SSD? Особенности современных SSD: контроллеры и прошивки
SSD, КАКОВ ОН ЕСТЬ Для тех, кто «в танке» и не понимают, что это такое Твердотéльный накопитель (англ. solid-state drive, SSD) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Наиболее распространенный вид твердотельных накопителей использует для хранения информации флешпамять типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создается на базе DRAM-памяти, снабженной дополнительным источником питания аккумулятором
АРХИТЕКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ NAND SSD – Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой стоимостью (от 1 доллара США за гигабайт в те времена, когда курс доллара еще не баловался) начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям - жёстким дискам - в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью поиска информации (начального позиционирования). С 2012 года уже выпускаются твердотельные накопители со скоростью чтения и записи, во много раз превосходящие возможности жёстких дисков. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.
АРХИТЕКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ RAM SSD - Эти накопители построены на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера) наподобие RAM drive, и характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость. 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 накопителей является I-RAM. Пользователи, обладающие достаточным объёмом оперативной памяти, могут организовать виртуальную машину и расположить её жёсткий диск в ОЗУ и оценить производительность.
В ЧЕМ СУТЬ? ДОСТОИНСТВА SSD Отсутствие движущихся частей, отсюда: Полное отсутствие шума ( 0 д. Б); Высокая механическая стойкость (кратковременно выдерживают порядка 1500 g); Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации; более того, блоки, идущие подряд с точки зрения операционной системы, из-за выравнивания износа (wear leveling) будут расположены в случайном порядке. Скорость чтения/записи выше, чем у распространенных жёстких дисков, и близка к пропускной способности интерфейсов (SAS/SATA II 300 МБайт/с, SAS/SATA III 600 МБайт/с). Для твердотельных накопителей были разработаны более быстрые интерфейсы: m. SATA, NGFF (M. 2), SATA Express, NVM Express (стандарт на подключение SSD по шинам PCI Express) Количество случайных операций ввода-вывода в секунду (IOPS) у SSD на несколько порядков выше, чем у жёстких дисков. Низкое энергопотребление Широкий диапазон рабочих температур; Намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям; Малые габариты и вес.
В ЧЕМ СУТЬ? НЕДОСТАТКИ SSD Главный недостаток NAND SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 3000— 10000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — около 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» . При выработке ресурса накопитель перейдет в режим «только для чтения» , что позволит скопировать данные. Данный недостаток отсутствует у RAM SSD, а также у нескольких перспективных технологий, которые к концу 2010 -х могут заменить флеш-память, например, FRAM, где ресурс может составлять десятки лет в режиме непрерывной перезаписи. Цена гигабайта SSD-накопителей в несколько раз (6 -7 для наиболее дешевой флеш-памяти) выше цены гигабайта HDD (по состоянию на октябрь 2014 — 35 центов за гигабайт). К тому же стоимость SSD прямо пропорциональна их ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит не только от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя. Применение в SSD-накопителях команды TRIM может сильно осложнить или сделать невозможным восстановление удалённой информации recovery -утилитами. Невозможность восстановить информацию при перепаде напряжения. Так контроллер и носитель информации в SSD находятся на одной плате, то при превышении или перепаде напряжения чаще всего сгорает весь SSD -носитель с безвозвратной потерей информации. Напротив, в жёстких дисках чаще сгорает только плата контроллера, что делает возможным восстановление информации с приемлемой трудоёмкостью.
ХОТИТЕ ИСТОРИИ? История развития 1978 год — американская компания Storage. Tek 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, объёмом 8, 16 или 32 миллиона 64 разрядных слов. 1995 год — израильская компания M-Systes представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти. 2007 год — Компания ASUS выпустила нетбук EEE PC 701 с SSD-накопителем объёмом 4 ГБ. 2008 год — Южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSDнакопитель со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с, который она продемонстрировала на выставке в Сеуле. Объём данного накопителя — 128 ГБ. В настоящее время наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают SSDнаправление в своей деятельности, можно назвать Intel, Kingston, Samsung Electronics, San. Disk, Corsair, Renice, OCZ Technology, Crucial и ADATA. Кроме того, свой интерес к этому рынку демонстрирует Toshiba. В 2013 году на рынке были представлены SSD-накопители с объёмами 64, 80, 120, 256, 512 гигабайт, отдельные модели имеют ёмкость 0. 7, 0. 8, 1, 1. 6 терабайт. Основными интерфейсами подключения стали SATA III (до 600 МБ/с), набирали популярность интерфейсы на базе PCI Express (до 0. 5, 1 или 2 ГБ/с для PCIe Gen. 2, 1 -4 ГБ/с для PCIe Gen. 3). Компактные накопители для ноутбуков начали переход от m. SATA на NGFF(M. 2). За 2012 год поставки SSD составили около 34 миллионов устройств, основные рынки: потребительский, серверный, индустриальные применения. Цены на 128 ГБ SSD в 2013 году находились в пределах 70— 85 долларов США.
А КАК ОН ВЫГЛЯДИТ? Как оговаривалось раннее, SSDгораздо проще устроен, по сравнению с HDD. Идеальный пример, – полностью разобранные на комплектующие детали, накопители.
ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ SSD: КОНТРОЛЛЕРЫ И ПРОШИВКИ Твердотельные накопители стали широко доступны потребителям совсем недавно, но уже завоевали свое место под Солнцем. И именно их стремительным развитием обусловлены некоторые особенности SSD. К примеру, жесткими дисками мы пользуемся уже несколько десятилетий, технологии их производства отточены до совершенства, достигнута определенная оптимизация во взаимодействии с операционными системами, а на случай возникновения внештатных ситуаций продуманы варианты решений. Например, если винчестер сломается или вы случайно удалите важный файл, то восстановить его не составит труда. С SSD все намного сложнее. Производители обещают колоссальные скорости работы и заманивают многолетней гарантией, однако реалии не столь радужные, т. к. большинство SSD страдает эффектом деградации, когда при заполнении скорость случайного доступа может снизиться в разы, а выходы из строя, как оказывается, является не такими уж редкими. Более того, многие моменты, например, особенности взаимодействия с операционной системой или тот же ресурс, оказываются совершенно неизученными. По большому счету выводы можно делать исходя лишь из эмпирических изысканий, т. е. , проще говоря, очень неточно. Естественно, наряду с минусами есть и неоспоримые преимущества. В общих чертах SSD абсолютно не греются, не шумят, не имеют подвижных механических частей, а скорость выполнения определенных операций может быть в 10 -20 раз выше по сравнению с винчестерами. В то же время конструкция SSD довольно проста: любой такой накопитель состоит из контроллера и чипов памяти. И именно о контроллерах мы поговорим сегодня.
С точки зрения конструкции сделать SSD намного проще, чем классический HDD: это под силу практически любой компании Начать хочется с того, что SSD сегодня делают многие компании. Почему? Все просто. Если для производства винчестеров необходимо иметь огромные заводы и обкатанные технологи, то с твердотельными накопителями ситуация намного проще. Достаточно купить микросхемы памяти, разработать свой или приобрести по лицензионным соглашениям контроллер, распаять все это на плате – и готово. Осталось наклеить свои логотипы. И именно поэтому все контроллеры можно разделить на два класса: собственной разработки и лицензионные, т. е. OEM. Однако собрать SSD все же не так просто, как сложить конструктор Lego. Требуются определенные наработки и финансовые вложения, и именно это объясняет тот факт, что брендовые накопители, как правило, намного лучше изделий малоизвестных компаний.
На OEM-рынке сегодня господствуют две компании – Sand. Force и Marvell. Причем особый успех получили именно контроллеры Sand. Force, т. к. производитель предоставляет, фактически, готовое решение, которое можно даже не дорабатывать. То есть функции отдельного взятого R&D-отдела вообще могут быть сведены лишь к прорисовке платы и дизайну корпуса. И действительно, если отфильтровать все твердотельные накопители по тегу SF-2281, то их окажется чуть ли не половина. Надо отдать должное Sand. Force SF-2281, т. к. в случае использования быстрой синхронной памяти мы реально получаем очень хорошее быстродействие. Однако есть у решения и слабые стороны: очень часто накопители на базе Sand. Force по независящим от прошивки причинам могут посредственно отрабатывать фоновую сборку мусора и даже TRIM.
Sand. Force SF-2281 – любимый контроллер многих производителей, которые даже могут не писать для него свою прошивку Контроллеры Marvell не получили широкого распространения по одной простой причине: от компании, желающей выпускать SSD под своей маркой, требуется больше усилий и вложений — как минимум для создания подходящей прошивки. Однако в ряде случаев результат получается действительно хорошим. К примеру, можно рассмотреть реализацию SSD Plextor M 5 Pro на флагманском контроллере Marvell 88 SS 9187. Устройство получилось не просто быстрым, но умеющим сохранять свою скорость даже при заполнении всего объема за счет фоновой сборки мусора, не говоря уже про безукоризненную отработку TRIM. Фактически получается так, что если вы видите твердотельный накопитель на контроллере Marvell, то это недвусмысленно намекает на потенциал компании, сделавшей этот SSD.
Indilinx Контроллеры Indilinx активно применяются компанией OCZ (ныне купленной Toshiba). Несмотря на тот факт, что производитель является одним из ведущих игроков на рынке, долгое время своих разработок у него не было. А сами чипы Indilinx первоначально были лишь слегка доработанными копиями Marvell. К примеру, знаковый Indilinx Everest 2, используемый в OCZ Vertex 4, аппаратно полностью повторял Marvell 88 SS 9187. Кстати, здесь же всплыли и “фирменные” особенности с прошивками. Первые Vertex 4 можно было считать весьма сырыми и неоднозначными. А этапы развития целесообразно разбить так: прошивка до версии 1. 4, версия 1. 5. Даже если опустить множество нюансов, которые обычный пользователь не заметит, то чего только стоит тот факт, что заявленная скорость записи “старых” накопителей объемом 128 GB составляет 200 MB/s, а новых с прошивкой 1. 5 – 430 MB/s.
Indilinx Barefoot 3 оказался достаточно интересным контроллером, но после Indilinx Everest 2 ждать чего-то провального было бы наивно Однако новый чип Indilinx Barefoot 3 был полностью создан силами OCZ. И здесь можно отметить хорошо организованную фоновую сборку мусора, когда накопитель собственными силами может восстанавливать начальную производительность даже без подачи команды TRIM.
Samsung изначально имела очень серьезные позиции в области выпуска контроллеров для собственных SSD, т. к. она сама по себе является флагманом полупроводникового рынка. И надо сказать, это не просто громкие слова. На сегодняшний день накопители, построенные на контроллерах MDX и MEX, обеспечивают практические самое высокое быстродействие. При этом есть и дополнительные плюсы, например, аппаратная поддержка шифрования AES-256, которую можно включить в современных операционных системах. Надо отметить, что чипы не обеспечивают агрессивной фоновой сборки мусора, из-за чего ощутимо проседает скорость, но команду TRIM отрабатывают хорошо. Кстати, последние SSD этой компании выглядят нестандартно в плане используемой памяти. К примеру, в Samsung 840 EVO распаяны чипы TLC с ресурсом 1000 циклов, но об этом мы расскажем во второй части нашего материала.
Я ОТЫГРАЮСЬ ХОТЬ ЧУТЬ-ЧУТЬ
Порой хорошие новости приходят оттуда, откуда их совсем не ждешь LAMD - Малоизвестными являются контроллеры LAMD компании Link A Media Devices, поглощенной Hynix четыре года назад. Однако LAMD LM 87800 “выстрелил” достаточно эффектно, т. к. сразу несколько накопителей на его основе оказались в топе. Речь идет о Corsair Neutron GTX и Seagate 600/600 Pro. Микросхемы получились неожиданно хорошими при отработке глубоких очередей даже в условиях использования средней памяти. Иными словами, имеется ощутимый серверный задел. Ну а на домашних системах отлично сказывается неплохая фоновая сборка мусора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выбор хорошего SSD оказывается куда более сложной задачей, чем это кажется на первый взгляд. К примеру, раскрученный Sand. Force SF-2281 хорош только при использовании «правильной» прошивки. Marvell 88 SS 9187 дает отличный результат, но требует дополнительных средств на подготовку SSD к выпуску. Samsung развивается очень динамично, а Intel, наоборот, пассивно. В то же время малоизвестный LAMD LM 87800 оказывается неожиданно технологичным… Однако в последнее время рынок все больше смещается в иную плоскость – снижения цены. А здесь определяющую роль играет память, и именно ей будет посвящена наша следующая статья о твердотельных накопителях.
Стоимость 1 Гб для продаваемых в данный момент SSD дисков 29341. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 1 Тб 28. 65 руб/Гб 104000. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 800 Гб 130. 00 руб/Гб 26387. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 512 Гб 51. 54 руб/Гб 18800. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 500 Гб 37. 60 руб/Гб 23298. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 480 Гб 48. 54 руб/Гб 52504. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 400 Гб 131. 26 руб/Гб 18263. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 360 Гб 50. 73 руб/Гб 9266. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 256 Гб 36. 20 руб/Гб 10407. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 250 Гб 41. 63 руб/Гб 12153. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 240 Гб 50. 64 руб/Гб 29005. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 200 Гб 145. 03 руб/Гб 10004. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 180 Гб 55. 58 руб/Гб 6513. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 128 Гб 50. 88 руб/Гб 8460. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 120 Гб 70. 50 руб/Гб 13831. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 100 Гб 138. 31 руб/Гб 6110. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 80 Гб 76. 38 руб/Гб 3693. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 64 Гб 57. 70 руб/Гб 4499. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 60 Гб 74. 98 руб/Гб 2686. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 32 Гб 83. 94 руб/Гб 2995. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 30 Гб 99. 83 руб/Гб 2176. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 16 Гб 136. 00 руб/Гб 1504. 00 руб. SSD SATA II/SATA 6 Gb/s, 8 Гб 188. 00 руб/Гб
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! Ответственные за этот балаган: Кишов Михаил и Нанава Артур
Скачать презентацию SSD Особенности современных SSD контроллеры и прошивки
SSD.pptx