Обзоры
Solid State Drive: накопители становятся «тверже»

Solid State Drive: накопители становятся «тверже»


Существует такое выражение – «жизнь это движение». Однако один из постулатов теории надежности гласит о том, что надежность любой системы обратно пропорциональна ее сложности. Немного перефразируя этот принцип, можно сказать, что чем меньше движущихся частей в устройстве, тем меньше вероятность возникновения отказа. В том числе это касается и HDD.

Введение

В современной индустрии чем дальше, тем с большей скоростью растут объемы обрабатываемой и хранимой информации. Одновременно увеличиваются ее стоимость, а также размеры убытков от простоя системы. Соответственно, предъявляются все более жесткие требования к дисковым подсистемам серверов и хранилищ данных.

Solid State Drive: накопители становятся «тверже»
Принципиальная схема организации SSD-накопителя

И в этом случае речь идет не только об увеличении емкости. Критичными становятся такие параметры, как быстродействие, особенно в многопользовательских средах, а также отказоустойчивость, энергопотребление и даже формфактор диска. Производители в новых моделях HDD, построенных по традиционной технологии, постепенно улучшают эти характеристики, но сама конструкция жесткого диска вносит в этот процесс некоторые ограничения. При желании одним рывком подняться на качественно новый уровень необходимо радикально изменить саму концепцию накопителя.

Именно эту задачу и решают SSD (или твердотельные) диски. Сама концепция весьма проста – переход на использование не традиционного пакета магнитных пластин и блока головок чтения/записи, а чипов флэш-памяти. Это позволяет решить сразу несколько проблем. Уход от движущихся механических частей резко повышает надежность, к тому же существенно снижаются энергопотребление, тепловыделение (а такое понятие, как «уровень шума» вообще исчезает из характеристик данных накопителей). К тому же в разы возрастает быстродействие и уменьшаются габариты диска. Но и это еще не все – SSD отличаются увеличенным диапазоном рабочих температур и сопротивлением ударным нагрузкам. В общем, по всем параметрам твердотельные накопители выигрывают у традиционных. Почему же реальные продукты появились на рынке только сейчас, и все ли так радужно с новой технологией?

Solid State Drive: накопители становятся «тверже»
Разница между SLC- и MLC-ячейками

Первой и основной причиной, препятствовавшей широкому распространению этой технологии на массовом рынке, была очень высокая стоимость флэш-памяти. В результате готовые устройства получались неоправданно дорогими для рядового потребителя и к тому же имели весьма небольшие объемы. Наблюдающееся в последнее время падение цен на NAND-микросхемы позволило снизить цену накопителей до приемлемого уровня и увеличить их максимальный объем, благодаря чему SSD-диски появились в свободной продаже.

Еще одним фактором, мешавшим продвижению на рынок, было ограниченное количество циклов записи/перезаписи и, как следствие, небольшое время жизни NAND. Но к этому вопросу мы еще вернемся немного позднее, когда перейдем к анализу конструкции самих накопителей.

Разумеется, стоимость рассматриваемых сегодня устройств все еще достаточно высока для домашнего использования, да и по максимальному объему они пока не могут конкурировать с традиционными HDD. Но технология стремительно развивается, на рынке уже появилось второе поколение твердотельных устройств и не за горами выход третьего, так что ситуация будет меняться очень динамично. Ну а теперь перейдем непосредственно к самим продуктам.

Как, что и почему?

Несмотря на то что об организации флэш-памяти мы писали достаточно много, не лишним будет напомнить некоторые моменты. Начнем с азов.

Intel X25-E

Объем 32 ГБ

Тип микросхем SLC

Интерфейс SATA II

Время наработки на отказ
2 млн ч

Диапазон рабочих температур: в рабочем состоянии 0–70 °С в нерабочем состоянии 55–90 °С

Ударные нагрузки до 1000 g

Масса 80 г

Предоставлен представительством Intel в Украине

Ориентировочная цена $850

Отличная производительность; высокое время наработки на отказ

Небольшая емкость

Чрезвычайно быстрый накопитель для корпоративного рынка

Solid State Drive: накопители становятся «тверже»

Одна ячейка микросхемы памяти представляет собой N-канальный полевой транзистор с плавающим затвором. С изменением количества электронов на затворе транзистора меняется его электрический потенциал, что и обеспечивает хранение информации. Существуют два типа ячеек: SLC (Single Layer Cell) и MLC (Multi Layer Cell). Первая может принимать только одно состояние – 0 или 1, тогда как вторая – до четырех: 00, 11, 10 и 01. В итоге получается, что SLC хранит один бит информации, а MLC – два. Результат – у микросхем первого типа более высокая скорость записи/чтения и длительное время жизни, но при этом выше энергопотребление. С другой стороны, за счет увеличенной емкости MLC-микросхемы дешевле. Это различие и обусловило разделение выпускаемых сегодня SSD-дисков на два класса – производительные, дорогие и менее емкие корпоративного типа (SLC) и большего объема, с меньшей стоимостью, но и более низкой скоростью – для среднего сегмента.

Далее о логической организации данных внутри SSD-накопителя. Весь диск делится на блоки, блоки, в свою очередь, на страницы, а страницы уже на ячейки. Таким образом, прослеживается четкая аналогия с традиционным жестким диском. Понимание логической структуры диска позволит нам ответить на вопрос, как же производители увеличивают время жизни своих продуктов? Дело в том, что минимальной единицей информации, которую можно стереть, является блок, а вот записать можно и отдельную страницу. То есть в случае перезаписи занятой страницы новыми данными на самом деле стирается целый блок, что, конечно же, уменьшает срок службы устройства. Как с этим бороться? Было придумано весьма изящное решение – при записи информации неиспользуемые в данный момент участки блока не стираются физически, а только помечаются особым образом. По мере накопления таких страниц стирается уже блок целиком. В результате «перерасход» ячеек при дисковых операциях составляет всего 10%. Хотя у разных производителей эта цифра может различаться.

Intel X25-M

Объем 80 ГБ

Тип микросхем MLC

Интерфейс SATA II

Время наработки на отказ
1,2 млн ч

Диапазон рабочих температур: в рабочем состоянии 0–70 °С в нерабочем состоянии 55–90 °С

Ударные нагрузки до 1000g

Масса 80 г

Предоставлен представительством Intel в Украине

Ориентировочная цена $595 (в партиях от 1000 шт.)

Высокое быстродействие

Не выявлено

Быстрый, но недостаточно емкий диск

Solid State Drive: накопители становятся «тверже»

Но это еще не все. На самом деле пользователю доступно не все дисковое пространство. Разработчики выделяют порядка 7,5% объема под резервную область, из которой контроллер выбирает блоки для замены отработавших свой ресурс. Для тех, кто знаком с принципами функционирования обыкновенных HDD, эта технология не является откровением, она полностью аналогична процедуре замены сбойных кластеров исправными из резервной области (remapping). Однако если в данном случае снижалась производительность традиционных накопителей (скорости доступа и чтения прямо связаны с физическим размещением блока на поверхности пластины), то для SSD такой проблемы не существует: эти параметры у твердотельных накопителей никак не связаны с внутренней геометрией устройства.

Ну и наконец, третий момент. На самом деле выработка ресурса флэш-микросхем не приводит к потере данных. Отработанные ячейки становятся просто недоступными для записи, однако вся информация в них сохраняется. Так что восстановить ее не составит никакого труда.

Все это позволяет обеспечить гарантированную работоспособность современных SSD до пяти и более лет при режиме эксплуатации 24/7 и объеме дисковых операций не менее 20 ГБ в сутки. Внушительно, не правда ли? По некоторым данным, объем обрабатываемой информации может достигать и 100 ГБ за 24 часа. А теперь подумаем – много ли областей, в которых дисковая подсистема эксплуатируется с такой интенсивностью? Ответ очевиден. Но даже если и найти такую область применения, то зададимся следующим вопросом: а что, на традиционные HDD максимальная гарантия составляет свыше пяти лет? Или они где-то реально эксплуатируются дольше данного срока? Так что «страшилка» про ограниченное время жизни SSD на поверку оказалась не более чем академическим фактом. Да, такой эффект наблюдается, но на практике это никоим образом не коснется пользователя.

Участники и результаты

Samsung NSSD MLC

Объем 128 ГБ

Тип микросхем MLC

Интерфейс SATA II

Время наработки на отказ
1 млн ч

Диапазон рабочих температур: в рабочем состоянии 0–70 °С в нерабочем состоянии 55–90 °С

Ударные нагрузки до 1500g

Масса 72 г

Предоставлен компанией «Ива»

Ориентировочная цена $650 (в партиях от 1000 шт.)

Высокая емкость

Четырехканальный контроллер

Не самый быстрый, но емкий SSD-накопитель

Solid State Drive: накопители становятся «тверже»

На сегодняшний день нам оказались доступны три модели от двух производителей – Intel и Samsung. Устройства других брендов также выпущены в свободную продажу, но на украинском рынке пока отсутствуют. По мере их появления мы будем знакомиться с ними подробнее.

Итак, в тестировании принимают участие диски Intel X25-M и X25-E, а также Samsung NSSD MLC. Все три продукта выполнены в формфакторе 2,5" и оснащены интерфейсом SATA II с поддержкой сортировки очереди команд (NCQ). Устройство от Samsung, а также Intel X25-M основаны на MLC-микросхемах, тогда как X25-E является новейшей разработкой с использованием SLC-технологии и ориентирован на серверное применение. Разумеется, в арсенале компании Samsung также присутствуют SLC-устройства, но ввиду их высокой стоимости в Украину они пока не завозятся. В качестве конкурентов были выбраны традиционные жесткие диски с частотой вращения 10 000/15 000 об/мин и интерфейсами SATA и SAS соответственно.

По приведенным результатам прекрасно видно, что SSD-накопители оказываются не просто существенно быстрее своих предшественников – они быстрее в разы. Причем при использовании тяжелых задач с большим количеством запросов (результаты IOMeter) – разрыв уже более чем на порядок. Если сравнивать устройства между собой, то очевидно, что SLC-модель демонстрирует самые высокие результаты, однако и MLC-диск от Intel оказался заметно быстрее конкурента. Причина тут скорее всего в том, что Samsung использует 4-канальный контроллер, тогда как Intel – десяти.

Что характерно, даже RAID-массивы из высокопроизводительных SAS-устройств не в состоянии конкурировать с одиночным SSD-диском. Но тут есть один нюанс – быстродействующие твердотельные накопители, особенно это касается SLC-вариантов, уже превзошли потенциал обыкновенных SATA-контроллеров. Для их использования требуется высокоуровневый полноценный SAS-контроллер с большим объемом кэш-памяти. И чем тяжелее загрузка дисковой подсистемы, тем заметнее будет эта разница.

Выводы

Solid State Drive: накопители становятся «тверже»
Solid State Drive: накопители становятся «тверже»
Solid State Drive: накопители становятся «тверже»
Solid State Drive: накопители становятся «тверже»

Ну что ж, вот и состоялось первое знакомство с полноценными SSD-накопителями. Надо отметить, что несмотря на достаточно высокую стоимость, их скоростные характеристики на сегодняшний день просто не имеют аналогов. Причем это касается не только операций записи/чтения, но и времени доступа. Так, для традиционных дисков эта величина составляет 6–7 мс, а для твердотельных – 0,1–0,05 мс.

Что же касается «недостатков» новой технологии, то о времени жизни мы уже говорили – минусом его считать нельзя. Возможно, стоит придраться к времени хранения информации на таких дисках в нерабочем состоянии? Давайте посмотрим. При условии заполненности диска на 10% эта величина составляет 10 лет, но вот при 100% – уже один год. Мало? А вы представьте себе реальную ситуацию, когда заполненный на 100% диск будет храниться без дела целый год.

Зато отсутствие нагрева позволяет существенно упростить кондиционирование корпусов и серверных помещений, высокая надежность и отказоустойчивость также будут далеко не лишними. В частности, время наработки на отказ обыкновенных HDD около 1,5 млн ч, а для SSD – 1 млн (у MLC), и более 2 млн ч – у SLC. Теперь удароустойчивость. Здесь значения соотносятся как 0,7–0,8g для «классики» и 1000–1500g для SSD. Причем у последних этот параметр неизменен для рабочего и нерабочего состояний. Ну и наконец, низкое энергопотребление.

В целом, для мобильных систем, а также комплексов с высокой дисковой нагрузкой конкурентов SSD на сегодняшний день нет. При условии снижения цены и увеличения объема они могут полностью вытеснить традиционные HDD из данных сегментов рынка.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: