SSD как полупроводниковый накопитель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Полупроводниковый накопитель (англ. SSD, solid-state drive) -- энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей. Называть его «диском» неправильно, так как в конструкции SSD не присутствует дисков как таковых: накопитель состоит из микросхем памяти и контроллера, подобно флеш-памяти. Следует различать полупроводниковые накопители, основанные на использовании энергозависимой (RAM SSD) и энергонезависимой (NAND или Flash SSD) памяти.

Последние являются перспективной разработкой. Некоторые аналитики считают, что уже в ближайшие годы (2011--2013 г.) полупроводниковые накопители NAND займут немалую долю рынка накопителей, отвоевав её у накопителей на жёстких магнитных дисках. По состоянию на 2009 г., полупроводниковые накопители использовались в специализированных вычислительных системах, в некоторых моделях компактных ноутбуков, коммуникаторах и смартфонах (например, нетбуки ASUS Eee PC, Acer Aspire One, ноутбуки фирмы Apple, Lenovo). Полупроводниковые накопители также используются на Международной космической станции.

Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились, в общем, не так давно. В отдельных позициях они уступали традиционным накопителям в чтении и записи, но компенсировали это (особенно при чтении) высокой скоростью поиска информации, практически сопоставимой со скоростью работы оперативной памяти. На сегодняшний день уже поставлен на поток выпуск твердотельных накопителей со скоростью чтения и записи, сопоставимой с традиционно присущей обычным HDD, и даже разработаны модели, которые значительно их превосходят. Характеризуясь относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением, они уже практически полностью завоевали рынок систем для размещения баз данных среднего уровня и начинают вытеснять традиционные диски в мобильных устройствах и не только.

История развития SSD

Как только появились дискретные вычислительные устройства возникла необходимость сохранить результаты их работы в памяти. Сначала таким устройством памяти были ламповые триггера, подобные тем на которых выполнялись вычисления. Потом появились устройства памяти на ферритовых сердечниках, устройства для хранения и накопления информации на магнитных барабанах, дисках и магнитной ленте. Память на ферритовых сердечниках сначала стала работать в качестве оперативной памяти. Однако с появлением барабанных, а затем и дисковых накопителей вышли из употребления из-за чрезвычайно высокой стоимости.

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

1982 год -- 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 -- 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. Объём данного накопителя -- 128 ГБ. По заявлению компании, выпуск таких устройств начнётся уже в 2009 году.

2009 год -- Super Talent Technology выпустила SSD объёмом 512 гигабайт.

В декабре 2009 года Seagate анонсировала накопитель Seagate Pulsar -- своего первенца из полупроводниковых дисков для предприятий. Pulsar имеет ёмкость до 200 ГБ, форм-фактор 2,5 дюйма, толщину 7 мм; интерфейс -- SATA со скоростью 3 Гбит/с. Создан специально для блейд-серверов и серверов общего назначения. Совместим с современными наборами микросхем сверхтонких серверов. В нём используется технология одноуровневой ячейки (SLC), что обеспечивает надёжность и долговечность полупроводниковых накопителей. Годовая интенсивность отказов (AFR) составляет всего 0,44 процента, что свидетельствует о высокой надёжности и долговечности накопителей. Защита данных при отключении питания позволяет избежать их потери в случае отключения электроэнергии.

Сентябрь 2010 года. Создан накопитель PowerDrive-LSI в виде карты расширения для слота PCI-Express, способный считывать данные со скоростью 1,4 ГБайт/с, а записывать - 1,5 ГБайт/с. Производитель позиционирует его как «новый игровой SSD». До этих пор даже накопители с интерфейсом SATA 3ГБит/с (данная цифра путала неискушённых пользователей) имели меньшие скорости передачи данных. Выпускаются модификации объемом 240 ГБ (GM3-PDLP24M), 480 ГБ (GM3-PDLP48M) и 960 ГБ (GM3-PDLP96M). Для повышения скорости на плате накопителя имеется 512 МБ кэш-памяти DDR2. Основа накопителя - однокристальная система LSISAS2108 RAID-on-Chip с ядром PowerPC, работающим на частоте 800 МГц. Размеры карты 235 x 158 x 45 мм, интерфейс PCI-Express 2.0 x8. Совместимые ОС: Windows Server 2003, 2008 и 2008 R2, Windows XP, Windows Vista и Windows7, RedHat Linux 3.0, 4.0, 5.0 и Solaris 10 x86, SUSE Linux/SLES 9 SP4, 10 SP3, 11 SP1 и VMWare ESXi 4.0. Судя по косвенным данным, загрузка операционной системы с такого накопителя не предусмотрена или требует доработки BIOS производителем.

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

Технология SSD

Принцип работы ячейки SSD

Чтобы понять достоинства и недостатки SSD, рассмотрим как работает элементарная SLC ячейки. Не вдаваясь в различия между ячейками SLC или MLC, тем более у последней тот же принцип работы, при более сложной структуре. Но для понимания разницы сравним их с RAM ячейками.

Одноуровневая ячейка SLC - Single Level Cell Flash-SSD

Ячейка DRAM (Dynamic Random Access Memory)

У SSD ячейки элементом памяти является плавающий затвор, заряд на емкости которого меняет состояние КМОП транзистора - Открыт/Закрыт. Зарядка емкости плавающего затвора происходит за счет туннельного перехода электронов из истока на плавающий затвор с помощью подачи потенциала на управляющий электрод. Потребляемая мощность зависит от объема запоминающего устройства и частоты циклов чтения/записи. У ячейки RAM элементом памяти является запоминающий конденсатор С. Поддержание исходного потенциала которого требует затрат времени и энергии.

Потребляемая мощность зависит от частоты обращения к памяти и объема памяти в модуле.

Ячейка SSD имеет емкость плавающего затвора много меньше чем запоминающая емкость DRAM, это требует много меньших энергетических затрат для изменения ее состояния (0 или1). Заряд на ячейке SSD может храниться достаточно долго без его восстановления за счет практически отсутствующего саморазряда.

DRAM требует постоянной процедуры восстановления заряда (регенерации) на запоминающем конденсаторе из-за больших утечек. Информация теряется сразу после выключения питания.

Энергопотребление SSD и HHD

Посмотрим и сравним потребление HDD и SSD приведенные в таблице 1.

Таблица 1.

N

п/п Модель Тип Емкость GB Pпотр

Вт Pпотр на Max пропускной способности,

Вт Pпотр при просмотре DVD видео,

Вт Скорость

Мб/с Примечание

ожидание чтение/запись Чтения Записи

1 Hama Flash SSD 1.8” SLC 32 0,03 0,8 0,7 30

2 OCZ SATAII 2.5” SSD SLC 64 0,3 0,8 0,8 0,3 90 90 >$1000

3 OCZ Vertex SATA II 2,5" OCZSSD2-1VTX120G MLC 120 2 200 160 $469

4 Samsung SSD 3Gbps 2.5” SLC 64 0,3 0,8 0,9 0,4 90 90

5 Samsung SSD 2.5” MLC 256 1,1 220 200

6 SanDisk SSD 5000 2.5” 32 0,3 0,8 0,9 0,5

7 Silicon Power SSD 2.5” SLC 128 0,9 1,7 57 30

8 Hama Highspeed Flash SSD 2.5” SLC 32 0,84 1,8 1,6 0,8 100 83

9 Hama Highspeed Flash SSD 3.5” SLC 64 0,8 1,9 1,8 0,8 86 76

10 MemoRight MR25.2-064S 64 1 2 116 121

11 SuperTalent Master Drive MX 2.2” MLC 60 1,2 2,2 2 1,1 110 30

12 MemoRight MR25.2-032S 32 0,8 2,3

13 MtronFlash 2.5” 32 2,9 2,2

14 Mtron Pro7500 3.5” 32 1,6 2,4 2 1,5 116 117 $1300

15 Hama Flash SSD 2.5” MLC 32 1,9 2,7 2,6 62 29

16 Crucial SSD 2.5” MLC 32 1,6 2,9 2,7 2,1 125 60

17 Vertex Series 30 2.5” MLC 30 2 200 160 $120

18 SSD Toshiba THNS512GG8B 2.5” MLC 512 240 200 69,9x9,5x100, 66г.

19 SSD Toshiba THNS256GG8BA 1.8” MLC 256 240 200 54x5x78,5, 44г.

20 Seagate Barracuda 7200.11 3.5” HDD 1000 ?8 12

произв. выборка 105 105 $120

21 Seagate Momentus 5400.2 2,5" HDD 120 0,8 1,8/1,8 5

при раскрутке 100 100

22 Hitachi Travelstar 7K200 2,5"(7200 об/мин) HDD 160 0,9-1 3,2

произв. выборка 0,8 >200 >200

В таблице сведены данные нескольких источников. Для сравнения в последних 3х строках приведены характеристики потребления HDD.

Сравним HDD и SSD по параметрам связанным с потребляемой мощностью.

Рассматривая таблицу 1, мы видим, что существуют экономичные модели SSD, (№ п/п 1,2,4,6), но их главный недостаток малая скорость чтения/записи (менее 100 Мб/сек). Это модели с использованием в качестве элемента памяти SLC ячейки. Одна из особенностей - их емкость менее 64Мб.

Все скоростные модели (№ п/п 3,5,17 - емкостью 120,256,30 Гб соответственно) построены с использованием ячеек MLC, и имеют скорость чтения/записи более 200/160 Мб/сек. Но при этом потребляют от источника питания более 1,5-2Вт.

Высокое потребление - это плата за скорость.

Сравнивая SSD с HDD по рассматриваемым характеристикам, видим что экономичные SSD (отставая в емкости) имеют потребление чуть ниже чем лучшие 2,5'' HDD, как и скорость чтения/записи. Можно предположить, что при равной емкости и потребление их сблизится.

А вот SSD с высоким быстродействием имеют потребление более высокое чем лучшие HDD, при примерно равной скорости чтения/записи. Стоит обратить внимание что раскрутка дисков HDD требует кратковременного потребления до 5 Вт.

Преимущества и недостатки систем SSD

SSD имеют следующие основные преимущества по отношению к обычным жёстким дискам:

меньшее время загрузки системы, и меньшее время перехода в состояние готовности после включения питания - порядка 20 секунд;

отсутствие механически движущихся частей и механизмов, поэтому SSD надежнее;

задержка в режиме чтения 85 мкс, в режиме записи порядка 115 мкс;

задержка в режиме чтения 65 мкс, в режиме записи около 85 мкс;

производительность: скорость чтения и записи ограничена лишь пропускной способностью интерфейса и применяемых контроллеров, а значит полностью ложиться на их разработчиков, и не является слабостью самой технологии;

низкая потребляемая мощность;

полное отсутствие шума от движущихся в их составе частей и охлаждающих вентиляторов;

довольно высокая механическая стойкость;

относительно широкий диапазон рабочих температур;

стабильно одинаковое время считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;

небольшой размер и вес;

Такие возможности поддерживаются в системах NAS серии FXT компании Avere Systems, в F5 Networks ARX Series, HP StorageWorks X9000 scale-out NAS и в ПО Symantec Storage Foundation. Все эти продукты анализируют активность доступа к файлам и перемещают их на соответствующий уровень по заданным правилам, а кроме того, поддерживают устройства NAS и файловые системы разных вендоров. При выборе подобных систем нужно принимать во внимание возможности их масштабирования и резервирования.

Продукты DST, работающие на уровне файлов, плохо подходят для структурированных данных, например БД SQL и Microsoft Exchange. Кроме того, чем больше разница в цене и производительности между уровнями хранения, тем более важным становится перемещение данных мелкими блоками.

В некоторых приложениях особое значение имеют возможности настройки правил и планирования перемещения данных. Перемещение LUN не должно влиять на функционирование приложений. Если продукт DST работает с небольшими блоками данных, необходима автоматизация. Когда перенос происходит на уровне томов или LUN, процесс миграции должен оставаться контролируемым.

По словам Александра Грубина, многие крупные заказчики уже начали присматриваться к технологиям многоуровневого хранения, есть примеры внедрения. В системе HP X9000 эта технология (Data Tiering) реализована на файловом уровне и позволяет прозрачно для пользователей перемещать файлы между быстрыми и медленными носителями по заданным правилам, а в продуктах HP P9500 многоуровневое хранение (Smart Tiers) реализовано уже на блочном уровне -- для таких приложений, как базы данных или системы электронной почты. Системы хранения компании 3PAR, не так давно вошедшей в состав HP, тоже поддерживают эту концепцию автоматической миграции данных не только между уровнями хранения, но и между уровнями RAID без остановки приложений; тем самым оптимизируются скорость и надежность. В начале следующего года технологии Dynamic Optimization и Adaptive Optimization станут доступны российским заказчикам. По существу, новые аппаратные платформы HP StorageWorks, моделей X9000 и/или P9500 -- уже готовое решение, реализующее концепцию многоуровневого хранения. Заказчику не нужно тратить время и ресурсы, чтобы интегрировать ПО DST с обычными массивами.

Миграция данных между уровнями хранения рассматривается сегодня как одно из наиболее перспективных применений SSD и считается основным драйвером увеличения их продаж. Однако Алексей Иванов называет ярусное хранение вариантом нишевого использования SSD, подчеркивая, что эффективность таких схем зависит от их реализации.

По словам Вячеслава Фонарева, системы с миграцией данных были известны задолго до появления SSD и обычно ассоциируются с большими объемами данных, сильно различающихся по активности работы с ними. Вряд ли эти решения повлияют на продажи SSD. Кроме того, система выявления активных данных не должна привносить больших накладных расходов и приводить к задержкам в получении данных

Как отмечает Александр Грубин, накопители SSD являются хорошей основой для построения систем многоуровневого хранения: применение таких технологий позволяет в полной мере реализовать концепцию «облачного» хранения данных, когда виртуализация внутри СХД не только дает возможность создавать общие пулы ресурсов, но еще и обладает интеллектуальным потенциалом для эффективного их использования.

Некоторые вендоры уже пытаются в полной мере задействовать концепцию «облаков» в своих продуктах DST. Например, недавно созданные компании Cirtas Systems и Nasuni выпускают шлюзы «облачного» хранения с функциями DST. Шлюз Nasuni Filer работает в среде VMware ESX и поддерживает виртуализированную файловую систему, в которой некоторые данные находятся в корпоративных системах заказчика, а остальные выводятся в «облако». Устройство Cirtas Bluejet Cloud Storage Controller работает на уровне блоков, имеет локальную систему хранения для активных блоков, а неактивные автоматически помещаются в «облако». Такой подход может быть привлекательным в том случае, когда объемы данных быстро растут и в то же время лишь небольшая их часть действительно востребована. В ближайшие пять лет твердотельные накопители окажут глубокое влияние на архитектуру систем хранения.

Реализация SSD в Windows 7

Windows 7 стала первой операционной системой Microsoft, разработанной с учетом возможностей твердотельных накопителей.

Современные ОС не лучшим образом используют преимущества SSD. Однако Windows 7 стал первым детищем Microsoft, оптимизированным под твердотельные накопители. Подобное заявление порадовало не только потребителей, но и производителей флэш-накопителей, так как в связи с выходом Windows стало повышение спроса на NAND память и SSD на ее основе.

Одно из самых первых впечатлений от Windows 7, что замечают практически все пользователи и профессионалы - это непринужденность, которая ощущается в новой ОС. Она быстрее загружается (относительно Windows Vista), не гремит винчестером после полной загрузки системы и дает возможность сразу, без отрицательного дискомфорта приступить к работе. Все пользователи, - от тех, кто работает на маломощных нетбуках, до владельцев серьезных рабочих станций, разом и в одночасье получили преимущества от использования новых технологических алгоритмов Microsoft.

Одним из наиболее ярких и мощных гигантов компьютерной индустрии, аппаратно поддерживающих технологию SSD на базе Ос Windows 7, является ASUSTeK Computer Inc. Буквально одновременно с выходом упомянутой операционной системы, ASUS выпускает ультратонкий ноутбук с поддержкой SSD в составе Windows 7. Это был нетбук S121 c SSD-диском объемом 512Гб, самым большим представителем SSD-диска на тот момент времени. Вслед за ним ASUS LAMBORGHINI VX5 - первый в мире ноутбук с SSD на 1ТБ. Как и в его культовом автомобильном "собрате", в ноутбуке VX5 реализованы новые технологии, обеспечивающие впечатляющую производительность.

Сегодня уже и такая "экстремальная" реализация практически становится нормой. Но ASUS и здесь не собирается терять лидирующие позиции. Для этого гиганта выпуск моделей типа ноутбука ASUS U30Jc-A1 далеко не становится пределом возможностей.

Общая стоимость составляет примерно $1300, при этом добавление SSD обошлось приблизительно в 33% изначальной цены. Если задаться вопросом: имеет ли смысл тратиться на такое недешёвое устройство, как твердотельный накопитель, в случае со средним ноутбуком, если заведомо известно, что общая производительность и зависящие от CPU/GPU задачи никакого ускорения не получат? По опыту общения с SSD можно с уверенностью утверждать, что даже в таком случае NAND-накопитель окажется крайне полезным.

Надо отметить, что SSD увеличивает и без того хорошую общесистемную производительность минимум на 25% даже в простых задачах, таких как установка программ в Windows 7. Теперь в несколько раз меньше времени требуется на запуск нескольких, или даже банально одного сложного приложения. Желательно понимать, что такой сценарий развития событий типичен для любой рабочей системы с типовым набором ПО. Но, как только, к примеру, заработают запускающиеся в фоновом режиме файрвола и антивирус, драйверы принтера и что-нибудь еще, - даже при простом открытии одного окна "проводника" система будет выполнять больше действий, чем может показаться. Не в последнюю очередь именно из-за этих незаметных операций SSD существенно вырывается вперед по отношению к устаревающим HDD. ?И в других, не менее убедительных позициях, также отмечалась уверенная победа SSD. Одновременный запуск нескольких приложений, часто обращающихся к дисковой подсистеме, может стать настоящим кошмаром для классических механических дисков, тогда как на системах с SSD потеря производительности вряд ли вообще будет заметна. Причем, речь не идет о каких-то малопонятных, искусственных тестах производительности. Достаточно запустить в реальном времени антивирус на проверку файлов в сочетании с системой безопасности "файервола" (например, разработки Comodo, McAfee, Norton или AVG), киллера троянов, шпионов или других "агентов межнациональных разведок"(Ad-Aware, Spybot Search and Destroy, Malwarebytes Anti-Malware) и все становится на свои места. При этом, даже самый мощный ПК, укомплектованный простым HDD, трансформируется в неработоспособную машину в процессе и до завершения выполнения всех задач. Чего явно не скажешь о системах.

Заключение

полупроводниковый накопитель ssd

В ряде случаев применение энергонезависимых полупроводниковых накопителей SSD позволяет оптимизировать затраты на хранение данных. По мнению экспертов, уже в ближайшие пару лет эти устройства вытеснят некоторые виды традиционных жестких дисков. Стоит отметить, что SSD с оптимизированным энергопотреблением более эффективны по сравнению с HDD по энергопотреблению. SSD которые были разработаны для максимальной производительности, действительно выполняют это обещание, но энергопотребление в этом случае возрастает и может превышать аналогичный параметр экономичных HDD при равной скорости.

У полупроводниковых накопителей есть много плюсов и преимуществ (отсутствие движущихся частей, низкая потребляемая мощность, высокая механическая стойкость, малый размер и веси т.д.), но также преобладают и недостатки, такие как: ограниченное количество циклов перезаписи, высокая цена за 1 ГБ (от 2 долларов, при примерно 8 центах для жёстких дисков, за гигабайт).

Эксперты прогнозируют два сценария развития событий для технологии SSD. Согласно первому, SSD останутся нишевым решением, и даже в 2016 году их продажи будут составлять немногим более 20% мировых продаж высокопроизводительных HDD. По второму сценарию, который считается более вероятным, через пять лет они полностью вытеснят быстрые (10/15 тыс. об/мин) дисковые накопители при уровне продаж 27 млн устройств в год. Этому уже поспособствовал тот факт, что Windows 7 стала первой операционной системой Microsoft, оптимизированной под твердотельные накопители, и в связи с этим повысился спрос на NAND память и SSD на ее основе.

Размещено на Allbest.ru