Toshiba en 1989 qui a pour caractéristique principale d'être non volatile. C’est à-dire que contrairement à la RAM qui perd son contenu quand elle n'est pas alimentée, elle permet de stocker des données comme le fait un disque dur. La principale différence entre un SSD et ces autres supports de stockage à base de flash réside dans la quantité des puces de mémoire et le contrôleur qui est bien plus performant, nous allons y revenir. Les progrès réalisés en matière de NAND sont à l'origine des principales évolutions des SSD, c'est-à-dire l'accroissement de capacité et la baisse des prix car la mémoire représente le gros du coût. On distingue quatre catégories de NAND aujourd'hui, la mémoire "historique" qui stocke un seul bit par cellule qu'on appelle SLC (Single Level Cell), la MLC (Multi Level Cell) utilisée depuis la fin des années 2000 qui stocke deux bits par cellule et sur le même principe la TLC et la QLC apparues en 2012 et fin 2018 qui conservent respectivement trois et quatre bits par cellule. Plus il y a de bits par cellule, moins la mémoire est chère à produire. En contrepartie, elle s'use plus vite. Car, oui, la NAND n'est pas immortelle !
DURÉE DE VIE LIMITÉE ?
Au bout d'un certain nombre de cycles d'écriture au cours desquels l'application d'une tension use légèrement le matériau, les cellules finissent par mourir une à une. C'est d'ailleurs un sujet qui a fait couler beaucoup d'encre, en particulier quand les SSD étaient encore nouveaux et que certains rechignaient à leur confier des données de trop grande importance. Et dans le cas des mémoires MLC, TLC et QLC, chacune requiert une tension d'écriture encore plus élevée (en proportion de la taille de ces cellules) ce qui signifie que l'impact d'un cycle d'écriture a encore plus d'importance et donc que leur durée de vie est réduite d'autant plus. On parle généralement d'une durée de vie 10x supérieure pour la NAND SLC que la NAND MLC qui a elle-même ce rapport avec la TLC. Mais il n'y a pas lieu de s'affoler. Si vous avez lu ici ou là que la SLC supporte 100 000 cycles d'écriture, la MLC entre 1000 et 3000 et la TLC à peine 500, c'est que vous êtes tombé sur une vieille page du temps ou la mémoire était encore gravée en 50 nm. A chaque progrès du process de gravure, la tension nécessaire étant en baisse, la durée de vie progresse. Ainsi, la QLC à peine commercialisée tient déjà 1 000 cycles environ et la TLC moderne est entre 2000 et 3000. De plus, la fonction TRIM (qui doit être prise en charge par l'OS, c'est le cas de Windows et Linux depuis des années) assure une rotation des cellules utilisées dans le SSD pour éviter d'écrire toujours sur les mêmes et les tuer prématurément. Enfin, il faut savoir que tous les SSD ont plus d'espace qu'ils ne le revendiquent, le surplus de mémoire étant justement utilisé en remplacement des cellules HS; c'est ce qu'on appelle l'overprovisionning. De nos jours, les SSD haut de gamme sont en MLC comme le Samsung 970 Pro, les autres sont en généralement en TLC tel le Crucial MX500 et vont peu à peu basculer en QLC comme la nouvelle version du Samsung 860 EVO baptisée 860 QVO pour le distinguer. Et n'allez pas croire que les SSD les moins chers souffrent d'une piètre endurance : un 860 QVO de 1 To est donné pour 360 TBW, ça signifie que vous pouvez au moins écrire 360 To dessus avant d'envisager d'avoir le moindre problème. Sur les 3 ans que court la garantie, ça veut donc dire 360 000 Go/ (3*365) = 328 Go écrits chaque jour. Dites-vous qu'en moyenne, on écrit entre 15 et 20 Go par jour !
MÊME LES SSD SONT EN 3D
L'augmentation du nombre de bits par cellule n'est pas le seul vecteur de progrès concernant l'accroissement de densité et donc le rapport qualité/prix des SSD. Depuis quelques années, les principaux constructeurs de NAND (Samsung, SK Hynix, Toshiba avec WD) sont passés à la NAND 3D, c'est-à-dire des puces de mémoire construites sur plusieurs couches ! 32, 48, 64, 72 puis 96 couches pour les plus récentes. Depuis peu, SK Hynix parle même de NAND 4D avec une technologie un peu obscure de stockage de certains éléments verticalement, mais qui permet au final un encombrement réduit de 30 % et un rendement amélioré de 49 % par wafer (galette de silicium où sont gravée s des milliers de puces à la fois) par rapport à ses précédentes puces de 72 couches. Voilà comment de nos jours nous pouvons nous offrir des SSD de 500 Go à 80 € seulement et comment des modèles de plusieurs téraoctets tiennent sur un modeste format M.2. A propos de format, nous reviendrons en détail sur le M.2 d'ici quelques pages, mais comprenez que les SSD existent dans de multiples formats physiques, les deux les plus courants étant le boîtier de 2,5" et la petite carte M.2. Mais peu importe le format, les composants utilisés sont exactement les mêmes. Il est aussi important de comprendre que les SSD peuvent communiquer avec le reste du PC de deux façons, soit en SATA, soit via le bus PCI-E qui est plus rapide. C'est cette notion que nous allons aborder en détail sur notre page M.2.
DE L'IMPORTANCE DU CONTRÔLEUR
Il n'y a pas que de la mémoire flash dans un SSD. L'artisan principal des performances c'est le contrôleur, un petit Soc qui comprend un contrôleur SATA ou PCI-E pour la communication extérieure, un ou plusieurs contrôleurs Flash et un contrôleur mémoire (pour le cache). Par rapport au minuscule contrôleur d'une clé USB, celui d'un SSD est beaucoup plus performant. Et notamment optimisé pour tirer profit de plusieurs puces à la fois (jusqu'à 8 sur les plus récents comme le SM2262EN de Silicon Motion). Il est également capable d'exploiter une puce de mémoire cache, généralement de la DDR2 ou DDR3, qui sert de tampon pour échanger plus rapidement les données avec le CPU, car la RAM est bien plus rapide encore qu'un SSD. Le contrôleur de stockage est également compatible avec les protocoles de communication les plus performants, AHCI pour le SATA, NVMe pour le PCI-E. Les SSD modernes saturent à peu près tous le SATA 6 Gbit/s (550 Mo/s), c'est pourquoi nous migrons peu à peu vers des SSD branchés en PCI-E sur des ports PCI-E 3.0 2 ou 4X. Et les meilleurs atteignent déjà 3,5 Go/s, saturant presque les 4X ! Pour autant, ils nous semblent à peine plus rapides que les SSD SATA, pourquoi ? Ce qui fait la force du SSD, plus que ses débits, ce sont ses temps d'accès et sa faculté à traiter rapidement de nombreuses requêtes. Tandis que les disques durs SATA ne sont jamais tombés sous les 12 ms de temps d'accès moyen, les SSD sont sous la milliseconde ! Et de nos jours, plus proches de 0,1 ms que d'1 ms même. Et là, les SSD PCI-E ne sont pas meilleurs que ceux en SATA.