2015/05/12 20:10:56

Твердотельный накопитель
SSD
Solid-state drive

Компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Не содержит движущихся механических частей.

Содержание

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

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 жёстких дисков компании Seagate.

Твердотельные накопители приобретают всё большую популярность в отрасли мониторинга и обеспечения безопасности. Функции видеонаблюдения - распознавание лица, аналитика данных, решения для "умного города" и т.д., - требуют оперативной обработки больших объёмов данных. Представьте себе, к примеру, оживлённый перекрёсток, движение на котором подчинено не контролируемым по времени сигналам, а изменяется динамически в зависимости от интенсивности трафика. Камеры отслеживают фазы спада и наплыва автомобилей и пешеходов, одновременно рассчитывая самые эффективные параметры транспортного потока. Данная задача требует больших вычислительных мощностей, и даже мельчайшее их увеличение приводит к значительной экономии общественных средств. Подобные функции современных систем видеонаблюдения и дают более высокопроизводительным SSD-накопителям преимущества перед традиционными жёсткими дисками (HDD).

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

История развития

Хронология событий

2020: Материал на основе графена позволит продлить срок службы устройств хранения данных

27 января 2020 года стало известно о том, что международная группа ученых НИТУ «МИСиС» и Национального института квантовых наук и радиологии (Япония) разработали материал, который позволит существенно увеличить плотность записываемой информации в устройствах хранения данных, таких как твердотельные диски и флеш-накопители. Подробнее здесь.

2009: Выпущены SSD объёмом 512 гигабайт и 1 терабайт

В 2009 году компания Super Talent Technology выпустила SSD объёмом 512 гигабайт, OCZ представляет SSD объёмом 1 терабайт. В настоящее время наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают SSD-направление в своей деятельности, можно назвать Intel, Kingston, Samsung Electronics (Самсунг Электроникс Рус), SanDisk, Corsair, Renice, OCZ Technology, Crucial и ADATA. Кроме того, свой интерес к этому рынку демонстрирует Toshiba.

2008: Создан SSD-накопитель со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с

В 2008 году 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.

1995: Первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти

В 1995 году израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти.

1982: Представлен полупроводниковый накопитель на RAM-памяти

В 1982 году 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.

1978: Разработан первый полупроводниковый накопитель современного типа

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

От дисков к SSD

Первые диски, в таком конструктиве, который стал прототипом для современных накопителей, создала шотландская компания Rodime, она выбрала в качестве образца формат популярных тогда 3,5 флоппи-дисков. Выпущенные ею в 1983 году модели RO351 и RO352 имели емкость 6,38 и 12,75 Мб соответственно. По тем временам этот не так мало, оригинальные PC XT комплектовались 5-дюймовыми дисками 5–10 Мб, заметно большими по размеру. В дальнейшем прогресс в области ферримагнитных материалов, способов записи и приводов позволили за 25 лет увеличить емкость дисков в миллион раз. Эволюция механики дисков, материалов и способов записи заслуживает специального рассмотрения.

Однако, как бы ни были высоки показатели емкости и соотношения емкость/цена у самых совершенных HDD, при них остаются их врожденные недостатки – большая задержка как неизбежное следствие механики и последовательные операции чтения и записи, неизбежные при перемещении головки над дорожкой.

Против ожиданий процесс создания быстродействующей электронной твердотельной постоянной памяти (Solid State Device, SSD) проходил медленно: потребовалось более четверти века экспериментов, чтобы лишь в конце 1990-х на рынке появились первые накопители NVM (Non-Volatile Memory). Успешнее других оказались эксперименты с технологией NAND, которую стали называть «флэш». С начала 2000-х она прочно вошла на рынок гаджетов, но только в 2013 году проникла и в корпоративные системы.

Длительность процедуры внедрения NVM обусловлена не столько техническими проблемами, сколько тем обстоятельством, что изначально все современные корпоративные информационные системы создавались именно в расчете на HDD, поэтому сдерживающим фактором стала инерционная масса существующей инсталляционной базы.

Флэш-память является частью более широкой совокупности возможных решений для создания NVM, или «памяти класса хранилища» (Storage-Class Memory, SCM). Помимо флэш-памяти, в эту категорию технологий попадают еще более десятка альтернативных физических методов, среди которых преимущество пока имеют следующие пять: мемристоры (Resistive Random Access Memory, ReRAM); магниторезистивная память с произвольным доступом (Magneto-resistive Random-Access Memory, MRAM); память с изменением фазового состояния (Phase-change memory, PCM); память на доменной стене (Domain-Wall Memory, DWM) и атомная память (Atomic memory). Кроме них, известны еще энергонезависимая статическая память с произвольным доступом (nvSRAM); сегнетоэлектрическая оперативная память (Ferroelectric RAM, FeRAM или FRAM); память на основе механического позиционирования углеродных нанотрубок (Nano-RAM). Из всего этого множества наиболее близки к практическому внедрению ReRAM и PCM.

Область внедрения SCM лежит между памятью и дисками, а поскольку производительность и стоимость технологий, потенциально пригодных для создания SCM, варьируются, то среди решений могут быть более быстрые, близкие по производительности к памяти, и более медленные, сравнимые по производительности с дисками. Сопоставимая по скорости с DRAM память на мемристорах или PCM позволит напрямую подключить к процессору большой объем памяти.

Из нескольких путей самый радикальный и логически простой предполагает подключение карт Solid State Card (SSC) в форм-факторе PCIe по интерфейсу NVMe непосредственно к серверам, хотя это самый логичный и высокоскоростной способ, но он пока применим для ограниченного числа новых приложений. Поэтому широкое распространение получают твердотельные накопители Solid State Drive с той же аббревиатурой SSD, выпускаемые в тех же форм-факторах, что и HDD — 5,25, 3,5, 2,5 и 1,8 дюйма, эмулирующие HDD.

Прямая замена HDD на SDD в существующих СХД вполне допустима, однако она не позволяет в полной мере реализовать потенциал флэш, поэтому остается несколько вариантов создания новых СХД. На данный же момент по экономическим соображениям в количественном отношении будут преобладать гибридные СХД, сочетающие в себе лучшие качества обоих видов накопителей: и HDD, и SDD – их производство растет со скоростью 8–10% в год.

Параллельно, по мере снижения цены флэш-памяти, все большую массовость приобретают массивы All-Flash Arrays (AFA), построенные исключительно на SDD. Этот сегмент рынка пока меньше гибридного, но растет в несколько раз быстрее. И здесь тоже есть свои варианты. Ряд компаний, главным образом стартапы, создают принципиально новые решения класса AFA с нуля (built from the ground up). Те же крупные вендоры, чьи проверенные временем массивы сохраняют потенциал для модернизации, доводят свои существующие продукты путем модернизации ПО и железа до уровня AFA. Они создают системы, которые называют оптимизированными под SDD (flash optimizing storage systems). Можно привести в качестве примера HP с 3PAR StoreServ.

Преимущество массивов AFA, относящихся к категории built from the ground up, по сравнению с optimizing storage systems состоит в том, что их заново написанные операционные системы лучше используют физические возможности флэш, это очевидно и не вызывает возражений. Но не менее очевидно и другое обстоятельство: из-за короткого периода существования built from the ground up им не хватает возможностей тех системных средств для управления данными корпоративного уровня (advanced data management features), которые были разработаны за десятилетия для HDD. Вот почему серьезные унаследованные приложения используют эти наработки, без них преимущества в скорости SDD сводится к нулю. Из сказанного следует, что нельзя в лоб сравнивать описанные выше два типа систем, на данный момент у каждого из них есть свои преимущества и перед пользователем стоит проблема выбора той СХД, которая точнее соответствует его требованиям. Для тех, кому важна в чистом виде скорость работы, больше подходят built from the ground up, если же критичны еще и требования корпоративного уровня, то предпочтительнее optimizing storage systems, сочетающие зрелые программные платформы с высокой надежностью и стабильностью, с более высокой, свойственной AFA скоростью работы.

HDD своих позиций не уступают, в прошлом году компания Western Digital представила HDD объемом 14 Тб по технологии черепичной магнитной записи и гермозоны с гелием, а на подходе технология микроволновой магнитной записи (MAMR), в 2022 году та же WD планирует выпустит диск емкостью 40 Тб, у которого удельная стоимость хранения будет на порядок ниже, чем у SSD.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.

Мировой рынок

Основная статья: SSD - Твердотельные накопители (мировой рынок)

Технический прогресс, изменения динамики развития ПК индустрии, выход новых моделей промышленных серверов и новых архитектур систем хранения, а также краткосрочный кризис на рынке жестких дисков позволят рынку твердотельных накопителей (solid state storage, SSD) существенно прибавить в объеме в период с 2011 по 2015 год.

Российский рынок

Основная статья: SSD - Твердотельные накопители (рынок России)

Архитектура и принцип работы

NAND SSD

Image:220px-Disassembled HDD and SSD.JPG

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

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.

Плюсы и минусы

Преимущества, по сравнению с жёсткими дисками (HDD):

  • 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 отсуствия 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.

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 ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя.


Зависимость времени хранения на обесточенных SSD-накопителях от температуры

12 мая 2015 года стало известно о публикации доклада Элвина Кокса (Alvin Cox), руководителя компании Seagate и председателя комитета JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). В докладе[1] он обозначил особенности нового стандарта, определяющего требования к SSD-накопителям на платформе NAND-памяти и методы оценки их надёжности[2].

В тексте доклада сообщается об ограниченном времени сохранения данных при отключении SSD-накопителя от электропитания:

  • для серверных устройств гарантированное время автономного сохранения всех данных определено в три месяца при температуре 40° С,
  • для клиентских систем - 1 год при температуре 30° С.

Таблица демонстрирует соответствие температуры/времени хранения в обесточенном состоянии, 2015

В докладе также указано, что в соответствии с исследованиями компаний Samsung, Seagate и Intel период времени сохранения данных уменьшается вдвое при увеличении температуры места, где хранится SSD-накопитель, на каждые 5° С. Например, при температуре 55° С время сохранения всех данных при нахождении накопителя в отключенном состоянии снижается до недели.

Утилизация систем хранения: практика отстает от теории

На рынке широко распространен опыт утилизации HDD-накопителей без учета особенностей SSD. Неправильная утилизация может привести к утечке данных. Как показал аудит, проведенный в США в 2015 г., неправильные методы стирания файлов привели к утечке персональной информации граждан из баз данных 12 американских ведомств, включая налоговые и здравоохранение[3].

По данным исследования Data Breach Investigation Report от компании Verizon, опубликованного в конце апреля 2016 г., 86% попыток хищения конфиденциальных данных — это попытки завладеть финансовой информацией. С этой точки зрения накопители корпоративных СХД — идеальный источник чужих данных, ведь при удалении файлов информация на дисках на самом деле не исчезает.

Технология утилизации жестких дисков HDD в конце жизненного цикла уже отработана: размагничивание надежно стирает все данные. Для SSD размагничивание не работает. Поэтому некоторые компании выбирают физическое уничтожение SSD — в итоге молоток становится лучшим другом системного администратора. Однако такой подход нельзя назвать оптимальным, ведь повторная продажа или переработка ценного устройства более выгодна с точки зрения экологии и частичного возмещения стоимости.

Правила для SSD

Обязательным при утилизации корпоративных SSD является криптографическое стирание. Этот процесс предполагает изменение ключа, который используется для шифрования и дешифрования данных. В итоге восстановить данные на «дезинфицированном» носителе практически невозможно. Данную процедуру должны выполнять только квалифицированные специалисты. При этом отчет о процедуре стирания должен содержать точные сведения о том, кто проводил процедуру, название, серийный номер накопителя и т.д. Такие отчеты злоумышленники часто пытаются подделать, поэтому к отчету обязательно прилагаются соответствующие логи о выполнении всех перечисленных в отчете процедур.

Процедуру дезинфекции нужно проводить даже в случае, если принято решение отправить накопители на переработку. Таким образом, утилизация SSD не более сложна, чем утилизация HDD, необходимо лишь учитывать технологические особенности носителя нового поколения.

Миграция бизнес-приложений на SSD

Перемещение данных наиболее требовательных к производительности бизнес-приложений на SSD во многих случаях оправдано. Рост производительности, достигаемый за счет SSD, зачастую эффективнее традиционного увеличения количества обычных жестких дисков в системе хранения.

Показатели общей стоимости владения улучшаются за счет снижения расходов на кондиционирование и электропитание. Массив более компактен и способен обслуживать большее количество транзакций. Но если стоимость обработки одной транзакции в подобной системе достаточно низка, то цена за гигабайт хранения остается весьма значительной. Flash-накопители по-прежнему очень дороги, и это ограничивает возможности миграции бизнес-приложений на SSD.

При этом для оборудования большинства вендоров сохраняется ряд проблем. Во-первых, это нестандартное оборудование, технологически не вполне совместимое с тем, что уже имеется. Вторая проблема – износ накопителей. Известно, что число циклов перезаписи SSD ограничено, и по мере использования повышается риск потери данных. Третья проблема – ограниченные функции программного обеспечения контроллеров в части интеграции, сжатия данных и поддержки сетевых протоколов.

Существует качественная альтернатива от HP – специализированный массив HP 3PAR 7450, на котором работает стандартный набор ПО 3PAR OS. Это система хранения с увеличенной производительностью контроллеров, позволяющих обрабатывать до 900 000 операций ввода-вывода в секунду со временем отклика менее 0,7 миллисекунд, и пропускной способность до 5,2 Гб/с. HP 3PAR 7450 умеет «упаковывать» информацию с коэффициентом от 4:1 до 10:1, в зависимости от профиля нагрузки и характера данных. Аппаратная реализация позволяет не только повышать эффективность использования дискового пространства, но и равномерно распределять нагрузку и предотвращать избыточный износ SSD.

В традиционных массивах, предназначенных для работы с жесткими дисками, операции чтения сравнительно медленные и данные помещаются в кэш большими блоками по 16 KB. Это повышает шансы на то, что следующая операция чтения будет происходить уже из кэша, и тем самым снижается время отклика. Накопители SSD гораздо быстрее, и при их использовании предварительное перемещение данных в кэш не имеет смысла.

При этом HP гарантирует надежность четырехконтроллерных HP 3PAR StoreServ на уровне 99.9999% доступности данных. Это означает, что время простоя массива составит не более 31,5 секунд в год, или 2,59 в месяц, или 0,605 секунды в неделю.

Использование в компьютерах Apple и ПК

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 ещё в 2007 г. выпустила нетбук EEE PC 701 с SSD-накопителем объёмом 4Гб. Компания Dell 9 сентября 2011 года заявила о первой на рынке комплектации ноутбуков Dell Precision твердотельной памятью объемами 512Гб одним накопителем и 1Тб двумя накопителями для моделей компьютеров M4600 и M6600 соответственно. Производитель установил цену за один 512Гб 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 512Гб. По данным J.P. Morgan с момента представления было продано 420 000 компьютеров этой серии полностью на твердотельной Флеш-NAND памяти. 

Примечания

См.также

Твердотельные накопители (мировой рынок)

Обзор TAdviser: Услуги ЦОД в России 2015