KOVALEVY JA SSD

Kiintolevy

Mikä on kiintolevy?

Kuvaaja: Zzubnik Julkaistu vapaaseen käyttöön

Kiintolevy (eng. disk drive), usein puhekielessä myös kovalevy, on tietokoneeseen joko kiinteästi tai ulkoisen liitännän yhteydellä asennettu levymuisti, jota käytetään tietokoneen massamuistina.

Kiintolevyn toiminta

Kiintolevy tallentaa datan yhden tai useamman pyörivän metalli- tai lasikiekon magneettisesti päällystettyyn pintaan. Tieto kirjoitetaan bitti kerrallaan jonoihin ympyrän muotoon. Tieto tallentuu, kun kirjoituspää suuntaa levyn pinnalla olevat magneettiset hiukkaset jättäen jälkeensä pysyviä magneettikenttiä ja näin tieto säilyy vaikka virta laitteeseen katkeaisi. Kun lukupää liikkuu magneettikenttien ohi, siihen indusoituu jännite, joka tulkitaan signaaliksi. Signaali muutetaan ohjauselektroniikan avulla luettavaan muotoon.

Koska kiintolevyssä on mekaaninen pyörivä levy, jolle dataa tallennetaan, ajan myötä levylle tallennettujen tiedostojen osat saattavat ajautua erilleen tai yksinkertaisesti tulla tallennetuiksi kauaksi toisistaan. Tätä kutsutaan fragmentaatioksi. Fragmentaatio hidastaa kovalevyn toimintaa, koska levy joutuu siirtymään sektorilta toiselle lukeakseen yhtä tiedostoa, mikä kuluttaa aikaa. Tämän vuoksi kovalevyn dataa täytyy säännöllisesti järjestellä uudestaan yhtenäisemmiksi alueiksi eli defragmentoida muisti.

Yleisimmät levyjen liitäntätavat ovat SATA, IDE/ATA sekä SCSI. Nykyaikainen emolevy on yleensä varustettu neljällä tai useammalla SATA-liittimellä. Vanhempia IDE-liittimiä on tarjolla useimmiten ainakin yksi.

Kiintolevyn viat ja ongelmat

Kiintolevyjen käyttöikä voi merkistä ja mallista riippuen vaihdella melko paljon, ja ne voivat rikkoutua oikeastaan minkä tahansa ikäisinä. Kuitenkin kiintolevyn vanhetessa myös sen riski hajota kasvaa. Keskimääräinen käyttöikä on kiintolevylle noin 3-5 vuotta.

Liikkuvien osien takia kiintolevyt ovat väkisinkin alttiita jonkinasteisille ongelmille ja vioille. Häiriöitä on monenlaisia ja niihin sisältyy muun muassa seuraavat ongelmat: ohjelmien suoritus pätkii tai katkeaa kokonaan, kone käynnistyy odottamatta uudelleen, levystä kuuluu outoja ääniä, käyttöjärjestelmä ei käynnisty, kiintolevy kuumenee tai levystä kuuluu outo BIOSin beep-koodi eli BIOSin varoitusääni.

Ensimmäinen kiintolevyssä havaittava vika on yleensä muistisektoreiden vaurioituminen. Sektoreita voidaan poistaa käytöstä käyttäen korjausohjelmia, jotta levyn käyttöä voidaan jatkaa. Vika on kuitenkin merkki tulevista, suuremmista ongelmista, jotka lopulta kulminoituvat levyn täydelliseen toimimattomuuteen.

Toinen yleinen vika on johtuu fyysisestä vauriosta (syntyy esimerkiksi kolahduksen tai tärähdyksen yhteydessä). Lukupään osuessa levyyn siihen tulee mikroskooppinen kuoppa, mikä aiheuttaa sen, että jos vahingoittunut osa sisältää paikannustiedot joillekkin tiedostoille, lukupää ei enää tunnista kyseisiä tiedostoja ja täten kiintolevy ei enää toimi. Tämän voi usein havaita kiintolevyn pyörimisenä ja nykimisenä, kun se yritää etsiä oikeaa sektoria. Uudelleenkäynnistys saattaa pahentaa asioita, mikäli kiintolevyn pinnalla on kolhu. Kolhusta on todennäköisesti irronnut mikroskooppisia siruja, jotka aina levyn käynnistyksen yhteydessä aiheuttavat enemmän vaurioita.

Kosteus ja ylijännitevirtapiikit ovat myös uhka kiintolevyn toiminnalle, samoin korkeat lämpötilat.

Kiintolevyn historia

Maailman ensimmäinen varsinainen kiintolevy oli IBM 350, joka oli osa IBM 305 RAMAC -tietokonetta. 305 RAMAC tuli markkinoille vuonna 1956 ja sisälsi 50 halkaisijaltaan 24 tuuman, eli noin 61 senttimetrin, kokoista kiekkoa. Koko kiintolevyyn pystyi tallentamaan 5 miljoonaa merkkiä eli alle viisi megatavua, ja hintaa levyllä oli 35 000 dollaria eli noin 255 000 nykydollaria.

Kaksikymmentäviisi vuotta myöhemmin, eli vuonna 1981, ensimmäinen henkilökohtainen kotitietokoneen kovalevy keksitiin PC (Personal Computer) IBM 5150:lle. Koska levyn kokoa oli kutistettu mahdollistamaan kuluttajakäytön, tallennuskapasitetti oli vain 4 megatavua.

Kiintolevyissä on nykypäivänä pääasiassa kahta eri kokoluokkaa mitä tulee itse levyn fyysiseen kokoon. Koot ovat 2,5 tuumaa ja 3,5 tuumaa, joista 3,5 tuuman kokoiset levyt esiteltiin ensimmäisen kerran 1983 ja 2,5-tuumaiset 1988.

2010-luvulla kiintolevyjen kapasiteetti on ollut vakaassa nousussa puolijohdetekniikan (SSD) kehittymisen ansiosta. Mekaaniset magneettilevyt ovat jääneet jälkeen tallennuskapasiteetissa ja pysytelleet kuluttajille noin 1-15 teratavun kokoisina.

SSD

Mikä on SSD?

SSD (eng. Solid-State Drive) eli puolijohdelevy, puhekielessä SSD, käyttää pysyvää muistia (NVMe), jossa siihen tallennettu data säilyy ilman laiteen olemista jatkuvasti sähkövirrassa. SSD koostuu kahdesta sirusta: Flash-muistin levyohjaimesta ja NAND Flash muistista. Arkkitehtuuri on optimoitu tuottamaan nopean luku- ja kirjoitusnopeuden, sekä nopean datan haun.

SSD:n toiminta

Kuvaaja OrderCrazy https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication

Flash-muistiin kirjoittamista on rajoitettu 10 000 kertaan per solu. Joka kerta kun Flash-muistiin kirjoitetaan, transistori menettää tehokkuuttaan. Tämän vuoksi SSD-ohjelmisto S.M.A.R.T yrittää tallentaa aina jokaiseen "uuteen" soluun ennen kuin se aloittaa uutta kierrosta eli kirjoittamista vanhoihin soluihin.

SSD tallentaa halutun datan sen NAND Flash-muistiin , jossa kenttävaikutustransistorit (FGMOS) tallentavat tietyn määrän bittejä jokaiseen soluun sähköjohteisen metallin ja itse sähkövirran avulla. Tallennettavien bittien määrä riippuu täysin transistorin rakenteesta. SLC tallentaa yhden bitin jokaiseen soluun. MLC (2-bit MLC), yleisin nykypäivän Flash-muisteista, tallentaa kaksi bittiä jokaiseen soluun. Uusin kolmen bitin MLC (3-bit MLC) tallentaa nimensä mukaisesti kolme bittiä jokaiseen soluun. Mitä enemmän bittejä jokaiseen soluu mahtuu, sitä tiivimmin data saadaan mahdollistaen suuremmat Flash-muistit. Mitä enemmän bittejä on jokaisessa solussa, sitä vaikeammaksi siihen kirjoittaminen ja lukeminen tulee täten hidastaen Flash-muistin toimintaa.

SSD:n historia

1950-luvulla IBM:n insinöörit kehittelivät parempia muistijärjestelmiä. Kaksi uutta teknologiaa kehiteltiin: ladattava vain luku -varastointikondensaattori (CCROS) ja ydinmuisti, joista luotiin ensimmäinen aito SSD. SSD:n kehitys jatkui, sillä NASA käytti IBM:n tuottamaa keskusmuistia avaruusohjelmissaan. CCROS ja ydinmuisti toimivat vieläkin nykypäivän SSD:n perustana.

Ensimmäinen SSD kovalevyn käyttöliittymällä oli vuonna 1978 julkaistu StorageTek 4305. Vuonna 1991 SanDisk -yhtiö julkaisi markkinoiden ensimmäisen massatuotetun SSD:n. Koko oli jopa huimat 20MT.

Vuonna 2009 Micron esitteli ensimmäisen SATA 3 -väylää käyttävän SSD-levyn.

Samana vuonna CeBIT esitteli tapahtumassa OCZ teknologia yhden teratavun Flash SSD:n, joka käytti PCI Express x8 -väylää. Kyseinen SSD kirjoitti 654 megatavua sekunnissa (MT/s) ja luki 712 megatavua sekunnissa.

SSD-levyn kehitys tulee jatkumaan tasaista vauhtia tulevaisuudessakin markkinoille tuotaessa jatkuvasti kehittyneempää muistia, ajureita ja muita keskeisiä komponentteja. Tällä hetkellä markkinoiden suurimman kapasiteetin omaa puolijohde SSD nimeltä Nimbus Data:n EXA drive, johon mahtuu valtavat 100 teratavua.

Kiintolevy (HDD) VS. Puolijohdelevy (SSD)

SSD-levy on paljon nopeampi, kuin perinteinen magneettiseen tallennukseen perustuva mekaaninen kiintolevy. Tämä johtuu siitä, että muistipiireissä ei tarvitse enää odottaa lukupään liikkuvan oikeaan kohtaan levyn pinnalla vaan SSD voi valita halutun muistialueen hetkessä. SSD kestää HDD:tä pitempään ennen virhettä, mutta koska SSD pyrkii käyttämään jokaista muistialuetta suurin piirtein yhtä paljon, tarkoittaa virheiden esiintyminen SSD:ssä, että koko levy on pian "käytetty loppuun". SSD:tä ei myöskään tarvitse defragmentoida, toisin kuin HDD:tä. Edellämainitusta nopeuserosta johtuen datan sijainti SSD:llä ei ole merkityksellistä toisin kuin HDD:llä ja defragmentaatio vain kuluttaa SSD:n muistisoluja turhaan. Pitkän aikaa HDD:hen mahtui enemmän dataa, mutta puolijohdetekniikan kehityksen vuoksi kehityksen painopisteet ovat siirtyneet pois magneettilevyistä ja magneettilevyjen kehitys on käytännössä pysähtynyt. Niiden tallennuskapasiteetti on samoin pysytellyt noin 15 Teratavun paikkeilla, kun taas puolijohdelevyillä se on jo 100 teratavun paikkeilla. Mekaaniset HDD-levyt on kuitenkin kehitetty ajansaatossa hupputasoisiksi ja niiden etuna nykypäivänäkin on hinta/tallennuskapasiteetti -suhde ja toimintavarmuus. Tämän takia ei näytäkkään että SSD-levyt kokonaan syrjäyttäisivät ne, sillä niillä on aivan oma käyttöperustansa.

Aiheesta muualla

https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_drive Sivun keskikohdassa hyvä taulukko jossa vertaillaan SSD:n ja HDD:n toimintaa mm. kauanko tieto pysyy tallessa.