Твердотельные накопители и их применение.

Реалии компьютерного мира, согласно закону Мура, требуют удвоения производительности компонентов каждый год. Фактически это означает невероятно быстрый рост производительности всех компонентов компьютера, однако на практике данное утверждение справедливо не для всех компонентов. Аутсайдером стали дисковые накопители, которые вместо улучшения производительности стремительно наращивали объем. И так продолжалось до тех пор, пока не появились твердотельные накопители SSD.

Всего известно два основных типа флэш-памяти, которые сейчас применяются в SSD-накопителях: SLC (Single-Level Cell) и MLC (Multi-Level Cell). Отличия между ними в том, что SLC-ячейка хранит только один бит информации, а MLC-ячейка — несколько. В результате SLC-чипы оказались примерно вдвое более быстрыми и в 10 раз более надежными, в то время как память типа MLC может похвастать меньшей удельной (в расчете на объем накопителя) стоимостью, а потому применяется в подавляющем большинстве недорогих и массовых SSD-накопителей. Со временем MLC в своем развитии достигла больших высот как в производительности, которая сейчас преимущественно зависит от контроллера, а не от самой памяти, так и по надежности. Последние обстоятельства дают возможность производителям SSD устанавливать срок наработки продукта на отказ более 1 млн ч.

SSD как законченное устройство состоит не только из микросхем памяти — одной из основных его характеристик является и применяемая модель контроллера, который управляет потоками данных внутри накопителя и обеспечивает его работу. Ядро контроллера — процессор, обрабатывающий поступающую информацию и складирующий ее в ячейки памяти таким образом, чтобы они использовались равномерно. От контроллера и его прошивки зависит производительность, стабильность и долговечность накопителя в целом. Кстати говоря, именно интеллектуальные контроллеры могут служить сегментирующим разграничителем SSD-накопителей от обычных USB-флэшек.

Особенности SSD

Объем. Твердотельная память всегда отличалась высокой удельной стоимостью (стоимость хранения 1 Гбайт информации), которая практически не зависит от объема накопителя. В этом их отличие от традиционных жестких дисков, стоимость которых связана с объемом неравномерно (кривая имеет затухающий, логарифимический вид). У SSD кратность цены примерно равна кратности объема накопителя, т. е. зависимость здесь фактически близка к линейной. В цифрах можно привести такие соотношения: если 120-Гбайт SSD стоит около 220 долл., то цена накопителя SSD на 240 Гбайт составляет около 480 долл. Аналогичный по емкости жесткий диск на 120 Гбайт стоит около 80 долл., а цена 250-Гбайт HDD — только 98 долл. Такое различие удельной стоимости жестких и твердотельных дисков обусловлено конструкцией и стоимостью микросхем твердотельной памяти, в отличие от жесткого диска, в котором конструкция неизменна, а объем задается лишь количеством пластин и программной частью устройства.

Производительность. Она стала камнем преткновения для механических накопителей, которые по этому параметру фактически уже достигли вершины своего развития: сегодня увеличивается лишь плотность записи данных на пластину, что позволяет наращивать объем диска, а скорость доступа к информации, определяющая производительность, растет крайне медленно. В этом плане накопители SSD выигрывают очень сильно. Во-первых, особенностью флэш-памяти является то, что для доступа к данным, размещенным в разных ячейках, требуется несколько сотых или десятых долей миллисекунды, в то время как у жесткого диска время перехода с дорожки на дорожку составляет до двух-трех десятков миллисекунд. Данное обстоятельство делает жесткие диски крайне медленными при работе с массивом мелких файлов и с фрагментированными файлами. Во-вторых, обилие банков памяти, собранных в некое подобие RAID уровня 0, делает SSD-накопитель еще и более быстрым в области считывания и записи информации. Грубо говоря, более объемный SSD будет быстрее менее объемного. Однако скорость записи в твердотельных накопителях существенно меньше скорости чтения, в отличие от традиционных жестких дисков. Тем не менее в современных контроллерах и эта проблема сведена к минимуму.

Надежность. Надежность SSDнакопителей зависит в основном от типа используемых микросхем памяти, оптимизации настроек операционной системы и прошивки контроллера накопителя. Проблема ее повышения сводится к правильной и равномерной записи ячеек памяти (количество операций чтения ячейки не ограничивается, ограничивается лишь количество операций записи). Оптимальный алгоритм управления позволяет равномерно расходовать конечный ресурс каждой ячейки, что приводит к увеличению срока службы накопителя в целом. Однако следует учитывать, что при активной эксплуатации с большим количеством операций записи время наработки существенно снижается. В нормальных условиях SSD способен прослужить несколько десятков лет, но в экстремальных серверных применениях этот срок сокращается в несколько раз.

Энергоэффективность. Среднестатистический жесткий диск потребляет от 10 до 40 Вт энергии в рабочем режиме, причем его энергопотребление заметно не только в режиме старта, когда шпиндельный двигатель (особенно высокоскоростных SAS-накопителей) потребляет максимальный ток, но и в стационарном рабочем режиме. В то же время SSD-накопитель с его отсутствием механических приводов потребляет в 10 раз меньше энергии. К тому же из-за отсутствия механических приводов SSD не тратят ватты на нагрев корпуса, а потому остаются практически холодными даже во время интенсивного обмена данными. Это также плюс с точки зрения оптимизации теплового режима работы системы.

Малые размеры. Основная масса современных SSD — это компактные накопители, выполненные в форм-факторе 2.5 дюйма, т. е. пригодные для установки в большинство ноутбуков. Также есть накопители в виде карт Mini PCIe с интерфейсом mini-SATA (mSATA) и 1.8-дюйм SSD с интерфейсом micro-SATA (иногда ошибочно обозначаются как mSATA), которые устанавливаются в ноутбуки, нетбуки, UMPC и планшеты. Таким образом, вместо большого и тяжелого массива накопителей на традиционных жестких дисках можно использовать куда меньший по размеру и массе массив на SSD.

Бесшумность. Отсутствие движущихся частей внутри SSD подразумевает абсолютную бесшумность данного вида накопителей. Вспомните, как шумят и вибрируют традиционные жесткие диски, не говоря уже про высокопроизводительные модели со скоростью вращения шпинделя 10 тыс. или 15 тыс. оборотов в минуту: не зря все же серверы «прячут» в отдельное помещение.

Ударостойкость. Огромным плюсом по сравнению с жестким диском является большая ударостойкость SSD. Если HDD в рабочем состоянии может вывести из строя небольшой толчок или даже мелкая вибрация (например, во время поездки в автомобиле), то SSD переживает сотрясения без малейших проблем. Они очень стойки к механическим воздействиям: фактически, чтобы сломать такой накопитель, нужно физически разрушить его корпус.

Стоимость

Самым серьезным минусом в сфере SSD, сдерживающим их широкое распространение, является удельная стоимость одного гигабайта. Как уже говорилось, даже 120-Гб SSD накопитель стоит от 200 долл., в то время как за данную сумму можно приобрести HDD-накопитель объемом 3 Тбайт.

Выбор операционной системы

Как отмечалось выше, серьезной технологической проблемой твердотельной памяти являются вопросы, связанные с ограничением на число циклов перезаписи ячейки памяти. У MLC-ячеек ограничение составляет от 5 до 15 тыс. циклов, у SLC — от 100 тыс. циклов. Однако производители современных контроллеров, в особенности SandForce, смогли обуздать и это ограничение за счет выравнивания нагрузки на каждую ячейку. В некоторых моделях используется специальная технология TRIM, не позволяющая перезаписывать те ячейки, в которых находится стертая информация. Это существенно улучшает производительность диска, ведь в моделях без поддержки TRIM скорость записи падает по мере заполнения накопителя данными. Все объясняется особенностью системного ПО с традиционными накопителями и SSD. Файловая система обычно не удаляет данные, записанные на секторе, а лишь помечает их удаленными, и при работе с жестким диском операция перезаписи ничем не отличается от операции записи. В то же время в SSD-накопителе сектор с информацией, помеченной как удаленная, необходимо прочитать, затем удалить информацию, проверить сектор, а уж только потом записать новую порцию данных. Это и приводит к ухудшению производительности в режиме записи на SSD по мере его заполнения данными.

TRIM стирает удаленную информацию, приводя ячейки в нулевое состояние сразу в момент удаления информации командой от операционной системы (ОС). Команда TRIM должна в обязательном порядке поддерживаться как самим накопителем, так и ОС. Обратной стороной медали является полная невозможность восстановления случайно стертой информации с такого накопителя. Однако ряд мер, предотвращающих быстрый износ накопителя и продлевающих срок его службы, поддерживается не всеми операционными системами. Старые ОС не могут нормально и полноценно работать с SSD, поэтому для работы с ними необходимо использовать современные ОС с самыми актуальными обновлениями и драйверами.

Рассмотрим теперь новые возможности, которые открываютcя при использовании накопителей SSD в различных компьютерных системах.

Применение SSD в ноутбуках/планшетах

Описанные выше особенности твердотельных накопителей делают их идеальным средством для хранения информации в мобильных компьютерах, будь то планшет, ноутбук или ноутбук-трансформер. Такие устройства часто используются в мобильном режиме, в результате чего накопитель компьютера подвержен вибрациям, ударам, толчкам и тряске во время работы в транспорте, на ходу и при переноске, особенно в рабочем состоянии. Кроме того, играют роль и условия окружающей среды: температура, влажность, загрязненность. Традиционные накопители позволяют хранить больший объем информации, но при активной эксплуатации в подобных условиях велика вероятность преждевременного выхода их из строя из-за ударов, тряски и превышения температурного режима. SSD-накопитель в данных условиях намного предпочтителенее благодаря отсутствию восприимчивости к ударам, более широкому диапазону рабочих температур, малым размерам и весу.

Не последнюю роль играет и производительность. Мобильные жесткие диски всегда оставались в среднем менее производительными, чем HDD для настольных компьютеров. Ведь до сих пор даже в мультимедийных моделях применяются в основном жесткие диски с небольшой скоростью вращения — 5400 об/мин. Твердотельные накопители способны дать значимый прирост скорости работы дисковой подсистемы. Очень важным фактором, конечно, является повышенная энергоэффективность SSD, что позволяет продлить автономную работу ноутбука или планшета на 5–15% по сравнению с комплектацией ноутбука традиционным HDD.

Таким образом, оснащение ноутбуков твердотельными накопителями приносит довольно много плюсов, правда, заметно повышая их стоимость.

Есть и еще одна положительная черта, вытекающая из повышенной скорости работы SSD, — это критическое снижение времени первоначальной загрузки ОС, что стало сегодня значимым требованием пользователей.

В планшетных же компьютерах применение SSD и вовсе является безальтернативным. Android-планшеты оснащаются встроенными SSD, которые не могут быть модифицированы или заменены (поскольку распаяны на плате), а немногочисленные пока Windows-планшеты содержат внутри стандартный твердотельный накопитель с mSATA-интерфейсом в виде карты Mini PCIe, который в принципе может быть заменен более объемным, однако замена эта производится, как правило, в сервисном центре, поскольку требует разборки корпуса устройства.

В большинстве ноутбуков традиционный 2.5-дюйм диск можно заменить на SSD самостоятельно, хотя это требует определенной сноровки: надо отвинтить один или несколько винтов на днище, снять люк для доступа к накопителю, вынуть его вместе с направляющей, переставить направляющую на SSD-накопитель и собрать в обратном порядке. Затем потребуется перенести или заново установить ОС ноутбука на новый накопитель. Кстати, старый штатный накопитель тоже не пропадет, его можно трансформировать в переносной диск, поместив во внешнюю коробку с USB-интерфейсом, и в дальнейшем использовать для хранения и переноса данных.

Продвинутые пользователи уже так и поступают, поскольку после такой замены вы сразу же заметите увеличение быстродействия ноутбука и ускорение загрузки системы по сравнению с жестким диском.

Применение SSD в настольных ПК

Стационарные компьютеры, которые все еще пользуются достаточно большим спросом для домашнего или офисного применения, также могут оснащаться SSD-накопителями. Правда, в данном случае это скорее опциональная задача. Поскольку вопросы габаритов и энергопотребления здесь не критичны, основной смысл установки SSD-накопителей здесь заключается в ускорении работы дисковой подсистемы компьютера. Это можно сделать как простой заменой загрузочного диска на SSD, так и за счет кэширования часто используемых данных на SSD небольшого объема. Дело в том, что традиционные жесткие диски плохо справляются с обработкой мелких (до 32 кб) файлов, скорость обработки падает с десятков мегабайт в секунду до нескольких сотен килобайт в секунду. У твердотельных дисков такого недостатка нет, поэтому неплохим выходом будет запись мелких файлов на SSD-накопитель, на котором формируется большой файл, который затем записывается на жесткий диск с нормальной скоростью. Подобный алгоритм кэширования предлагает компания Intel под названием Smart Response Technology, поддерживаемый современными чипсетами Z68 и чипсетами 70-й серии.

Современные компьютерные корпуса в некоторых случаях позволяют устанавливать накопители форм-фактора 2,5 дюйма, поэтому установка SSD-накопителя в такой корпус не вызовет затруднений. Однако большинство менее новых корпусов потребуют для установки SSD-накопителя в стандартный 3,5 дюйм отсек специальный переходник.

Кроме чисто механических работ по монтажу твердотельного накопителя в корпус десктопа потребуются еще и системные перенастройки. Поэтому массовой и актуальной данную задачу считать нельзя. Скорее, речь может идти о более широком внедрении в настольные компьютеры штатных SS- накопителей. Однако по ряду уже отмеченных причин использование SSD здесь гораздо менее актуально, чем в мобильных компьютерах, особенно с учетом их высокой цены. Поэтому в будущем больше шансов увидеть настольные компьютеры с дополнительным кэширующим твердотельным диском небольшого объема, а по мере снижения цен на SSD — и постепенный захват ими рынка сначала игровых ПК, а затем и офисных машин. На конец марта 2012 г. пока еще крайне мало подобных предложений, но SSD становятся все более привлекательными для потенциального покупателя, а значит, что в скором времени появятся и адекватные спросу предложения.

Твердотельные накопители, безусловно, очень перспективны в серверных применениях, системах хранения данных, где с их помощью решается задача кардинального увеличения производительности систем. Однако эту сферу мы в данной публикации рассматривать не будем, в силу ее специфичности и сложности реализации.

Товарное предложение

Несмотря на то что технология SSD-накопителей только начинает свое шествие по миру, в настоящее время существует уже широкое товарное предложение на рынке готовых к использованию SSD, формируемое достаточно большим числом производителей.

Егор Eмельянов, внештатный эксперт «Бестселлеров IT-рынка»

Полная электронная версия этой статьи доступна только для подписчиков. Для получения полной электронной версии статьи сейчас Вы можете оформить запрос.

Полная электронная версия этой статьи доступна только для подписчиков. Для получения полной электронной версии статьи сейчас Вы можете оформить запрос.