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Articles - Étudiants SUPINFO

Un SSD, qu'est-ce que c'est, et comment ça fonctionne ?

Par Antoine VETILLARD Publié le 08/09/2017 à 18:05:52 Noter cet article:
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Introduction

Le stockage est depuis toujours un critère important lors de l'achat d'un ordinateur. Que ce soit nos photos de vacances, travaux d'entreprise ou documents d'études, nous avons tous des centaines de gigaoctets, voire de téraoctets, à garder sur des systèmes de stockage pour lesquels nous souhaiterions une espérance de vie éternelle. Pendant longtemps, un simple disque dur a suffi à stocker le tout. Cependant, depuis quelques années, avec l’arrivée de la fibre optique dans la majorité des foyers français, le disque dur devient un facteur ralentissant lors de téléchargements. Ce facteur joue aussi lors du transfert de gros fichiers dont nous nous encombrons de nos jours. Que ce soit avec nos photos de caméras 4K, films dématérialisés, jeux ou encore logiciels, la vitesse de transfert est devenu un critère non négligeable lors de l’achat de supports de stockage. Le disque dur se faisant vieux, il commence à laisser la place à son successeur : le SSD. Mais qu’est-ce que, concrètement, un SSD ? TLC, NAND, M.2… tous ces termes énigmatiques sont en réalité des caractéristiques importantes de ce nouveau système de stockage. Nous allons voir, en détails, comment fonctionne celui-ci.

L’histoire du stockage

Pour des raisons évidentes, cette partie ne vous présentera pas la totalité des produits constituant l’histoire du stockage. C’est pourquoi j’ai établi une liste non-exhaustive de produits qui ont marqué une nouvelle ère à leur sortie et que je vais vous présenter tout au long de cette partie.

L’histoire du stockage de données commence en 1887, quand Herman Hollerith, un ingénieur américain, dépose un brevet pour sa nouvelle création : la machine à statistiques à cartes perforées. Ce système, reprenant le prototype de cartes perforées créé, le siècle précédent, par le français Basile Bouchon, permet de stocker les données des migrants arrivant aux Etats-Unis. Grâce à son système, Hollerith raccourcit le temps de traitement du recensement à seulement trois ans contre une dizaine d’années auparavant. Plus tard, il monte une entreprise pour développer ce système. Après quelques temps d’existence et plusieurs améliorations portées au système à cartes, l’entreprise vient à changer de nom pour s’appeler IBM, nom qui ne nous est pas inconnu. Le système de cartes perforées perdure jusqu’à la fin des années 1970.

Utilisée en parallèle de ce système, la bande magnétique fait son apparition en 1928. Mise au point en Allemagne, elle a tout d’abord été conçue pour enregistrer du son. Très vite, l’enregistrement de contenu vidéo sur ce type de support fait son apparition. Dès sa création, la bande magnétique est également, utilisée pour enregistrer des données informatiques. Dans les années 1950, les formats de bandes sont standardisés. Plus tard, les cassettes VHS font leur apparition. De nos jours, les bandes magnétiques sont toujours utilisées pour réaliser des sauvegardes de données dans les serveurs, sur un support appelé cartouche Linear Tape Open, plus connu sous le sigle LTO. En effet, la durée de vie d’une bande est d’environ trente ans, si la conservation est faite dans des conditions optimales. De plus, les cassettes actuelles, fabriquées par IBM, HP et Quantum, disposent d’un espace de stockage de l’ordre du téraoctet.

1956 est une année importante dans l’histoire de l’informatique. En effet, c’est en septembre de cette année-là qu’IBM frappe un grand coup avec le premier disque dur, nommé IBM 350, intégré dans son premier ordinateur multifonctions à usage général, le RAMAC 305, où RAMAC signifie Ramdom Access Method of Accounting and Control. Ce premier disque dur est alors composé de 50 plateaux et a une capacité de stockage inférieure à 5 Mo. A l’époque, ces plateaux tournaient à 1200 tours/min, ce qui était bien loin des 7200 tours/min qui cadencent la majorité de nos disques durs actuels. Ci-dessous la photo mythique des techniciens d’IBM chargeant cet ordinateur dans un véhicule.

Un peu plus tard, en 1980, Seagate entre sur le marché des disques dur avec son ST-506. La véritable innovation survenant avec ce disque dur d’une capacité de 5 Mo était la petite taille des disques avoisinant les 13 centimètres de diamètre.

Aux alentours de 1991, Seagate fait de nouveau parler d’elle en dévoilant le premier disque dur de la gamme Seagate Barracuda et de la série 2LP. Ce disque dur est le tout premier de l’histoire à être cadencé à 7200 tours/min. C’est également un des premiers disques durs à avoir une capacité de stockage exprimée en gigaoctets, plus précisément 2,5 Go, contrairement à ses prédécesseurs en mégaoctets. A noter que la gamme barracuda existe toujours.

A présent remontons un peu dans le temps. Parallèlement aux disques durs, s’est développé un autre moyen de stockage : la disquette. Apparue vers la fin des années 1960, la disquette, à l’origine au format 8 pouces, a été déclinée en trois tailles différentes, comme le montre la photo ci-dessous : 8 pouces, 5,25 pouces et 3,5 pouces. Utilisée pendant quelques années notamment pour son côté pratique car amovible et léger, ce moyen de stockage n’a cependant jamais dépassé les 240 Mo de stockage.

Le CD, quant à lui, fait son apparition en 1979 grâce au travail commun de Philips et Sony. Plus tard, utilisant le même support, le CD-ROM fait son apparition.

La première clé USB, l’IBM DiskOnKey, sort de l’usine en décembre 2000, un an après la sortie des cartes SD. Utilisant la technologie USB 1.0, celle-ci avait une capacité de 8 Mo, capacité démesurée pour l’époque. Notons que le système de fonctionnement des SSD s’est fortement inspiré de celui des clés USB puisque les composants principaux sont le contrôleur et les blocs de mémoire flash, le tout soudé à un circuit imprimé.

Enfin, ces dernières années, nous avons pu assister à l’apparition et au développement du stockage en ligne, plus connu sous le nom de Cloud. Cette innovation virtuelle a su trouver sa place dans le monde du stockage et continue sa progression dans d’autres services informatiques. On peut, par exemple citer le shadow, véritable ordinateur hébergé dans le Cloud.

L’arrivée des SSD

La mémoire flash existe déjà depuis quelques dizaines d’années. Cependant, la première application de celle-ci dans un système tel que le SSD ne fait son apparition que dans les années 1970, dans les supercalculateurs de grandes firmes de l’époque telles qu’IBM, Amdahl et Cray. Longtemps ignoré dans le monde du stockage pour ordinateurs, le SSD tel que nous le connaissons aujourd’hui a été introduit dans nos machines car des problèmes se posaient. En effet, avec la montée en performance des composants tels que les processeurs, les cartes graphiques ou cartes mères, le disque dur venait à poser de gros problèmes de ralentissements. Avec ses 4 à 13 millisecondes de temps d’accès, selon les modèles, les tests de performances, « benchmark » en anglais, des ordinateurs derniers cris étaient très souvent faussés, à cause du disque dur. De plus, avec le développement parallèle de la mémoire flash dans les appareils photos, tablettes, smartphones et autres, l’utilisation de mémoire à accès rapide comme celle-ci devenait une nécessité.

Avec son arrivée, le SSD a également permis de régler les problèmes mécaniques du disque dur. Ainsi, les mouvements et légers chocs parfois mortels pour un disque dur n’auraient pas d’effets sur un SSD. Le bruit causé par le moteur ne serait plus qu’un mauvais souvenir. La consommation électrique serait très allégée puisque les éléments mécaniques, très gourmands en électricité, ne seraient plus là. Enfin, le temps d’accès passerait des 4 à 13 millisecondes pour un disque dur à environ 0,1 milliseconde pour un SSD et, par conséquent, les vitesses de lecture et écriture, en mégaoctets par seconde, seraient nettement améliorées.

Les SSD étant en plein essor, les nouvelles technologies de mémoires s’enchaînent, ce qui a pour effet de casser les prix des modèles précédents. Cette révolution du stockage entraîne plusieurs réactions en chaîne. Tout d’abord, le grand public peut donc se permettre, depuis quelques années, de s’acheter des SSD, dont les prix sont désormais très abordables. Ensuite, dû à ces achats massifs, les prix des disques durs sont cassés pour poursuivre les ventes.

Cependant, le SSD n’est pas parfait et cette vitesse de déploiement laisse une grande question en suspens : « Qu’en est-il de la durée de vie de ces appareils ? ». Les avis des experts sont assez différents les uns des autres. D’un côté, certains vous répondront que votre SSD ne vivra que cinq ans, d’un autre côté, certains se lancent dans des calculs basés sur des facteurs incertains. Je ne suis, pour ma part, pas un expert en la matière mais permettez-moi de tenter d’apporter une réponse. Tout d’abord, comme pour les disques durs, la durée de vie va surtout dépendre de l’utilisation faite de votre SSD. Le SSD de Madame Dupond, qu’elle n’utilise qu’une fois par semaine, durera certainement plus longtemps que le SSD de Paul, gros consommateur de jeux et programmes en tous genres, qui utilise son ordinateur au quotidien. Parallèlement, il va de soi que, plus la cellule aura d’états possibles (voir partie 3b de l’article), plus le nombre de lectures et écritures va être important pour celle-ci. Ceci aura pour conséquence directe d’engendrer des signes de faiblesse nettement plus tôt qu’une cellule acceptant moins d’états. Pour pallier en partie à ce problème, les fabricants mettent au point des logiciels permettant d’améliorer la répartition des écritures réalisées sur le SSD. C’est pourquoi il est important d’installer le logiciel fourni avec celui-ci, lors de l’achat. Un autre facteur rentrant en compte est la qualité du contrôleur. En effet, c’est à ce composant que revient le rôle d’orchestrer le traitement des données entre ordinateur et blocs de cellules de mémoire. Voici une image détaillant les composants d’un SSD SATA :

La mémoire flash

Lorsque l’on parle de la mémoire des SSD, deux notions-clés rentrent en jeu. Il s’agit du type de mémoire flash et de la structure des cellules de mémoire flash. Nous allons voir en détails à quoi correspond chacun de ces deux termes techniques.

Les types de mémoire flash

Il existe deux types de mémoires. La mémoire NAND et la mémoire V-NAND.

La NAND, la plus ancienne des deux, est une technologie de stockage qui ne requiert pas d’alimentation électrique pour conserver les données inscrites, contrairement à la mémoire vive, plus connue sous le sigle « RAM ». C’est ce que l’on appelle la mémoire « non-volatile ». Elle est composée de cellules, dans lesquelles sont stockés un, deux, trois ou même, maintenant, quatre bits. Chaque cellule est, en réalité, un petit transistor où sont enregistrés le ou les bit(s) qui constituent les données. Aussi récente qu’elle puisse paraître, cette mémoire a été mise au point par Toshiba vers la fin des années 1980. Avant d’être intégrée dans nos SSD, elle a été, et est toujours, utilisée dans les clés USB, cartes SD, téléphones portables, etc. A noter que la mémoire NAND est gravée en deux dimensions dans les blocs de cellules que nous avons pu observer sur le schéma de la partie deux.

La V-NAND est une abréviation de la 3D V-NAND, elle-même parfois abrégée en 3D NAND. Ne vous méprenez pas si vous trouvez ces trois notations sur différents sites web, elles correspondent à la même technologie. Les différentes appellations de cette même technologie ne relèvent en réalité que de polémiques marketings entre les différents constructeurs qui cherchent à présenter comme innovante une technologie très similaire à celle de leurs concurrents. Dans le nom de celle-ci, le V correspond au terme « vertically », verticalement en français. Lorsque je vous parlais de la mémoire NAND, je vous ai spécifié qu’elle était gravée en deux dimensions. Ici, le terme « vertically » fait référence au fait que la mémoire est gravée en trois dimensions, d’où l’abréviation de 3D V-NAND en V-NAND ou 3D NAND. Cette technologie très récente apporte les avantages de stocker plus de données sur une même surface, grâce à un système de couches, et de traiter plus rapidement les données. Un troisième avantage de ce nouveau système est l’endurance. En effet, puisque le nombre de cellules gagnées sur un espace inchangé va être très important, les constructeurs vont pouvoir cesser d’essayer de graver les cellules au plus fin, pour en rentrer le plus possible, ce qui va éviter les effets interférents, et donc usants, qui peuvent apparaître lorsque la finesse de gravure est trop importante. Dû à sa sortie des laboratoires très récente, les principaux fabricants sont désormais dans ce que de nombreux journalistes appellent la course à la 3D NAND.

Les différentes structures des cellules de la mémoire

Il y a quatre types de structures de mémoire à l’heure où j’écris ces lignes.

La première, la Single Level Cell, abrégée en SLC, consiste à ne stocker qu’un seul bit par cellule. Une cellule étant un transistor fonctionnant en binaire, il n’y a donc que deux niveaux de charge.

La seconde, la Multi Level Cell, abrégée en MLC, consiste à stocker plusieurs bits par cellule. Cependant, à cause des technologies en place au moment de la sortie de cette nouvelle appellation, il s’est avéré que cette dernière désigne les cellules à deux bits. Cependant, l’appellation Dual Level Cell (DLC) existe pour parler de ce type de cellules, même si elle est très peu utilisée. Elle peut avoir quatre états différents.

La troisième, la Triple Level Cell, abrégée en TLC, est un dérivé du MLC qui consiste à pouvoir enregistrer trois bits par cellule. Ceci équivaut donc à huit états possibles au sein de la cellule.

Enfin, la dernière, et la plus récente, est la Quad Level Cells dont l’abréviation est QLC. Comme vous pouvez vous en douter, la QLC stocke quatre bits par cellule, ce qui donne seize états par cellule.

Tout ceci est bien intéressant mais nous sommes en droit de nous demander quels sont les avantages et inconvénients à utiliser, à titre d’exemple, de la TLC au lieu de la QLC.

L’effet à double tranchant de stocker plus de bits par cellule est, d’une part un avantage car il devient alors possible de stocker plus de données sur un SSD d’une même taille matérielle. Mais d’autre part, stocker plusieurs bits par cellule implique plus de lectures de ces cellules, ce qui veut ainsi dire plus d’usure, une légère baisse de performances et donc une durée de vie de la mémoire plus restreinte.

Les différentes interfaces

Un SSD est connecté par deux moyens à un ordinateur : le connecteur et l’interface. Le connecteur est simplement la petite prise matérielle du SSD qui va venir se brancher, avec ou sans câble suivant le type, à l’ordinateur tandis que l’interface est le protocole qui va permettre l’échange de données au sein de la machine. Ainsi, une même interface peut être utilisée sur plusieurs types de connecteurs et inversement. Je vais donc vous présenter les différentes interfaces utilisées, classées par connecteurs.

Le connecteur SATA

Le SSD SATA est probablement l’image que tout le monde a en tête lorsque l’on parle de SSD. Ce connecteur utilise son interface, la SATA III, qui offre une vitesse théorique de 6 Gbit/s, ce qui correspond à 550 Mo/s en pratique. L’intérêt de ce SSD est qu’il est celui qui vous offrira le plus de compatibilité avec la majorité des cartes mères d’ordinateurs fixes ou portables. Il peut aussi être utilisé comme SSD externe si on le dote d’un adaptateur SATA vers USB.

Le connecteur mini-SATA

Aussi écrit mSATA, ce connecteur n’est pas très répandu. De plus, les performances qu’il offre sont les mêmes qu’un connecteur SATA classique. Le seul avantage de celui-ci est donc d’être plus petit et de prendre moins de place dans un boitier qu’un SSD SATA.

Le connecteur PCI-Express

Ces SSD, bien qu’encombrants puisqu’ils ont la taille d’une petite carte graphique, sont beaucoup plus performants en terme de vitesse de transferts qu’un SSD SATA. Malheureusement, ils sont réservés aux cartes mères d’ordinateurs fixes, seules cartes mères disposant de ports PCIe.

Le connecteur M.2

Le connecteur M.2 a la particularité de pouvoir supporter deux interfaces : la PCIe et la SATA. Le SSD en M.2 SATA offre les mêmes performances qu’un SSD SATA classique, selon ASUS. Le M.2 PCIe est, quant à lui beaucoup plus performant que celui en SATA car il utilise la même interface que le SSD au connecteur PCI-Express.

Les principaux acteurs

Les vendeurs de SSD sont environ 80 dans le monde entier. Cependant, tous ne fabriquent pas les produits qu’ils vendent. De plus, les deux composants principaux, le contrôleur et la mémoire, ne sont pas toujours fabriqués par le même constructeur. Par exemple, la firme américaine Kingston Technology fabrique sa propre mémoire mais achète, en partie, des contrôleurs signés Marvell.

Les fabricants de mémoire et de contrôleurs sont donc la plupart du temps les vendeurs réalisant les plus gros chiffres d’affaires. Parmi eux figurent des grands groupes aux noms bien connus dans le monde high-tech tels que Samsung Electronics, SanDisk (rachetée par Western Digital), Intel, Toshiba, Seagate Technology et bien d’autres.

Concernant les parts de marchés de ces derniers, le site Trendfocus, par le biais de storagenewsletter, nous rapporte les statistiques des ventes de 2016 sous forme de camembert.

On peut constater que Samsung réussi bien ses ventes en monopolisant plus d’un tiers des parts de marché. Western Digital, grâce à son rachat de SanDisk, arrive en deuxième position mais avec moins de la moitié des parts de Samsung. En troisième, le japonais Toshiba arrive à 8,7%, suivi de près par le taïwanais Lite-On, puis de l’américain Intel.

Conclusion

63 millions de SSD ont été vendus en 2016. Qu’ils soient achetés à l’unité ou préinstallés dans des ordinateurs, ces systèmes de stockage sont désormais en très bonne voie. De plus, le SSD se diversifiant en terme d’interfaces disponibles et de technologies de mémoire, la gamme de prix ne cessera d’être variée, ce qui permettra à chacun de s’offrir un SSD, quel que soit son budget, sa configuration matérielle et l’utilisation qu’il compte en faire. Par ailleurs, le fait que nous ne possédions pas assez de recul pour donner une estimation de la durée de vie de ces appareils montre que le SSD n’est qu’au début de son existence et que les plus belles innovations restent à venir.

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