В твердом теле – быстрый дух!
9 июля 2012
Рубрика: Технологии. Тэги:
Автор: .

Мы все чаще слышим, что производители компьютерной техники используют вместо или совместно с обычными жесткими дисками твердотельные SSD-накопители, имеющие ряд преимуществ перед обычными винчестерами, в которых по-прежнему вращаются «блины» на шпинделе. Есть мнение, что SSD-диски настолько быстры и экономны, что если бы не большая цена, то они уже давно бы заменили обычные HDD (накопитель на жестких магнитных дисках). Попробуем разобраться.

Сравнение: компоненты разобранного HDD (слева) и разобранный SSD (справа)

Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) — компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Твердотельный накопитель не содержит движущихся механических частей.

Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти.

В настоящее время твердотельные накопители используются в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах. Некоторые известные производители переключились на выпуск твердотельных накопителей уже полностью, например, Samsung продал бизнес по производству жестких дисков компании Seagate.

Гибридный жесткий диск SSD+HDD PCIEx4 1000 GB OCZ RevoDrive Hybrid RVDHY-FH-1T

Существуют и так называемые гибридные жесткие диски, появившиеся, в том числе, из-за текущей, пропорционально более высокой стоимости твердотельных накопителей. Такие устройства сочетают в одном устройстве накопитель на жестких магнитных дисках (HDD) и твердотельный накопитель относительно небольшого объема в качестве кэша (для увеличения производительности и срока службы устройства, снижения энергопотребления). Пока такие диски используются, в основном, в переносных устройствах (ноутбуках, сотовых телефонах и т. п.).

История развития
1978 год — американская компания StorageTek разработала первый полупроводниковый накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти).

1982 год — американская компания Cray представила полупроводниковый накопитель на RAM-памяти для своих суперкомпьютеров Cray-1 со скоростью 100 Мбит/с и Cray X-MP со скоростью 320 Мбит/с, объемом 8, 16 или 32 миллиона 64-разрядных слов.

1995 год — израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти.

2008 год — Южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD-накопитель со скоростью записи 240 Мб/с и скоростью чтения 260 Мб/с, который она продемонстрировала на выставке в Сеуле. Объем данного накопителя — 128 Гб. По заявлению компании, выпуск таких устройств начался в 2009 году.

2009 год — Super Talent Technology выпустила SSD объемом 512 гигабайт, OCZ представляет SSD объемом 1 терабайт.

В настоящее время наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают SSD-направление в своей деятельности, можно назвать Intel, Kingston, Samsung Electronics, SanDisk, Corsair, Renice, OCZ Technology, Crucial и ADATA. Кроме того, свой интерес к этому рынку демонстрирует Toshiba.

Архитектура и функционирование
Твердотельные накопители бывают двух основных видов:
NAND SSD
Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой стоимостью (от 2 долларов США за гигабайт) начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям — жестким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью поиска информации (начального позиционирования). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители Flash со скоростью чтения и записи, в разы превосходящие возможности жестких дисков. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.

RAM SSD
Эти накопители, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера), характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость (от 80 до 800 долларов США за гигабайт). Используются, в основном, для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и/или оперативного копирования. Примером таких дисков является I-RAM. Пользователи, обладающие достаточным объемом оперативной памяти, могут организовать виртуальную машину и расположить ее жесткий диск в ОЗУ и оценить производительность.

Недостатки и преимущества твердотельных накопителей по сравнению с обычными HDD
Недостатки:

• главный недостаток SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — более 100 000 раз. Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки;
• контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами»;
• подпроблема совместимости SSD-накопителей с устаревшими и даже многими актуальными версиями ОС семейства Microsoft Windows, которые не учитывают специфику SSD-накопителей и дополнительно изнашивают их. Использование операционными системами механизма свопинга (подкачки) на SSD также, с большой вероятностью, уменьшает срок эксплуатации накопителя;
• цена гигабайта SSD-накопителей существенно выше цены гигабайта HDD. К тому же стоимость SSD прямо пропорциональна их емкости, в то время как стоимость традиционных жестких дисков зависит от количества пластин и медленнее растет при увеличении объема накопителя;
• применение в SSD-накопителях команды TRIM делает невозможным восстановление удаленной информации recovery-утилитами.

Преимущества:
• отсутствие движущихся частей;
• высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жесткого диска (SAS/SATA II 3 Gb/s, SAS/SATA III 6 Gb/s, SCSI, Fibre Channel и т. д.);
• низкое энергопотребление;
• полное отсутствие шума из-за отсутствия движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
• высокая механическая стойкость;
• широкий диапазон рабочих температур;
• стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
• малые габариты и вес;
• большой модернизационный потенциал как у самих накопителей, так и у технологий их производства.
• намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.

Microsoft Windows и компьютеры данной платформы с твердотельными накопителями
В ОС Windows 7 введена специальная оптимизация для работы с твердотельными накопителями. При наличии SSD-накопителей эта операционная система работает с ними иначе, чем с обычными HDD-дисками. Например, Windows 7 не применяет к SSD-диску дефрагментацию, технологии Superfetch и ReadyBoost и другие техники упреждающего чтения, ускоряющие загрузку приложений с обычных HDD-дисков.

Предыдущие версии Microsoft Windows такой специальной оптимизации не имеют и рассчитаны на работу только с обычными жесткими дисками. Поэтому, например, некоторые файловые операции Windows Vista, не будучи отключенными, могут уменьшить срок службы SSD-накопителя. Операция дефрагментации должна быть отключена, так как она практически никак не влияет на производительность SSD-носителя и лишь дополнительно изнашивает его.

Компания ASUS еще в 2007 г. выпустила нетбук EEE PC 701 с SSD-накопителем объемом 4 Гб. Компания Dell 9 сентября 2011 года заявила о первой на рынке комплектации ноутбуков Dell Precision твердотельной памятью объемами 512 Гб одним накопителем и 1 Тб двумя накопителями для моделей компьютеров M4600 и M6600 соответственно. Производитель установил цену за один 512 Гб SATA3 накопитель на момент объявления в 1120 долларов США.

На SSD-накопителе работают планшеты компании Acer — модели Iconia Tab W500 и W501, Fujitsu Stylistic Q550 под управлением Windows 7.

Mac OS X и компьютеры Макинтош с твердотельными накопителями
Операционная система Mac OS X, начиная с версии 10.7 (Lion), полностью осуществляет TRIM-поддержку для установленной в системе твердотельной памяти.

С 2010 года компания Apple представила компьютеры линейки Air полностью комплектуемые только твердотельной памятью на основе флеш-NAND памяти. До 2010 г. покупатель мог выбрать для данного компьютера обычный жесткий диск в комплектации, но дальнейшее развитие линейки в пользу максимального облегчения и уменьшения корпуса компьютеров данной серии потребовало полного отказа от обычных жестких дисков в пользу твердотельных накопителей.

Объем комплектуемой памяти в компьютерах серии Air составляет от 64Гб до 512 Гб. По данным J.P. Morgan с момента представления было продано 420 000 компьютеров этой серии полностью на твердотельной флеш-NAND памяти.

11 июня 2012 года на основе флеш-памяти был представлен новый MacBook Pro 15 дюймов, в котором опционально можно установить 768 Гб флеш-памяти.

Перспективы развития
Главный недостаток SSD-дисков — ограниченное число циклов перезаписи — при развитии технологий изготовления энергонезависимой памяти будет устранен путем изготовления по другим физическим принципам и из других материалов, например, FeRam (cегнетоэлектрическая оперативная память (Ferroelectric RAM, FeRAM или FRAM) — оперативная память, по своему устройству схожая с DRAM, но использующая слой сегнетоэлектрика вместо диэлектрического слоя для обеспечения энергонезависимости).

К 2013 году компания HP планирует запустить в розничную продажу накопители, построенные по технологии ReRAM.

TRIM (команда SSD)
TRIM — команда интерфейса ATA, позволяющая операционной системе уведомить твердотельный накопитель о том, какие блоки данных больше не используются и могут быть использованы накопителем для подготовки к записи.

Команда TRIM была введена вскоре после появления твердотельных накопителей (SSD), чтобы сделать их конкурентоспособной альтернативой традиционным HDD в персональных компьютерах. Из-за того, что на внутреннем уровне реализация операций в SSD существенно отличается от тех же операций в традиционных механических жестких дисках, обычные методы ОС таких операций, как удаление файлов и форматирование диска (не обращаясь непосредственно к затрагиваемым секторам/страницам на накопителе), приводит к прогрессирующему ухудшению производительности операций записи на SSD. Применение TRIM позволяет устройству SSD уменьшить влияние сборки мусора, которая в противном случае в дальнейшем выразится падением производительности операций записи в затронутые секторы.

Хотя утилиты для «сброса» некоторых накопителей в начальное состояние были уже доступны ранее появления TRIM, они, помимо прочего, удаляли все данные на накопителе, что делало их практически неприменимыми для проведения оптимизации.

Особенности работы твердотельных накопителей
Ввиду особенностей методов удаления, обычно применяемых в файловых системах, накопители «не знают», какие сектора/страницы действительно используются, а какие могут считаться незанятыми. Операции удаления обычно ограничиваются пометкой блоков данных как «неиспользуемых» в файловой системе. В отличие от, например, операции перезаписи, удаление не приведет к физической записи в затрагиваемые сектора, содержащие данные. Поскольку накопитель не имеет доступа к структурам файловой системы — таким как список неиспользуемых кластеров — накопитель остается в неведении об освобождении блоков. Хотя это часто позволяло восстановить удаленные данные на традиционных HDD, несмотря на то, что они были отмечены как «удаленные» операционной системой, так же это означало, что когда позже операционная система произведет операцию записи в один из секторов, считающихся свободным местом, эта операция будет считаться операцией перезаписи с точки зрения накопителя. Для традиционных жестких дисков эта операция никак не отличается от записи в незанятый сектор, но из-за того, как на низком уровне функционируют SSD, перезапись данных существенно отличается от записи в незанятый сектор, потенциально ухудшая производительность дальнейших операций записи.

SSD хранят данные в ячейках флеш-памяти, сгруппированными в «страницы» (обычно по 4 Кбайт каждая), которые, в свою очередь, сгруппированы в блоки (обычно 128 страниц или 512 Кбайт суммарно). Ячейки NAND-флеш-памяти могут быть непосредственно записаны лишь в том случае, когда они чисты. В случае, когда они хранят данные, содержимое ячеек должно быть очищено, прежде чем в них будут записаны новые данные. В SSD-накопителях операция записи может быть проделана только для страниц, однако из-за аппаратных ограничений команда удаления всегда выполняется на весь блок. В результате, запись на SSD-носитель выполняется очень быстро до тех пор, пока существуют чистые страницы, но значительно замедляется, если необходимо очищать предварительно записанные страницы. Так как очистка ячеек в странице необходима перед тем, как в них можно будет записывать снова, но только целый блок может быть очищен, процесс перезаписи инициирует цикл чтение-очистка-модификация-запись: содержимое целого блока должно быть сохранено в кеше перед тем, как оно может быть удалено с накопителя, перезаписываемые данные модифицируются в кеше и только после этого целый блок (с обновленной страницей) записывается на накопитель. Это явление известно как усиление записи.

В своих SSD-контроллерах производители используют различные техники для оптимального распределения операций записи по всему флеш-накопителю. Это делается не только для того, чтобы оптимизировать скорость путем минимизации усиления записи, но также для увеличения продолжительности жизни флеш-ячеек (выравнивание износа), так как обычные MLC-флеш-ячейки выдерживают около 10000 циклов записи. Другой подход заключается в том, чтобы использовать лишнюю память, не задекларированную в операционной системе, для предоставления чистых страниц для операций записи как можно дольше перед тем, как начать перезаписывать другие страницы.

Эффективность этих методов по большей части зависит от обмена информацией между ОС и контроллером SSD о том, какие страницы могут считаться занятыми, а какие — свободными. Традиционно большинство ОС не информируют накопители об удаленных секторах/страницах, что препятствует контроллерам SSD оптимально распределять свободное пространство. Команда TRIM была введена, чтобы исправить это, очищая неиспользуемые ячейки до того, как в них будет произведена запись, таким образом уменьшая время доступа.

Так как команда полностью стирает данные в ячейках, восстановить из них данные обычно не представляется возможным.

Что такое ReRAM?
Резистивная память ReRAM предусматривает хранение бита с помощью электрически изменяемого сопротивления (а не электрического заряда): высокое сопротивление соответствует единице, низкое — нулю. Сопротивление легче измерить, чем количество электронов в облаке, где их насчитывается несколько сотен.

Сопротивление изменяется за счет приложения определенного напряжения, которое в данном случае работает как своеобразный переключатель. Одно из преимуществ технологии заключается в том, что для изменения сопротивления требуется гораздо меньшее напряжение, чем для записи данных во флеш-память. Это особенно удобно для устройств малой мощности.

Для производства ReRAM можно использовать различные материалы. Некоторые характеризуются повышенной долговечностью (до нескольких миллионов циклов перезаписи) и надежностью по сравнению с флеш-памятью, другие обеспечивают скорость передачи данных, сравнимую с DRAM.

В числе других преимуществ резистивной памяти:
Высокая плотность. Тайваньские ученые доказали, что стандартные процессы могут использовать микроскопические ячейки резистивной памяти.
Низкая стоимость. По данным экспериментов, производство ReRAM требует меньшего количества этапов, чем производство флеш-памяти, да и сам процесс оказывается значительно проще.
Долгий срок службы. Некоторые виды резистивной памяти выдерживают до нескольких миллионов циклов перезаписи, в то время как многоуровневая флеш-память (MLC) — всего 10 тысяч.
Высокая гибкость. В зависимости от архитектуры, ReRAM может быть оптимизирована для получения высокой плотности, большого объема или повышенной скорости передачи данных.
Широкий спектр материалов. Для изготовления резистивной памяти можно использовать самые разные материалы. А поскольку исследования в этой области до сих пор продолжаются, в перспективе наверняка появятся еще более привлекательные варианты.

Конечной и, возможно, недостижимой целью исследователей является создание устройства, сочетающего высокую скорость DRAM с долгим сроком хранения флеш-памяти.

Источник: www.winblog.ru

Новый гибридный накопитель превосходит SSD
Группа японских исследователей под руководством профессора Университета Чуо (Chuo University) Кена Такеучи (Ken Takeuchi) разработала архитектуру гибридного SSD-накопителя с использованием чипов памяти ReRAM. Изобретение отличается высокой скоростью перезаписи данных при достаточно большой емкости, характерной для традиционных твердотельных дисков.

По сравнению с современными SSD-дисками, которые используют только NAND-микросхемы, производительность гибридного накопителя в операциях записи увеличена в 11 раз. При этом потребляемая мощность снижена на 93%, а жизненный цикл устройства увеличен в 6,9 раза. Эти данные получены на основе испытания прототипа гибридного диска с помощью эмулятора.

Гибридный диск включает 256 Гбайт NAND-памяти и 8 Гбит ReRAM-памяти. Именно благодаря последней, накопитель и обеспечивает высочайшую производительность в операциях случайного доступа.

Запись данных управляется с помощью трех алгоритмов. Первый называется «антифрагментом» (anti-fragment). Малые порции данных записываются в сектора ReRAM-памяти. Когда их емкость превышает одну страницу, они перезаписываются в NAND-микросхему. Учитывая малую емкость ReRAM, когда она слишком переполнена, допускается перенос в NAND-чипы данных, которые занимают 60% объема страницы памяти. Также во избежание фрагментации данных в NAND-памяти используется алгоритм RAAF (reconsider as a fragmentation), который при затирании малых порций данных в NAND-памяти после записи страницы переносит ее обратно в ReRAM-пространство. Третий алгоритм под названием MRU (most recently used table) предусматривает сохранение наиболее часто используемых данных в ReRAM.

Новая архитектура представлена в рамках конференции Symposium on VLSI Circuits, которая прошла в середине июня в США.

Источник: www.3dnews.ru

Orphus system
В Telegram
В Одноклассники
ВКонтакте