Поделиться
SSD-диски: основные преимущества и нюансы
SSD или solid-state drive накопители известны на рынке довольно давно, однако лишь в последние несколько лет развитие технологий достигло такого уровня, что применение дисков этого типа стало повсеместным. В чем же преимущество SSD пред HDD и какие технологии доступны на данный момент?
Дисковая подсистема являясь важнейшей составляющей любой вычислительной платформы, долгое время отставала от общих темпов прогресса в компьютерной отрасли. В то время как скорости работы процессоров и оперативной памяти стремительно росли, дисковые накопители увеличивали, главным образом, емкость. При этом по мере роста объема, скорость доступа к данным в постоянной памяти становилась все более «узким» местом. Механические решения, используемые в традиционных магнитных дисках (HDD), подошли к пределу своих возможностей. Но, когда на мировом рынке появились доступные диски SSD (или как их еще называют «твердотельные накопители» или «флэш-накопители»), это привело к существенному скачку развития в области обработки и хранения данных. Сразу заметим, что слово «диск» в данном случае используется в фигуральном смысле, по аналогии с магнитным диском, где действительно имеются круглые пластины для записи данных. В SSD же применяются модули памяти прямоугольной формы.
Что же примечательного в SSD и чем эта технология превосходит традиционные магнитные накопители (спойлер: практически всем).
Как устроен SSD — SLC, MLC и другие технологии
Но, вначале, давайте немного разберемся в основных понятиях — что такое SSD-накопитель, как он устроен и в чем отличие его ключевых технологий (SLC, TLC, MLC, eMLC). Основными составляющими элементами твердотельного диска являются модули флэш-памяти — в современных моделях накопителей наиболее распространена память типа NAND или 3D NAND. За управление процессом записи/чтения, а также за общее взаимодействие с вычислительной системой отвечает специальный контроллер (микросхема с установленным программным обеспечением — «прошивкой»), который также имеется на диске.
Модули флеш-памяти являются тем, что определяет характеристики диска в первую очередь. В общих чертах NAND состоит из огромного числа ячеек, каждая из которых может хранить информацию. В основе ячеек памяти лежат управляемые транзисторы с плавающим затвором, которые контролируются путем подачи на них электрического заряда — за счет этого обеспечивается запись или удаление данных.
При этом в каждой ячейке может быть записано от 1 до 4 бит информации, в зависимости от используемой технологии. Так, если соотношение 1 к 1, то речь идет о SLC (Single Level Cell). Технология MLC (Multi Level Cell) позволяет хранить в ячейке 2 или 3 бита. В последнем случае речь идет о TLC (Triple Level Cell) которая суть — разновидность MLC. Недавно на рынок вышла память QLC (quad Level Cell), допускающая хранение 4 бит на ячейку. Отметим, что в корпоративных системах хранения обычно используют SLC, остальные разновидности накопителей относятся к разряду пользовательских. В то же время, память типа SLC обладая высочайшей скоростью и надежностью, оказывается самой дорогой в производстве и обладает наименьшей емкостью.
Компромиссным вариантом является технология eMLC (enterprise MLC) которая некоторым образом совмещает емкость MLC с надежностью и скоростью SLC, хотя, в прямом сравнении она проигрывает каждому «чистому» типу накопителей, по основным характеристикам.
Для наглядности возьмем такой важный показатель SSD-диска как количество циклов чтения/записи. В среднем для ячейки SLC-накопителя он составляет примерно 100 тыс., для eMLC — 20-30 тыс., а в случае любых вариантов MLC — около 10 тыс.
В какой-то момент технология NAND уперлась в технологический предел производственного процесса — создавать ячейки размером менее 14 нм оказалось проблематично. Из положения вышли путем создания многослойных модулей памяти, где ячейки расположены в несколько (до 96) уровней. Такие накопители получили название 3D NAND. Отметим также, что в 2015 году компания Intel представила технологию флеш-памяти 3D XPoint, но она пока что не получила широкого распространения — первые коммерческие образцы поступили на рынок в 2017-м.
Еще одной важной характеристикой твердотельного накопителя является тип интерфейса, определяющий способ его взаимодействия с вычислительной системой. Сегодня используются два типа подключения — SATA (или SAS) SSD и NVMe SSD. Первый более медленный и подразумевает подключение накопителя кабелем по интерфейсу SATA (как и магнитный жесткий диск), в свою очередь, модули NVMe Используют подключение через (сам слот может быть различным) PCI Express, что, как правило, обеспечивает существенно более высокую скорость чтения/записи.
SSD или HDD, что лучше?
Начнем с производительности. Даже самый лучший магнитный накопитель не способен сегодня обеспечить более 200IOPS (операций ввода/вывода в секунду) и это речь идет о лучших моделях, для большинства современных устройств эта величина, как правило, составляет около 100 IOPS на диск. В то же время, SSD обеспечивает в среднем 10 тыс. IOPS. Этот показатель крайне важен в случае работы корпоративных приложений и баз данных, использующих большое количество запросов. Скажем, один из мировой рекордсмен производительности среди серийных систем хранения данных — Huawei Dorado18000, благодаря SSD выдает 7 млн IOPS, что недоступно ни одной, оснащенной магнитными накопителями СХД.
К тому же HDD обеспечивает скорость чтения на уровне 100 Мбит/с, записи — 50-70 Мбит/с, а SSD выдает более 500 Мбит/с по обоим показателям. Важен и показатель задержки между передачей отдельных пакетов данных, он составляет более 3 миллисекунд для магнитных дисков и 0,1 мс для SSD — разница более чем в тридцать раз. Надежность также существенно отличается не в пользу HDD. По естественным причинам, основная из которых — наличие в конструкции большого количества подвижных частей, магнитные диски очень чувствительны к механическому у воздействию и особенно вибрации. Как следствие, при интенсивной эксплуатации, скажем, в условиях ЦОДа всего за год из строя выходят 1-5% жестких дисков (в запущенных случаях — до 10%). Средний показатель отказа для SSD — менее 0,5% в год.
Чтобы не быть голословными обратимся за конкретными примерами к лидерам отрасли. Как сообщает компания Google — анализ использования 10 типов SSD за более чем 6 лет показал, средняя частота отказа SSD составляет только 1/3 от частоты отказов HDD. В то же время, по заявлению Huawei, частота возвратов SSD по гарантии составляет менее 0,5%, что в пять раз лучше, чем в случае HDD. Не стоит забывать и про энергопотребление — у SSD-дисков этот параметр, в среднем, на 70% ниже, чем у традиционных жестких дисков.
Потребительский или корпоративный?
Накопители класса SSD сегодня используются повсеместно, в то же время модели, предназначенные для домашнего/офисного и корпоративного применения, существенно различаются (впрочем, такая же ситуация характерна и для магнитных жестких дисков). В чем основные отличия? Начнем с того, что «твердотельный диск» корпоративного класса, в общем случае, обладает более высокой производительностью, что обеспечивается за счет многоканальной архитектуры. Благодаря тому, что обмен данными между контроллером диска и модулями памяти осуществляется по параллельному принципу, одновременно несколько пользователей могут получить доступ к одним и тем же данным (что важно, например, для совместной работы). Добавим к этому, что корпоративные накопители специально разработаны для работы в условиях постоянной пиковой нагрузки, в то время, как пользовательский диск может функционировать на пределе лишь очень короткий период времени. К примеру, хороший накопитель корпоративного класса способен активно функционировать круглые сутки (27х7) при собственной температуре до 55° C, в то время как для «офисных» моделей оптимальным режимом является схема 20/80 (20% времени работы и 80% «отдыха») при температуре не выше 40° C.
Корпоративные SSD существенно более надежные и к тому же рассчитаны на гораздо более длительный срок службы. Так, согласно международным нормам, например, JESD218A, требования по количеству невосстанавливаемых битовых ошибок (UBER) для накопителей корпоративного класса на порядок более жесткие, чем в случае пользовательских устройств. В корпоративных моделях, как правило, есть встроенные механизмы коррекции ошибок (ECC), в ряде случаев может быть реализована защита от сбоев питания.
В завершение отметим, что долгое время существенным препятствием на пути развития рынка SSD оставалась высокая стоимость накопителей. Но в последние десять лет она неуклонно снижается. Поэтому не вызовет удивления тот факт, что в 2017 году по данным IDC, мировой объем продаж SDD впервые был больше, чем HDD — $24,9 и 24 млрд, соответственно. Более того, год от года разрыв увеличивается, а производители традиционных накопителей, включая лидеров — Western Digital и Seagate — все больше внимания уделяют выпуску «твердотельных» моделей. Но, здесь важно отметить, что магнитные диски никуда не уходят — они продолжают развиваться, более того, комплексные корпоративные СХД, зачастую не обходятся без HDD, просто ниша применения накопителей этого типа постепенно сокращается.
Короткая ссылка
