Solid State Drives (SSD) กำลังกลายเป็นที่เก็บข้อมูลหลักสำหรับระบบปฏิบัติการและแอปพลิเคชัน เราจะพบเห็นมันในแล็ปท็อป โทรศัพท์ แท็บเล็ต และคอนโซลเกมรุ่นล่าสุด
ด้วยประสิทธิภาพและความทนทานที่ยอดเยี่ยม ไดรฟ์เหล่านี้กำลังสร้างความสนใจอย่างมาก แต่ SSD คืออะไรจริงๆ?
การทำงานของฮาร์ดดิสก์แบบดั้งเดิม (HDD)
เพื่อเข้าใจความแตกต่างของ SSD เราต้องมองย้อนกลับไปที่ HDD แบบดั้งเดิม ซึ่งเป็นไดรฟ์มาตรฐานในคอมพิวเตอร์เกือบทุกเครื่องจนกระทั่งไม่กี่ปีก่อน
ภายใน HDD จะมีแผ่นดิสก์หมุน 1 แผ่นขึ้นไป เรียกว่า "Platters" แต่ละแผ่นแบ่งเป็น Tracks และ Sectors แผ่นเหล่านี้ทำจากอะลูมิเนียมหรือแก้ว และเคลือบวัสดุแม่เหล็ก
พื้นที่ของแผ่นมีพื้นที่เล็กๆ หลายพันล้านจุด แต่ละจุดแทนบิตข้อมูลเดียว สามารถแม่เหล็กหรือถอนแม่เหล็กได้ แทน 1 และ 0
เมื่อแผ่นหมุนที่หลายพันรอบต่อนาที หัวอ่าน-เขียน (read-write heads) ที่ติดอยู่บนแขนหิ้ง จะลอยอยู่สูงผมขนเหนือพื้นที่แผ่น เพื่ออ่านหรือเขียนข้อมูล
ฮาร์ดดิสก์เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมาก มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่เล็ก นाजุก และแม่นยำ มันเป็นปלאของยุคใหม่ที่ทำงานได้ดีขนาดนี้
การทำงานของ SSD (Solid State Drive)
SSD มีลักษณะใกล้ชิดกับอุปกริกเซมิคอนดักเตอร์อย่าง CPU และ RAM มากกว่า HDD ทั้งคู่ทำหน้าที่เก็บข้อมือ แต่ SSD ทำงานต่างกันไป
ภายใน SSD ทั่วไป จะมีแค่ชิปคอมพิวเตอร์ มีชิปคอนโทรลเลอร์จัดการเก็บข้อมูล ส่วนใหญ่คือชิปหน่วยความจำแบบฟลาช (flash memory)
หน่วยความจำฟลาชเป็นหน่วยความจำแบบ "Non-volatile" (ไม่ระบายตัวเมื่อตัดไฟ) ต่างจาก RAM ที่เป็น Volatile (ข้อมูลหายเมื่อตัดไฟ) นี่คือเหตุผลที่ USB เรียกว่า "Flash drives"
SSD รุ่นใหม่ (และ USB/การ์ดหน่วยความจำส่วนใหญ่) ใช้ NAND flash memory ชื่อมาจากประเภท Logic gate ในไมโครชิป ภายในเซลล์หน่วยความจำ NAND สามารถเก็บระดับประจุไฟฟ้าต่างกันได้ โดยวัดระดับประจุเพื่อทราบว่าเป็น 1 หรือ 0 การเปลี่ยนข้อมูลคือการเปลี่ยนระดับประจุในเซลล์
มีหลายรูปแบบเทคโนโลยีในโลกของ NAND memory เช่น V-NAND หรือ 3D NAND ของ Samsung และ Intel ที่ซ้อนเซลล์แนวตั้ง เพื่อเพิ่มความจุในพื้นที่ซิลิคอนเดียวกัน
ประเภทของ SSD และอินเทอร์เฟซ
SSD มีรูปแบบ (Form factor) และประเภท NAND หลากหลาย ซึ่งกำหนดประสิทธิภาพสูงสุดและราคา
ประเภทหน่วยความจำฟลาช
NAND ทุกประเภทไม่เหมือนกันในความหนาแน่นของข้อมูลและประสิทธิภาพ จำได้ว่า SSD เก็บข้อมูลเป็นประจุไฟฟ้าในเซลล์
ถ้าเซลล์เก็บ 1 บิต เรียกว่า SLC (Single-Level Cell) MLC (Multi-Level Cell) และ TLC (Triple-Level Cell) เก็บ 2 และ 3 บิตต่อเซลล์ ตามลำดับ QLC (Quad-Level Cell) เก็บ 4 บิตต่อเซลล์
ยิ่งเก็บบิตมากต่อเซลล์ ยิ่งทำให้ SSD ถูกกว่าหรือจุข้อมูลมากขึ้นในพื้นที่เดียวกัน แต่จากหลักการทำงานของ SSD ไดรฟ์จะเสื่อมเร็วขึ้นเมื่อใช้วิธีเก็บหลายบิต SLC มีประสิทธิภาพและทนทานดีที่สุด อายุการใช้งานยาว แต่แพงมาก พบได้ในไดรฟ์ระดับสูง
ดังนั้น SSD สำหรับผู้บริโภคส่วนใหญ่ใช้ MLC หรือ TLC พร้อมเทคนิคพิเศษขยายอายุการใช้งาน เราจะกล่าวถึงการเสื่อมของ SSD ภายหลังในหัวข้อข้อเสีย
รูปแบบ SSD (Form Factors)
SSD มีรูปแบบต่างๆ "Form factor" คือรูปร่างทางกายภาพและมาตรฐานการเชื่อมต่อ เนื่องจาก SSD ออกแบบมาแทนที่ HDD ตัวแรกสำหรับเดสก์ท็อปจึงทำให้เข้าสล็อตเดิมของฮาร์ดดิสก์
นี่คือที่มาของ SSD ขนาด 2.5 นิ้ว SATA สามารถถอดฮาร์ดดิสก์ 2.5 นิ้วของแล็ปท็อปออก และเสียบ SSD ตัวนี้แทนได้เลย
SSD ภายในไม่จำเป็นต้องใช้พื้นที่มากขนาดนี้ แต่มีความสมเหตุสมผล เพราะแล็ปท็อปและเดสก์ท็อปสมัยใหม่มีเบย์ 2.5 นิ้วและพอร์ต SATA บนเมนบอร์ดอยู่แล้ว ยังซื้อแอดอปเตอร์มาใส่ไดรฟ์ 2.5 นิ้วในเบย์ 3.5 นิ้วของเดสก์ท็อปได้อีกด้วย
นอกจากใช้พื้นที่มากเกิน ไดรฟ์ 2.5 นิ้วนี้จำกัดความเร็วที่ 600 MB/s เนื่องจากขีดจำกัดของ SATA 3
มาตรฐาน mSATA (mini-SATA) แก้ปัญหาพื้นที่ mSATA มีรูปร่าง ขนาด และคอนเนคเตอร์เหมือน PCI Express Mini card แต่ไม่เข้ากันทางไฟฟ้า
mSATA ถูกแทนที่ด้วยมาตรฐาน M.2 ไดรฟ์ M.2 สามารถเป็น SATA หรือ PCIe ขึ้นอยู่กับการ์ดและเมนบอร์ด
การ์ด M.2 สามารถมีชิ้นส่วนสองด้าน และมีความยาวหลากหลาย สำคัญมากที่ต้องตรวจสอบว่าเมนบอร์ดรองรับ M.2 SSD ที่ต้องการหรือไม่
NVMe SSD ใช้มาตรฐาน Non-Volatile Memory Express เข้าถึงหน่วยความจำ SSD ผ่าน PCIe (ที่ใช้สำหรับการ์ดจอ) PCIe มีแบนด์วิดท์มากกว่า SATA มาก ทำให้ SSD เร็วแสดงศักยภาพเต็มที่
ข้อดีของ SSD
มีหลายเหตุผลที่ SSD กำลังกลายเป็นมาตรฐานการเก็บข้อมูล แม้จะมีปัญหาเริ่มต้นที่ทำให้ไม่ได้รับความนิยมในตอนแรก แต่ตอนนี้แนะนำให้ทุกคนใช้ได้แล้ว แม้คอนโซลเกมรุ่นใหม่ก็ใช้ SSD นี่คือจุดแข็งหลัก:
SSD เร็วมาก
ฮาร์ดดิสก์กลไกที่เร็วที่สุดโลก Seagate Mach.2 Exos 2X14 มีอัตราโอนข้อมูลต่อเนื่อง 524 MB/s ใกล้เคียง SATA 3 SSD แต่ HDD ทั่วไปในคอมพิวเตอร์ทำได้ประมาณ 100-250 MB/s
M.2 PCIe SSD ทั่วไปในแล็ปท็อประดับกลาง ให้ 2.5-3.5 GB/s รุ่นล่าสุดเกือบ 8 GB/s จำนวนข้อมูลมหาศาล ความเร็วเขียนมักช้ากว่าอ่านเล็กน้อย แต่ทั้งสองทิศทางเร็วมาก
ไม่ใช่แค่ความเร็วโอนข้อมูล HDD ต้องใช้เวลา Spin up แผ่นและย้ายหัวอ่านหาตำแหน่ง เรียกว่า "Seek time" ส่วน SSD ค่า Latency เกือบเป็นศูนย์
SSD อ่านข้อมูลจากตำแหน่งไหนก็ได้ในหน่วยความจำทันที และทำได้แบบขนาน ไม่ว่าจะมุมมองไหน SSD อยู่ในดินแดนประสิทธิภาพต่างจาก HDD ทุกประเภท
เมื่ออัปเกรด HDD เป็น SSD จะรู้สึกบูทเร็วขึ้นมาก และระบบตอบสนองไว (Snappy) เพราะ CPU ไม่ต้องรอข้อมูลจากสตอเรจ วิธีดีเยี่ยมในการให้ชีวิตใหม่กับ Windows เก่า
SSD ทนทาน
SSD ทนทานเท่าอุปกรณ์ Solid-state อื่นๆ เช่น CPU หรือ RAM ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ เว้นแต่เสียจากกระแสไฟฟ้าสูงกะทันหัน ควรทำงานได้ตลอดกาล หรือนานเท่าที่คอมพิวเตอร์ยังใช้งานได้ หน่วยความจำฟลาชทนแรงกระแทกได้ดี ไม่เหมือน HDD ที่เสียหายง่ายถ้าตกขณะแผ่นกำลังหมุน
ความทนทานนี้ทำให้เหมาะสำหรับแล็ปท็อป และเป็นเหตุผลที่ Ultrabook เช่น MacBook Air, iMac และ Mac อื่นๆ ใช้ SSD ประสิทธิภาพสูงแบบบูรณาการ
"ความทนทาน" ในที่นี้ ไม่ได้หมายถึงการเสื่อมของ SSD (SSD wear) ซึ่งเราจะกล่าวในข้อเสีย
SSD ไม่มีปัญหาการ 단절 (Fragmentation)
การแยกส่วนข้อมูล (Fragmentation) เป็นปัญหาจริงของ HDD เกิดเมื่อข้อมูลใหม่เขียนในพื้นที่ว่างแรกที่พบ ทำให้ไฟล์เดียวกระจายอยู่ทั่วพื้นที่แผ่น
สิ่งนี้ทำลายความเร็วอ่านแบบลำดับ และเพิ่ม Seek time มาก เพราะหัวอ่านต้องบินไปหาส่วนต่างๆ ของไฟล์ SSD ตามลักษณะธรรมชาติ ไม่มีปัญหา Fragmentation ไม่ใช่ว่าไฟล์ไม่แยกส่วน แต่ไม่สำคัญ เพราะไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่และ Seek time เกือบศูนย์
การ Defrag แค่เพิ่มการเสื่อมของไดรฟ์โดยไม่จำเป็น อ่านเพิ่มเติมได้ที่ "Should You Defrag an SSD?"
SSD เงียบสงบ
ฮาร์ดดิสก์ดัง! เสียงมอเตอร์ เสียงลมพัดดิสก์ เสียงคลิกของหัวอ่านเคลื่อนที่ กลับมานั่นเป็นเสียงพื้นหลังของผู้ใช้คอมพิวเตอร์หลายทศวรรษ
SSD ไม่ทำเสียงเลย อาจดูเป็นข้อได้เปรียบเล็กน้อย แต่ชิ้นส่วนที่ดังรบกวน ในบางกรณี เช่น คอมพิวเตอร์บันทึกเสียง ระดับเสียงเป็นเรื่องสำคัญ เคยมี HDR ราคาแพงที่พยายามลดเสียงด้วยการติดตั้งพิเศษ แต่ SSD แก้ปัญหาได้สิ้นเชิง
นี่คือเหตุผลที่เรามีคอมพิวเตอร์อย่าง Apple M1 MacBook Air ที่ไม่มีพัดลมและไม่มีฮาร์ดดิสก์กลไก เครื่องทั้งเครื่องเป็น Solid-state จึงไม่มีเสียงรบกวนเลย
SSD ขนาดเล็กและประหยัดพลังงาน
SSD ใช้พื้นที่น้อยกว่า HDD มาก และต้องการพลังงานน้อยกว่ามาก ทำให้มีคอมพิวเตอร์ แท็บเล็ต โทรศัพท์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ที่บางและเล็กลงได้ ซึ่งต้องการสตอเรจแบบไม่ระบายตัวที่เร็ว
SSD เข้าสู่โหมด Sleep ได้เกือบสมบูรณ์เมื่อไม่ใช้งาน และเปลี่ยนสู่โหมดประสิทธิภาพสูงทันที ไม่เหมือน HDD การใช้พลังงานของ SSD จึงสำคัญต่ออายุแบตเตอรี่ของคอมพิวเตอร์พกพาและอุปกรณ์ที่ใช้มัน อุปกรณ์กลไกไฟฟ้าต้องการพลังงานมากกว่าอุปกรณ์ Solid-state
SSD ช่วยลดขนาดการติดตั้ง
SSD สามารถลดขนาดการติดตั้งของบางแอปพลิเคชัน โดยเฉพาะเกมวิดีโอ เมื่อแอปต้องการสตรีมข้อมูลเข้าหน่วยความจำอย่างรวดเร็ว นักพัฒนาอาจทำซ้ำข้อมูลในหลายตำแหน่งบนแผ่น HDD เพื่อลด Seek time เพราะหัวอ่านจะอยู่ใกล้สำเนาข้อมูลที่ต้องการ เทคนิคฉลาดนี้ แต่ต้องแลกกับพื้นที่จัดเก็บ
แอปที่ออกแบบสำหรับ SSD ไม่ต้องทำอย่างนั้น เพราะ SSD มี Latency เกือบศูนย์ และอ่านข้อมูลจากที่ไหนก็ได้ทันที จึงต้องมีเพียง 1 สำเนาข้อมูล
คอนโซลอย่าง PlayStation 5 แสดงให้เห็นว่า SSD ช่วยลดขนาดติดตั้งได้มาก โดยเฉพาะร่วมกับการบีบอัด ซึ่งนำไปสู่ข้อดีถัดไป
SSD สามารถเร่งความเร็วได้ (Accelerated)
หากคิดว่า SSD เร็วพอแล้ว สามารถเร่งให้เร็วยิ่งขึ้นด้วยเทคโนโลยีการบีบอัด ข้อมูลเก็บบน SSD ในรูปแบบบีบอัดหนาแน่น เมื่อมีคำขอข้อมูล จะถูกถอดบีบอัดแบบ Real-time ทำให้ความเร็วโอนข้อมูลดิบของ SSD เพิ่มขึ้นเป็นประมาณ
เงื่อนไขคือต้องมีโปรเซสเซอร์แรงพอที่จะถอดบีบอัด SSD ปัจจุบันไม่มีโปรเซสเซอร์ดังกล่าวในตัว แต่ GPU ทำงานประเภทนี้ได้ดี ด้วย Software APIs เช่น Microsoft DirectStorage และ Nvidia RTX IO การ์ดจอรุ่นใหม่สามารถเร่งไม่แค่กราฟิก 3D แต่ประสิทธิภาพ SSD ด้วย
ข้อเสียของ SSD
SSD มีคุณสมบัติที่พึงประสงค์มาก แต่เทคโนโลยีไม่ได้สมบูรณ์แบบ บางด้านของการครอบครอง SSD ไม่ได้สนุกสนานเท่าที่ควร
SSD แพงกว่า
HDD ราคาลงมาก และความหนาแน่นข้อมูลเพิ่มขึ้นสูงมาก ทำให้ 1 GB ของ HDD ถูกกว่า NAND flash ที่ถูกที่สุดมาก
ราคา SSD ลดลงอย่างรวดเร็วในไม่กี่ปีผ่านมา แต่คนส่วนใหญ่ยังใช้ SSD ขนาดเล็ก 256-512 GB สำหรับแอปและ OS ส่วน HDD ยังคงใช้สำหรับเก็บไฟล์สื่อหรือแอปที่ไม่ได้ประโยชน์จากความเร็ว SSD
ข่าวดีคือ เหมือนเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ทุกอย่าง ความหนาแน่นทรานซิสเตอร์และกระบวนการผลิต น่าจะแสดงแนวโน้มเอ็กซ์โพเนนเชียล นำไปสู่ราคาถูกลงและความจุมากขึ้น ในตอนนี้งบส่วนใหญ่ต้องผสม SSD และ HDD
SSD เสื่อมสภาพได้ (Wear Out)
แม้ SSD ทนทานทนทรมานกว่า HDD และมีอายุการทำงานยาวกว่า แต่ก็มีการเสื่อมสภาพ (Wear) การเขียนข้อมูลลงเซลล์หน่วยความจำ SSD เป็นกระบวนการที่ทำลายเซลล์ ทุกครั้งที่เขียนบิต เซลล์จะสูญเสียความสามารถในการเก็บประจุเล็กน้อย
เมื่อเขียนซ้ำหลายครั้ง เซลล์จะใช้งานไม่ได้ SLC ทนการเขียนซ้ำได้มากที่สุด แต่ MLC, TLC, QLC เสียหายง่ายขึ้นตามลำดับ SSD ผู้บริโภคยุคแรกอาจเสียเร็ว駭人 แต่วันนี้ไดรฟ์มีกลยุทธ์ Wear leveling และ Over-provisioning เพื่อขยายอายุการเขียน
การเสื่อมของ SSD เป็นหัวข้อซับซ้อน อ่านเพิ่มเติมได้ที่ "Everything You Need To Know About SSD Wear & Tear"
SSD อาจมี Bit Rot เร็ว
สื่อจัดเก็บทุกประเภทสุดท้ายจะเจอ Bit Rot เกิดเมื่อสื่อเสื่อมจนไม่สามารถเก็บข้อมูลในรูปแบบอ่านได้
สื่อต่างๆ ได้ Bit Rot จากเหตุผลต่างกัน HDD เก็บได้หลายทศวรรษโดยไม่มีปัญหา Bit Rot แต่ SSD อาจสูญเสียข้อมูลหลังเก็บเพียงไม่กี่ปี เกิดจากการเสื่อมของชั้นฉนวนที่เก็บประจุในเซลล์หน่วยความจำ หากประจุรั่วออก เซลล์จะว่างเปล่า ไม่มีข้อมูล
ดูเหมือน Bit Rot เกิดเร็วขึ้นถ้าเก็บ SSD ในที่ร้อนเกินไป แต่ไม่ว่าจะอย่างไร SSD อาจไม่ใช่ตัวเลือกดีสำหรับเก็บข้อมูลในลิ้นชักนานๆ
การกู้ข้อมูล SSD ยากเกือบเป็นไปไม่ได้
มีอุตสาหกรรมที่ซับซ้อนสำหรับกู้ข้อมูลจาก HDD กลไก หากมีเงินพอ จะกู้ข้อมูลจากไดรฟ์ที่บดพังได้ โดยผู้เชี่ยวชาญสร้างไดรฟ์ใหม่จากชิ้นส่วน
ระดับปกติ ก็สามารถกู้ข้อมูลที่ลบโดยไม่ได้ตั้งใจ เพราะ HDD ไม่ลบข้อมูลทางกายภาพเมื่อลบใน Windows แค่ทำเครื่องหมายพื้นที่ให้เขียนทับ จนกว่าจะเขียนทับจริง สามารถกู้ได้ด้วยซอฟต์แวร์พิเศษ
SSD ทำให้การกู้ข้อมูลเกือบเป็นไปไม่ได้ หากไดรฟ์เสียหายหรือลบไฟล์ หาก HDD เสียจากกระแสไฟฟ้าสูง สามารถสร้างใหม่ด้วยอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ แต่ SSD เป็นอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด หน่วยความจำทั้งหมดอาจไหม้
ยังมีคอนโทรลเลอร์ซับซ้อนที่ทำหลายอย่างกับข้อมูลทางกายภาพที่ OS ไม่รู้ เช่น คำสั่ง TRIM ของ SATA SSD ลบเซลล์หน่วยความจำที่ทำเครื่องหมายลบล่วงหน้า เพื่อเร่งการเขียนข้อมูลใหม่ ทำให้ Undelete trick ไม่ได้ผลกับ SSD
แม้ SSD จะไม่สมบูรณ์แบบ แต่ก็แสดงการกระโดดครั้งใหญ่ของประสิทธิภาพสตอเรจ ทำให้การครองชิงตลาดในอนาคตดูเป็นไปได้ง่าย ตามเวลา เราคาดว่า SSD แม้ SLC ก็จะราคาลง ในขณะที่ประเภทที่ทนทานน้อยกว่าจะฉลาดขึ้นในการจำกัดการเสื่อม
เทคโนโลยีฮาร์ดดิสก์ก็มีปัญหามากในยุคแรก แต่เราเชื่อว่าปัญหาของ SSD ที่เหลือจะถูกแก้ไขในเวลาที่สั้นกว่ามาก
