Hard disk (HDD) vs memorie a stato solido (SSD)

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La dimensione di una libreria musicale può variare da poche decine di gigabyte a centinaia di gigabyte fino ad alcuni terabyte. Questo dipende non solo dalle dimensioni della libreria, ma anche dal tipo di contenuto: i file in PCM possono essere compressi in modo lossless senza problemi (FLAC), mentre i file DSD, oltre ad essere poco efficienti dal punto di vista del rapporto tra dimensione e qualità, sono anche pressoché "incomprimibili".

Per molti anni, nell'informatico l'unico supporto di grande capacità è stato il disco rigido (hard drive) che usa una tecnica di registrazione magnetica.

Tipicamente gli hard drive per PC desktop e server usano piatti con 3.5" (pollici) di diametro. Questo ha fatto sì che si identifichi il formato delle unità disco come "3.5 inches", che però non corrisponde ad alcuna delle misure esterne dei drive. I dischi per portatili sono tipicamente da 2.5" (ma se ne sono visti anche di più piccoli).

L'imprescindibilità del disco rigido divenne palese a fine anni '90 quando IBM si trovò a progettare un hard drive di dimensioni minuscole (1 pollice di lato) che potesse sostituire una tipica scheda di memoria "compact flash", al tempo in uso nelle macchine fotografiche digitali (che appena raggiungevano i 2 megapixel, anche sui modelli professionali).

Ci vollero 10-15 anni per vedere effettivamente sfidato il dominio dei dischi rigidi, con l'arrivo dei solid state drive (SSD). Si tratta di supporti di memoria basati su memorie NAND non volatili. Costano significativamente di più in proporzione alla capacità, ma sono molto più veloci.

Se disco rigido permette di trasferire dati a velocità tipiche di 100-150 MB/s (superabili con dischi particolarmente performanti e sotto determinate condizioni), già le prime SSD permettevano velocità di 500 MB/s. Oggi con le SSD NVME (che si collegano direttamente al bus PCIe anziché sottostare ai "limiti" del protocollo SATA) si raggiungono velocità di alcuni GB/s.

Fino all'introduzione degli SSD, la velocità dei dischi rigidi è stata il fattore che più ha limitato la reattività dei computer.

Nel campo audio, dove i flussi sono al massimo di qualche MB/s (ma tipicamente meno di 1 MB/s), la velocità non è un fattore determinante. Ci sono altri fattori che potrebbero, però, orientare la scelta (segue...)

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Formato e interfaccia
Come detto, gli HDD esistoo oggi in formato da 3.5" o 2.5". Gli HDD di categoria professionale (server/datacenter) sono pressoché tutti da 3.5". Gli HDD da 2.5" trovavano comunemente uso sui portatili prima di essere sostituiti quasi ovunque dagli SSD. Oggi sopravvivono come unità esterne: a differenza di quelli da 3.5", gli HDD da 2.5" possono essere alimentati tramite una porta USB, la stessa su cui trasferiscono i dati. L'interfaccia universalmente usata è la SATA (che ha sostituito la IDE da molti anni). In campo server si trova anche la SAS (evoluzione della SCSI).

Gli SSD esistono in formato da 2.5" (cioè replicando la sagoma esterna di un disco da 2.5") con interfaccia SATA o in formato M.2 (NGFF). I drive SSD M.2 sono "nudi", cioè si tratta di un circuito stampato sagomato con il controller e i chip di memoria sopra. Si montano in genere direttamente sulla scheda madre. La sigla M.2 identifica infatti il connettore. I drive M.2 possono avere interfaccia SATA o NVMe. Le schede madri per computer desktop supportano, oramai, solo i dispositivi M.2 NVME. Alcuni PC portatili, specie se datati, o "mini PC" potrebbero supportare entrambi o solo uno dei due.

Sia gli SSD SATA che quelli NVME possono essere collegati esternamente, per mezzo di adattatori USB (o Thunderbolt). Gli adattatori USB NVME sono più costosi. Si possono altresì acquistare SSD esterne (che nei fatti sono la stessa cosa, solo in un format "chiuso").


Costo
Sulle grandi capacità, gli SSD sono più costosi. Un SSD da 4 TB costa quasi 300 euro, mentre un disco da 4 TB si aggira tipicamente intorno ai 100 euro. Sui tagli inferiori ad 1 TB, il vantaggio a favore degli HDD potrebbe essere molto meno marcato perché i costi "vivi" delle memorie incidono di meno rispetto ai costi dell'unità disco.

Un hard drive è un pur sempre concentrato di meccanica di precisione in uno chassis di alluminio fresato, mentre un SSD è un circuito stampato con alcuni chip e connettori annessi.

Sul lungo termine, i costi dei supporti di memoria tendono a diminuire. Ma i costi di HDD e SSD possono anche salire e rimanere elevati per mesi o anni. Un po' di anni fa, le inondazioni nel sudest asiatico causarono la chiusura temporanea di molti stabilimenti di produzione di HDD, con conseguente aumento dei prezzi che durò per diverso tempo. D'altra parte il mercato delle di memorie NAND su cui si basano gli SSD è influenzata da diversi fattori commerciali (la domanda da parte della telefonia mobile) e geopolitici.


Rumore
Gli SSD sono totalmente silenziosi.

Gli HDD producono rumore tramite la rotazione del disco e il movimento delle testine. In passato, esistevano HDD a 5400 rpm e 7200 rpm. Oggi, quasi tutti gli hard drive sono a 7200 rpm, anche se le specifiche riportano in modo fuorviante diciture come "5400 rpm class". Il rumore di rotazione è costante, salvo quando il disco viene messo a riposo ("spin down"). Non è troppo fastidioso ma in una stanza silenziosa si sente.

Il rumore delle testine è intermittente, occorre in concomitanza delle operazioni di scrittura e lettura. La sua intensità varia a seconda del tipo di disco. I dischi di grande capacità (> 8 TB) in uso oggi derivano dalle linee progettate per i datacenter e tendono ad essere più rumorosi di quelli di capacità media (< 8 TB).

I dischi di grande capacità (a partire da 10 TB, più o meno) oggi sono riempiti di elio, cosa che riduce gli attriti e il rumore. Nonostante questi HDD siano sigillati, l'elio è molto fuggevole e tende lentamente ad uscire. Gli HDD all'elio riportano, tra i dati diagnostici, il livello di elio misurato da un apposito sensore. Trattandosi di un'introduzione recente, non ci sono ancora abbastanza dati su come questo affligga la longevità degli HDD (probabilmente, in media, si guastano comunque prima di perdere l'elio).

I rumori degli hard drive vengono amplificati se il supporto o il cabinet entrano in risonanza con la rotazione del disco (per via vibrazionale) o se le vibrazioni della testina si trasmettono allo chassis che li "amplifica". Si usava sospendere gli HDD con gommini, ma non sempre è pratico e non sempre i cabinet sono predisposti.

Sembrerà strano ma con l'efficienza energetica dei PC moderni e la silenziosità raggiunta dalle ventole, oggi gli HDD sono la cosa più rumorosa di un personal computer.

Nella riproduzione musicale è probabile che la testina intervenga solo all'inizio o al cambio di un brano. Alcuni player pre-caricano il disco in RAM ed evitano ulteriori interazioni con il disco durante la riproduzione. Il rumore di fondo di un hard drive potrebbe non interferire con l'esperienza di ascolto, ma un SSD risolve a monte tutti questi problemi.

Altrimenti, si possono tenere gli HDD in un NAS, e tenere il NAS in un'altra stanza.


Consumo elettrico
A riposo, un SSD consuma (se non erro) poche decine di mW, con assorbimenti impulsivi in occasione delle operazioni di lettura o scrittura. Si tratta comunque di un supporto molto efficiente.

In rotazione, un disco rigido consuma 4-5W con picchi di consumo aggiuntivo in corrispondenza delle operazioni di lettura e scrittura. In stand by (spin down), dovrebbe consumare meno di 1W. Se avete un PC con un hard drive che accendete alla bisogna, potrebbe non essere rilevante. Se avete un NAS con 4 dischi, un consumo costante di 20 W avrà un certo effetto in bolletta (certo, se avete un ampli in classe A probabilmente il NAS è l'ultimo dei problemi).

Affidabilità
Qualsiasi supporto di memoria può rompersi in qualsiasi momento, indipendentemente dall'età e dalle condizioni d'uso. A volte il degrado è graduale e rilevato dai sistemi di diagnostica, a volte il guasto è improvviso.

Si possono derivare statistiche sull'affidabilità dei diversi supporti, ma non sono molto utili ai fini pratici: ragionate sempre come se il vostro disco potesse rompersi domani e prendete precauzioni di conseguenza.

Gli HDD sono soggetti ad usura meccanica sia riguardo al tempo attività (ore di rotazione del disco) che al numero di cicli di "spin up" e "spin down": quando un disco viene messo in stand-by, la rotazione del piatto viene interrotta. Le statistiche sull'affidabilità degli hard drive vengono dai datacenter, dove i dischi sono sempre tenuti in rotazione. Non esistono dati a sufficienza per stabilire se si guasti più probabilmente un disco che viene tenuto sempre in rotazione rispetto ad uno che sia, per esempio, soggetto a cicli giornalieri di "spin down" e "spin up".

Gli SSD hanno una durata limitata in termini di cicli di scrittura sopportabili. Gli SSD di qualità sono garantiti per un volume di scrittura che va da 500 a 2000 volte la capacità del disco. Per esempio, un SSD da 1 TB può supportare la scrittura di 750 TB, il che vuol dire che può essere sovrascritto interamente centinaia di volte. Gli SSD si degradano gradualmente al crescere dei cicli di scrittura ma possono anche rompersi improvvisamente (spesso a causa di condensatori sull'alimentazione).

Pur trattandosi di memoria non volatile, gli SSD non garantiscono la permanenza dei dati su lunghi periodi quando sono spenti per un periodo lungo, diciamo superiore ad alcuni anni. Non sono un buon supporto per l'archivio dei dati "a freddo". Gli HDD non hanno questo problema, ma non so se esistano dati sull'affidabilità di dischi lasciati spenti per molti anni. Probabilmente il miglior supporto per il "cold storage" rimane, ancora oggi, il nastro magnetico.

Privacy
Questo tema è importante in caso vogliate, un giorno, rivendere i vostri supporti.

Gli HDD si possono cancellare irrimediabilmente sovrascrivendo il disco intero con valori costanti o casuali (cosa che prende un po' di tempo, ma è efficace). Per quanto alcune linee guida sulla protezione dei dati a livello governativo raccomandino sovrascritture multiple, non esiste prova che si possano recuperare dati da un HDD sovrascritto anche solo una singola volta. Tuttavia, per questioni di responsabilità legale e di scarsa convenienza di mantenere queste procedure, è comune che gli HDD dismessi da aziende e istituzioni siano regolarmente distrutti mentre, per esempio, i server (non troppo vecchi) entrano sul mercato dell'usato.

Gli SSD non scrivono i dati in modo lineare ma impiegano "dinamicamente" la memoria NAND con strategie sofisticate e mantengono sempre dei settori "di scorta". Per questo, sovrascrivere al 100% un SSD non è garanzia di aver sovrascritto tutte le celle di memoria. I controller degli SSD prevedono dei comandi per la cancellazione "sicura" (secure wipe) che non richiedono la sovrascrittura.

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Scegliere l'HDD
Esistono diversi ma non moltissimi produttori di HDD (Western Digital, Hitachi, Toshiba, Seagate). Il servizio di storage/backup Backblaze pubblica delle statistiche sui guasti degli hard drive nei loro datacenter. Le loro tabelle sono interessanti ma i tassi di guasto non sono accompagnati dalle incertezze statistiche dovute alle diverse dimensioni dei campioni (un guasto su 10 dischi e 100 guasti su 1000 dischi non hanno la stessa rappresentatività).

Ciascun costruttore ha linee dedicate al mercato consumer e altre dedicate ai datacenter o alle applicazioni di videosorveglianza. Alcune linee sono più costose, ma non è detto che questo si traduca in maggiore affidabilità o sia indicativo di una migliore qualità. A volte, ci sono differenze nei firmware (per esempio sulle strategie di risparmio energetico, o di uso della cache).

Una caratteristica determinante per le prestazioni di un disco è la geometria di registrazione delle tracce. Per ragioni di economia, diversi dischi consumer usano una tecnica chiamata SMR che permette di aumentare la capacità a scapito delle prestazioni rispetto alla tradizionale CMR, mediante parziale sovrapposizione delle tracce. Potendo scegliere, cercate un disco che sia CMR.

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Scegliere il SSD
Qualsiasi SSD ha velocità sovrabbondanti per il 99% degli usi quindi i numeri (strabilianti) non sono molto indicativi.

Gli SSD usano tecniche per incrementare la densità di memorizzazione, che si corrispondono al numero di bit per cella di memoria. Inizialmente si memorizzava un singolo bit per cella (SLC) e questa è ancora la modalità più performante, tant'è che è mantenuta come "cache" ad alta velocità.

Si è poi passati a bit multipli:
- MLC: 2 bit per cella
- TLC: 3 bit per cella
- QLC: 4 bit per cella.

Aumentare il numero di bit per cella introduce un certo tasso di errore che viene compensato con la ridondanza permessa dalla più elevata densità. A scanso di equivoci, questi "errori" esistono solo a basso livello ma, se l'unità non è guasta, non si traducono in errori visti nel normale utilizzo.

Oggi le SSD di capacità media (1-2 TB) e maggiore qualità usano TLC. Quelle di più alta capacità usano QLC, il che penalizza le prestazioni (vedasi recensioni men che lusinghiere ricevute dalla Samsung QVO).

Un buon benchmark della qualità di una SSD è l'endurance: quanti dati scritti la SSD può sopportare. Come detto sopra, questa si aggira nell'ordine delle centinaia di TB (tra 750 e 1500 TB per una SSD da 1 TB). Se è particolarmente bassa (100-300 TB) è segno che si tratta di un prodotto costruito in economia e potenzialmente meno affidabile.


Addendum1 : la DRAM cache
Un'altra cosa che differenzia le SSD economiche da quelle più costose è la presenza di una memoria RAM sulla SSD che può avere dimensioni che vanno dai 512 MB a 1 GB. La cosiddetta "DRAM cache" serve a memorizzare dati a cui il computer accede di frequente, per un accesso più rapido (essendo volatile, la cache si cancella ad ogni spegnimento del sistema). Per usi non intensivi, la presenza di una cache non è indispensabile, ma laddove c'è indica un prodotto di fascia superiore.

Addendum 2: le marche affidabili
Gli SSD si compongono di un controller e di una serie di chip di memoria (NAND). I produttori più noti e affidabili di chip sono (in ordine sparso): Toshiba/Kioxia, Samsung, Intel/Micron, Sandisk, SK Hynix.

Di norma, gli SSD prodotti da questi vendor sono di buona qualità, ma ci sono stati casi eclatanti di serie di prodotti con problemi di affidabilità, firmware immaturi, o altro anche da parte di costruttori di primo piano come Samsung e Sandisk.

I produttori di controller più noti sono Phison, Silicon Motion e Marvell (al di là di quelli prodotti in-house dalle aziende che fanno anche i chip).

Esistono OEM indipendenti come Sabrent che usano controller e chip dei sopracitati.

Normalmente preferisco evitare SSD "anonimi" che usano chip di provenienza ignota, anche se magari più economici.