Qu’est-ce qu’un SSD (Solid State Drive) et comment ça marche

Le SSD est un type de stockage avec mémoire flash devenu un standard sur les ordinateurs modernes.
Mais qu’est-ce qu’un SSD ?
Comment fonctionne un SSD ?

Dans ce guide complet, je réponds à toutes les questions pour tout savoir sur le SSD.

Qu’est-ce qu’un SSD (Solid State Drive)

Un SSD (Solid State Drive) est un dispositif de stockage de stockage similaire à un disque dur plus traditionnel, mais il diffère d’un HDD à la fois en termes de technologie et de performances.
Le dispositif de stockage SSD ne comporte pas de pièces mobiles et offre des temps d’accès quasi instantanés.
Avec les disques SSD, les données sont stockées dans des micropuces, ce qui les rend plus rapides.
Les disques SSD sont plus petits que les disques durs et peuvent même être montés directement sur la carte mère.
On peut dire qu’il s’agit d’une forme plus avancée et plus sophistiquée de clé USB.

Un disque dur SSD utilise de petites puces mémoire appelées mémoire flash pour stocker les données.
La mémoire flash est une mémoire non volatile, ce qui signifie qu’elle conserve les données même lorsqu’elle n’est pas alimentée. Cela signifie que, contrairement à un disque dur traditionnel, un disque SSD ne comporte aucune pièce mobile.

Disque dur HDD et SSD : les différences

Comment fonctionne un SSD

Les SSD (Solid-State Drives) sont des disques durs constitués d’une matrice de puces de mémoire électronique à l’état solide. Il se compose d’une unité de contrôle, d’une unité de stockage en mémoire flash (puce FLASH, puce DRAM, puce NAND) et d’une unité de cache. Contrairement aux disques durs mécaniques, qui sont constitués de composants mécaniques tels que des disques et des têtes magnétiques, l’ensemble de la structure du SSD est constitué de puces électroniques et de cartes de circuits imprimés au lieu de dispositifs mécaniques.

Lors de l’accès aux données d’un SSD, le contrôleur du SSD envoie des signaux électroniques aux cellules de mémoire appropriées. Pour lire les données, le contrôleur détermine les cellules de mémoire spécifiques qui contiennent les informations demandées et mesure la charge électrique dans ces cellules. Une charge élevée représente une valeur binaire de “1”, tandis qu’une charge faible représente “0”.

Quelles sont les états de la mémoire flash

La mémoire flash se compose de blocs de données et ces blocs sont remplis d’éléments plus petits appelés pages.
Un disque SSD typique peut avoir des blocs de 512 Ko et des pages de 4 Ko.

Chaque mémoire flash se compose de plusieurs blocs et chaque bloc comprend environ 128 pages.

Il existe trois états dans lesquels une page saine peut se trouver sur un disque flash :

Écrite : Les données du système d’exploitation ont été écrites sur la page
Non écrite : La page est libre et peut être écrite par le système d’exploitation
Invalide : La page contient des données, mais peut être écrasée par le système d’exploitation

Les blocs et page de la mémoire flash d'n SSD

Comme la modification ou la suppression d’une page prend du temps, le système d’exploitation met généralement à jour le système de fichiers pour indiquer que la page est disponible pour être écrasée, mais il n’en informe jamais le contrôleur de disque. Comme le contrôleur de disque ne sait jamais quelles pages contiennent des données réelles et quelles pages sont invalides, elles ne sont jamais supprimées. Normalement, cela accélère le processus car vous n’avez pas à passer par toute une routine de suppression des données réelles.

La mémoire flash a trois types d’opérations :

Lecture de page
Page écrite
Effacement de bloc

Comment les données sont stockées dans le SSD

Mais l’écrasement d’une page invalide n’est pas aussi simple qu’on pourrait le penser.
Il s’avère que la mémoire flash doit écrire que sur des pages non écrites. Par conséquent, si une page est invalide, les données qu’elle contient doivent d’abord être supprimées, puis elle peut être réécrite. N’oubliez pas que les données contenues dans cette page invalide sont toujours présentes, le système de fichiers a marqué cette page comme étant disponible pour être réécrite.
Le contrôleur de disque n’a pas supprimé les informations contenues dans cette page.

La suppression d'une page d'un bloc dans un SSD

Ici, nous avons un seul bloc avec toutes les pages non valides et deux pages écrites. Le système de fichiers du système d’exploitation nous indique que nous pouvons écrire sur n’importe quelle page, à l’exception des deux pages écrites, mais le contrôleur de disque doit d’abord supprimer les pages non valides.
Pour effacer une seule page, il faut copier le bloc entier dans la mémoire, effacer le bloc sur le disque, puis réécrire les pages dans la mémoire. Cela représente beaucoup de travail pour écrire quelques pages sur des cellules NAND qui devraient déjà être disponibles pour l’écriture.

Voyons un exemple de ce qui doit se passer pour écraser une seule page.

Dans la figure ci-dessous, les données valides du bloc X sont A, B, C et celles du bloc Y sont D, E, F et G. Les blocs rouges sont des données non valides.
Le mécanisme de ramassage des ordures (voir plus bas) consiste à trouver un bloc Z non écrit, puis à déplacer les données valides des blocs X et Y vers le bloc Z. Ainsi, les blocs X et Y ne contiennent pas de données valides et peuvent être effacés pour devenir deux blocs utilisables.

Le garbage collection pour recycler les blocs et pages d'un SSD

En supposant que l’hôte écrive 4 Ko de données (H), le SSD commence “la collecte des déchets” parce qu’il y a trop peu de blocs actuellement disponibles. Comme le montre la figure ci-dessus, le bloc X lit et écrit les pages A, B et C dans le bloc Z. Le bloc X est ensuite effacé pour écrire les données de l’hôte. Du point de vue de l’hôte, il n’écrit que 4 Ko de données. Mais il écrit en réalité 4 pages (la page A, B, C écrit le bloc Z, et 4 Ko de données H écrit le bloc X) à l’intérieur du disque SSD.

Nous avons ici un bloc unique avec toutes les pages non valides et deux pages écrites. Le système de fichiers du système d’exploitation nous indique que nous pouvons écrire sur n’importe quelle page, à l’exception des deux pages écrites, mais le contrôleur de disque doit d’abord supprimer les pages non valides.

Le bloc Y est libre et peut accueillir les données H.

Regardez à nouveau cette image. Lorsque vous recyclez le bloc X, il y a 3 pages valides, lisez et écrivez 3 pages pour compléter le recyclage du bloc entier ; lorsque vous recyclez le bloc Y, vous devez lire et écrire 4 pages valides. Il est évident qu’il est plus rapide de recycler le bloc X que le bloc Y. Cela illustre une vérité simple : moins il y a de données disponibles sur un bloc (plus il y a de déchets), plus il peut être recyclé rapidement.

Les composants et mécanismes importants d’un SSD

Le contrôleur de disque SSD

Le contrôleur est un élément essentiel d’un disque SSD. Il agit comme le “cerveau” du disque, gérant le stockage et la récupération des données, ainsi que les performances globales.

Un contrôleur de disque SSD reçoit des commandes du système hôte qui lui indiquent où lire ou écrire un élément de données.
Chaque fois qu’une page est écrite, le contrôleur du SSD trouve une page physique pour écrire les données . Cette carte est donc enregistrée dans le SSD au même moment. Grâce à ce mappage, la prochaine fois que l’appareil aura besoin de lire une page, le SSD saura où lire les données dans la mémoire flash.

Le contrôleur gère également la correction des erreurs, la collecte des déchets (nettoyage des données invalides ou supprimées) et divers algorithmes qui optimisent le placement des données et améliorent les vitesses de lecture et d’écriture.

Il fonctionne avec un micrologiciel (firmware) que l’éditeur peut mettre à jour.

Module DRAM pour du cache

Une petite quantité de mémoire volatile qui nécessite de l’énergie pour maintenir les données est utilisée comme mémoire cache pour les données à usage répété.

Le garbage collection et TRIM

Le garbage collection ou processus de collecte des déchets vise à libérer des blocs de données en recyclant les pages valides vers des blocs pour les compléter.
Le but est de libérer des blocs de données vides en optimisant l’utilisation des pages.
Moins il y a de données disponibles sur un bloc (plus il y a de déchets), plus il peut être recyclé rapidement.

Le TRIM permet d’éviter ces deux problèmes en éliminant le besoin d’effacer et de réécrire continuellement de grandes parties de la mémoire. Au lieu de gérer des blocs entiers, un disque SSD compatible TRIM peut travailler avec des groupes de mémoire plus petits appelés pages.

En combinaison avec Garbage Collection, TRIM fonctionne pour nettoyer et organiser votre SSD, le rendant plus efficace et prolongeant sa durée de vie.

Le processus Garbage Collection constitue une partie essentielle du fonctionnement du SSD.

SSD : Le garbage collection et TRIM

le surprovisionnement SSD (SSD Over-provisioning)

Le surprovisionnement (parfois orthographié OP, over provisioning ou overprovisioning) est la différence entre la capacité physique d’un SSD et la capacité logique présentée par le système d’exploitation (OS) comme disponible pour l’utilisateur.
Le surprovisionnement est représenté par un pourcentage de capacité supplémentaire par rapport à la capacité disponible pour l’utilisateur.

Wear leveling (nivellement de l’usure)

Les cellules de mémoire flash ont une durée de vie limitée en termes de nombre de fois où elles peuvent être effacées et réécrites. Les disques SSD utilisent donc une technique appelée “wear leveling” (nivellement de l’usure) pour s’assurer que les données sont réparties uniformément sur toutes les cellules de mémoire disponibles, évitant ainsi une usure excessive de certaines d’entre elles.
Cela permet de prolonger la durée de vie globale et l’endurance du disque SSD.

Connectique SATA, M.2 PCIe et SSD NVMe

Les disques SSD se connectent à l’ordinateur par le biais de différentes interfaces, telles que SATA (Serial ATA) ou PCIe (Peripheral Component Interconnect Express). Ces interfaces permettent le transfert de données entre le disque SSD et la carte mère de l’ordinateur.

NVMe (de l’anglais NVM Express ou Non-Volatile Memory Express) est un protocole de communication conçu spécifiquement pour fonctionner avec la mémoire flash en utilisant l’interface PCIe. NVMe a été créé pour tirer avantage de la nature parallèle des SSD.

Les interfaces PCIe offrent généralement des taux de transfert de données plus élevés et sont couramment utilisées dans les disques SSD haute performance.

En NVMe : La vitesse maximale est 5000 Mo/s mais en général 2000 à 2500 Mo/s
En SATA : La vitesse est de 6 Gb/s soit ~500 Mo/s.

Comment choisir SSD : SSD M.2, NVMe, SATA, AHCI

Quelle est la durée de vie d’un SSD et comment l’améliorer

Il existe de nombreux mythes entourant la durée de vie des SSD, et les hypothèses remontent aux débuts des SSD dans les années 1990 et au début des années 2000.
Il est vrai que les cellules SSD ont une durée de vie limitée, mais aujourd’hui ce n’est pas vraiment un problème.

Les écritures déclenchent l’usure des cellules mémoires d’un disque dur électronique.
Ainsi le contrôle SSD s’assurer que l’écriture se fait uniformément sur tout le disque.
Cela afin de limiter l’usure des cellules de mémoire.
Enfin les SSD modernes remplacent les cellules mortes par des cellules saines.
En claire donc, plus votre SSD est volumineuse, plus il aura une longévité.

De nos jours, une cellule SSD survit à environ 3 000 cycles d’écriture, ce qui ne sonne pas beaucoup au début.

Plus de détails :

Durée de vie d’un SSD : comment l’allonger