Мечта многих пользователей - сбалансированная конфигурация вычислительной системы. До последнего времени она оставалась недостижимой, поскольку возможности одного ключевого компонента росли несоизмеримо по сравнению с другим. Только вдумайтесь: с 1996 г. производительность центрального процессора увеличилась примерно в 30 раз, а потенциал жестких дисков за тот же период - всего на 30%.
Вот вам гипертрофированный пример на базе современного сервера SunFire x4450 компании Sun Microsystems. С одной стороны, в нем используются четыре ЦП Intel Xeon 7350, НМС Intel Clarksboro 7000P и четырехканальная набивка памяти FB-DIMM DDR2-667 МГц, с другой - дисковая подсистема SAS 146 Гбайт из восьми HDD-дисков с частотой вращения 10 000 об/мин. Так вот, количество IO-операций (ввода-вывода) внутри логической части SunFire x4450 достигает показателя 845 000 в секунду, а в дисковой подсистеме максимальное число IO-операций приближается лишь к 1600. Чувствуете дисбаланс?
Да, бурного повышения HDD-производительности не смогли обеспечить ни использование мегабуферов, ни переход на гидродинамические подшипники, ни внедрение оптимизации командной очереди, ни смена продольного способа записи информации на перпендикулярный. И пресловутое электромеханическое устройство с пластинами давно стало <бутылочным горлышком> в развитии компьютерных систем. И хорошо, что в наши дни на рынке появляется принципиально новый тип накопителей - твердотельные диски.

Твердость характера
Новые накопители именуются твердотельными (Solid State Drive), поскольку построены на базе так называемой твердотельной памяти (в оригинале звучит как Solid State Memory - та самая флэш-память, к которой мы успели привыкнуть). Подобные устройства хранения информации не имеют вращающихся дисков, используют сразу несколько каналов управления, а в процессе проектирования могут принимать самую разнообразную форму.
В случае с SSD-дисками для хранения информации используются транзисторы. И нет необходимости в трансляционном контроллере, преобразующем логические адреса в физические и отвечающем за обращения к физическим блокам - кстати, механизм виртуальной памяти работает схожим образом. К тому же скорость передачи данных у твердотельных накопителей постоянна, в отличие от HDD-дисков, где на внешних радиусах магнитных пластин производительность выше, чем на внутренних.
Но где же здесь подвох, спросит пытливый читатель, ведь получается, что все идеально? Разумеется, есть отдельные недостатки. И дело даже не в том, что SSD-диски имеют скромные показатели на линейных операциях по сравнению с передовыми моделями привычных <винчестеров>. Хуже другое, твердотельные накопители - очень и очень дорогие, и при высокой цене число циклов перезаписи флэш-ячеек ограничено.

Изображение 1. SSD против HDD: снимая шляпы

Накладные расходы
Чтобы ответить на вопрос, зачем они нужны, давайте рассмотрим случай, когда платформа обращается к обычному жесткому диску, чтобы считать 16 Кбайт информации - это четыре страницы виртуальной памяти в 32-бит ОС. Весь процесс займет 5,4 мс. Из них 5,13 мс будут затрачены только на то, чтобы переместить головку на соответствующую дорожку и дождаться нужного сектора на вращающемся магнитном диске, 0,22 мс уйдет на чтение данных с поверхности и 0,05 мс - на передачу запрошенных данных в буфер. Поскольку дисковый интерфейс SATA 2 намного превосходит возможности <винчестеров>, то путь от HDD-буфера до ОЗУ не влияет на производительность дисковой подсистемы - буквально считаные микросекунды. И очевидно, именно <механическая> латентность является основной причиной высоких накладных расходов в моменты обращения к жесткому диску. Другое дело SSD-накопители.

SSD-накопители Intel
Еще недавно накопители для вычислительных систем выпускало небольшое число компаний, но сейчас в стройные ряды <старожилов> втиснулись и дерзкие новички, один из которых, Intel, - самый, на наш взгляд, перспективный.
В линейке американцев есть три серии SATA-дисков Ephraim, подходящих для любого ноутбука, компьютера или сервера, - X25-E, X18-M и X25-M. В наименованиях цифры говорят о размерах SSD-дисков: 2,5 или 1,8-дюймовый формфактор. И хотя серии X35-M не существует, в магазине можно запросто купить недорогой переходник с формфактора 2,5 дюйма на 3,5-дюймовый и установить диск Intel прямо в домашний ПК.
Накопитель Intel X25-E (литера E - extreme) отличается от других тем, что в его основе лежит SLC-память. Здесь надо напомнить: измеряя напряжение транзистора в ячейке флэш-памяти, можно прочитать один бит информации, исходя из отсутствия или наличия заряда, помещенного на плавающий затвор транзистора, - т. е. речь идет об одноуровневых ячейках (SLC - Single-Level Cell). Однако структура матрицы флэш-памяти способна не только хранить заряд, но и измерить его величину, благодаря этому ячейка может хранить два бита информации, а теоретически и более. В этом случае говорят о мультиуровневых ячейках (MLC - Multi-Level Cell), которые и лежат в основе накопителей моделей X18-M и X25-M (литера M - mainstream). При этом транзисторы в SLC- и MLC-памяти друг от друга ничем не отличаются.
По пути отметим, что вся флэш-память Intel для SSD производится по техпроцессу 50 нм с логикой типа NAND (NOT AND), характеризующейся блочным доступом к данным. В случае SLC-ячеек речь идет о 64 страницах в одном блоке, в случае MLC-ячеек - о 128 страницах.
А поскольку NAND-память программируется страницами и стирается блоками, легко догадаться о главных преимуществах SLC-накопителя Intel X25-E - скорость и долговечность. Козырь протестированного MLC-диска Intel X25-M - емкость, у этой модели она составляет 80 Гбайт.

Технические характеристики SSD-дисков Intel

Название накопителя	Форм-фактор, дюймы	Тип ячейки	Время доступа к ячейке при чтении, мкс	Варианты емкости, Гбайт	MTBF, млн. ч	Срок службы, годы	Скорость послед. чтения, Мбайт/с	Скорость послед. записи, Мбайт/с	Время доступа при чтении, мкс	Максимальное энерго-потребление, Вт	Типичное энерго-потребление, Вт	Энерго-потребление в режиме Standby/DIPM, Вт
Intel X25-E	2,5	NAND, SLC	25	32, 64	2	lifetime	250	130	75	н/д	2,4	0,06
Intel X25-M	2,5	NAND, MLC	50	80, 160	1,2	5	240	70	85	2,1	0,15	0,06
Intel X18-M	1,8	NAND, MLC	50	80, 160	1,2	5	240	70	85	2,1	0,15	0,06

Ускорение по-интеловски
Если в качестве дисковой подсистемы к ПК подключить емкую карту Compact Flash через PATA-интерфейс, можно навсегда разочароваться в SSD-накопителях - по скорости линейных операций они безнадежно уступают привычным жестким дискам с одним каналом. Однако накопители Intel используют сразу десять каналов, подключенных к одному контроллеру.
Более того, благодаря специальному буферу все каналы выполняют команды в режиме конвейерной обработки. И не стоит удивляться, что кэш-память твердотельного диска Intel всего около 100 Кбайт - с большой скоростью записи при случайном доступе многомегабайтовый кэш, как у жестких дисков, просто не нужен.
А когда в буфер попадают данные на запись, SSD-диск сразу сообщает ОС о выполнении перезаписи информации в накопитель, но в действительности сам процесс осуществляется <задним числом>. Такой подход в операциях записи дает прирост производительности до 25-35%. Однако не стоит забывать, что неожиданное отключение питания накопителя приводит к потере содержимого кэш-памяти, и при повышенных требованиях к сохранности данных, Write Cash нужно специально отключать в настройках.
Помимо прочего диски Intel имеют интерфейс SATA 2.6 и владеют алгоритмом изменения порядка выполнения команд NCQ (Native Command Queuing) с глубиной очереди 31, поддерживают самодиагностику S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis And Reporting Technology).

Питаться правильно
Разумеется, в твердотельных дисках нет вращающихся элементов, но тем не менее флэш-память заметно греется в работе. В SSD-дисках Intel поддерживается режим управления питанием DIPM (Device Initiated Power Management) - очень полезная инновация. Дело в том, DIPM отслеживает такие моменты простоя дисковой подсистемы и отключает энергоемкие модули.
Так, по данным компании Intel, твердотельный диск X25-M 80 Гбайт в самом тяжелом режиме работы потребляет не более 2,1 Вт, при типичной нагрузке - 0,15, а в режиме Standby/DIPM - 0,06 Вт. Поверим американским инженерам, но постараемся проверить заявленные спецификации в ходе тестов.

Эликсир надежности
Флэш-память имеет серьезные ограничения относительно сроков службы. Как правило, SLC-ячейки выдерживают примерно 100 000 циклов запись-считывание-стирание, MLC-ячейки - 10 000, а пределы SSD-накопителей связаны с износом туннельного слоя, проводящего электроны. Однако учитывайте наличие интеллектуальных алгоритмов в дисках Intel.
Во-первых, SSD-контроллер использует доступное дисковое пространство равномерно. Он хранит служебную информацию (счетчики износа) о том, сколько раз и какие блоки перезаписывались, а затем принуждает пользовательские файлы мигрировать по всему диску. Благо в дефрагментации твердотельные накопители не нуждаются и не надо запускать штатный дефрагментатор в ОС Windows. Кстати, по замыслу инженеров даже в худшем сценарии, когда SSD-диск работает в рамках 1% доступной емкости, лишь 4% SSD-блоков будут изнашиваться больше других с течением времени. Запомните цифру 4%, она еще встретится нам двумя абзацами ниже.
Во-вторых, контроллер устройства следит за уровнем сигнала в используемых ячейках и в случае каких-либо бесконтрольных изменений перезаписывает соответствующие блоки на новое место, причем минимальным числом итераций. Это добавляет надежности накопительной подсистеме, что особенно актуально в случае MLC-диска, где каждая ячейка памяти может принимать четыре уровня сигнала.
В-третьих, в SSD-дисках Intel существует резервная область для перемаркировки сбойных блоков, чтобы выход из строя какой-либо ячейки не коснулся пользователя. На эти внутренние цели у SLC-дисков резервируется 25% общей емкости, а у MLC-дисков - 7,4%. Не забывайте, что именно SLC-накопители позиционируются как отказоустойчивые устройства.
В-четвертых, как только уровень износа флэш-памяти станет критичным, т. е. размер сбойного пространства составит 4% от емкости, контроллер SSD-диска отключит кэш-буфер. Опять же в целях повышения надежности в работе с пользовательскими данными.
Остается отметить, что все перечисленные ухищрения в работе дисков Intel происходят абсолютно прозрачно для операционной системы и самого пользователя.

What is MTBF?
C момента появления SSD-дисков на рынке их сопровождает ряд предрассудков, главный из которых - убеждение в якобы непродолжительном сроке их службы. Для борьбы с этим вредным мифом Intel использует специальную характеристику для демонстрации надежности накопителей - MTBF (Mean Time Between Failures - среднее время между отказами или, как еще можно перевести, среднее время наработки на отказ), рассчитываемую по формуле MTBF = (HW*WAF*WLF)/DC. Здесь HW (Host Writes) учитывает число запросов на запись в ОС.
WAF (Write Amplification Factor) - это так называемый коэффициент усиления записи, связанный с тем обстоятельством, что в твердотельных дисках считывание информации происходит постранично, а вот стирание и перезапись - поблочно. И повторим сказанное выше: в MLC-дисках используются 64 страницы на блок, а в SLC-дисках - 128. WLF (Wear Leveling Factor) - коэффициент износа, ведь часть ячеек будет вырабатывать свой ресурс циклов запись-считывание-стирание быстрее. И наконец, самый постоянный параметр - DC (Device Capacity), т. е. емкость устройства.
Интересно, что для дисков Intel серии X25-M/X18-M показатель MTBF равняется 1 200 000 ч, для X25-E - 2 000 000 ч. В то время как параметр MTBF для обычных НЖМД домашнего ПК составляет не более 450 000 ч, для НЖМД серверного применения - около 1 000 000 ч.
В развитие темы приведем экспериментальные данные американцев. В специальном исследовании дисковой активности у 385 пользователей офисной фокус-группы (12-часовой рабочий день, пять дней в неделю) выяснилось, что даже самый энергичный сотрудник при интенсивной деятельности не создает за рабочий день и 16 Гбайт двухстороннего потока данных во взаимодействии с дисковой подсистемой. А в среднем по офису, с учетом типичных настроек ОС Windows XP (файл подкачки включен), на каждого пользователя пришлось не более 2 Гбайт HDD-трафика. И по расчетам Intel, при такой интенсивности предел надежности MLC-диска X25-M 80Gb не будет достигнут и спустя несколько десятилетий даже с учетом 24-часового рабочего дня, без выходных. А про долголетие SLC-диска X25-E просто подумать страшно: наверняка переживет всех читателей.
По пути остается удивляться более скромным заявлениям компании Intel в плане гарантийных обязательств - всего 3 года. Но в любом случае, лучшим подтверждением эффективности алгоритма расчета времени наработки на отказ будет именно многолетний срок службы дисков Intel в компьютерах энтузиастов. И давайте дождемся возможности перейти к сравнительному анализу результатов тестов предоставленного образца и его традиционных конкурентов.

Другие SSD-решения Intel
В продуктовой линейке Intel есть разные решения на базе твердотельной памяти: Z-P140 производится для мобильных интернет-устройств, Z-P230 - для нетбуков, Z-U130 - для ультрамобильных ноутбуков.
Накопитель Intel Z-P140 выпускают в BGA-исполнении 12х18 мм (представьте себе размеры монеты достоинством 50 коп.). Внутри модуля находится контроллер и энергонезависимая флэш-память. Модель Z-P140 поддерживает интерфейс PATA, но при этом не имеет соответствующего физического разъема PATA, а сразу впаивается на системную плату. В компании Intel сделали две версии накопительного чипа: SD54B - 2 Гбайт и SD58B - 4 Гбайт. А поскольку PATA-контроллер может управлять сразу четырьмя решениями, то объем памяти конечного MID-устройства может достигать 16 Гбайт. Важно отметить и рабочий диапазон температур для микросхемы SD58B - от -40 до +850.
Intel Z-P230 является двухканальным MLC-накопителем, поддерживающим недорогой и экономичный интерфейс PATA. На вид модель Z-P230 напоминает небольшой кусочек текстолита размером 38х54 мм (примерно со спичечный коробок) с набором микросхем и внешним PATA-разъемом. Intel Z-P230 выпускается в нескольких вариантах: 4, 8, 16 Гбайт, и такой емкости достаточно для ряда ОС, базирующихся на Linux-ядре.
В отличие от Z-P140 и Z-P230 накопитель Intel Z-U130 можно легко подключить прямо к материнской плате домашнего компьютера через USB-колодку, однако Z-U130 позиционируется как решение для тонких субноутбуков. Микросхема Intel Z-U130 бывает разной емкости от 1 до 4 Гбайт. Кстати, последняя версия стоит не дороже 20 долл., но в розничной продаже модули Z-U130 не появятся.

Изображение 2. Рыночное нацеливание SSD-решений Intel

"Бумажный" накопитель
25 ноября 2008 г. компания Samsung объявила о начале массового выпуска новейших SSD-накопителей емкостью 25 и 50 Гбайт для высокопроизводительных серверных приложений, таких как видео по запросу, веб-серверы и онлайновая обработка транзакций. В новых устройствах на основе одноуровневых ячеек SLC, разработанных специально для промышленного рынка, скорость произвольной записи увеличена вдвое по сравнению с прежними SLC-накопителями Samsung с восьмиканальным контроллером (емкостью 32 и 64 Гбайт). А благодаря низкому энергопотреблению - 1,25 Вт в активном режиме и 0,3 Вт в режиме ожидания, эти накопители смогут претендовать на звание одних из самых энергосберегающих решений для систем хранения данных. Для сравнения, потребляемая мощность новых SSD-дисков составит менее 25% от мощности 2,5-дюймового <винчестера> на жестких магнитных дисках с интерфейсом SAS и частотой вращения 15 000 об/мин.
Разумеется, по заявлению специалистов Samsung, новейшие твердотельные накопители обеспечат наилучшие показатели производительности и долговечности в серверных системах. И по количеству IOPS (операций ввода-вывода в секунду) на ватт мощности SSD-новинки будут в 100 раз превосходить типичный 2,5-дюймовый SAS-НМЖД с 15 000 об/мин. По IOPS - на доллар стоимости будут в 5 раз превосходить SCSI-НМЖД с 10 000 об/мин. И при обработке транзакций новые решения Samsung покажут 10-кратное повышение производительности по сравнению с самым быстрым из имеющихся на рынке SAS-НМЖД. В абсолютных величинах инновационные накопители стандарта SATA 2 обеспечат последовательное считывание данных - со скоростью 100 Мбайт/с, запись - со скоростью 80 Мбайт/с.
Остается подождать появления новинок в российских магазинах, но в любом случае очевидно: конкуренция на рынке SSD-решений усиливается, а значит, доступные цены уже не за горами.

>> НАВЕРХ СТРАНИЦЫ <<