Преимущества и недостатки твёрдотельных накопителей (SSD)

[Ruterk]

Твёрдотельные накопители (SSD), на первый взгляд, обладают всеми преимуществами: ёмкость до 512 Гбайт, потрясающая производительность, низкое энергопотребление и слабый нагрев, высокая эффективность и невероятная физическая надёжность. Но в реальности SSD далеко не идеальны, поскольку есть и ограничения, и недостатки. В нашей статье мы рассмотрим детали, которые следует знать о технологии SSD, так как она всё шире продвигается в разные сферы бизнеса и в домашнее окружение.



Рынок SSD

Сначала нам нужно разделить рынок на сегменты. Можно, например, выделить сегмент дешёвых устройств, массовый рынок и high-end сегмент. Подобное разделение вы встретите чаще всего, когда будете просматривать обзоры SSD или сравнивать цены. Ещё можно разделить продукты по позиционированию на конечных потребителей или на бизнес-пользователей, что примерно соответствует клиентским системам и серверам. Поскольку технологии у двух групп схожие, то наша статья охватывает обе группы продуктов, а там, где необходимо, мы укажем на индивидуальные отличия.

Продукты для бизнес-пользователей и корпоративной сферы обычно отсутствуют в розничных магазинах, поскольку они нацелены на мощные серверы и хранилища более крупного масштаба. Производители SSD, такие как Samsung, Intel, Micron и Toshiba, как правило, обеспечивают специальную поддержку для поставщиков решений. Samsung недавно объявила о партнёрстве с Seagate по созданию SSD корпоративного класса. Вполне понятно, что мы наблюдаем смешение рынков традиционных накопителей с магнитными пластинами и передовых хранилищ на флэш-памяти.

Тенденции и разработки

Уровни производительности и эффективности SSD эволюционируют довольно быстро, но про ёмкость такого сказать нельзя, поскольку битовая плотность памяти NAND увеличивается медленно. Да и большой спрос со стороны рынка смартфонов несколько замедлил эволюцию SSD в окружениях ПК. Да и долгожданный перевод флэш-памяти на 3-битные ячейки выполняется медленнее, чем ожидалось. В результате SSD становятся всё более доступными, но вряд ли в ближайшем будущем они начнут конкурировать с жёсткими дисками по ёмкости.

Поэтому SSD будут по-прежнему оставаться в меньшинстве по сравнению с традиционными жёсткими дисками. Но 2010 год всё же знаменателен тем, что SSD достигли критической массы. Цены продуктов начального уровня снизились до уровня $99. Что касается корпоративной сферы, то здесь особое внимание уделяется энергопотреблению. Исследование McKinsey & Company 2008 года показало, что дата-центры потребляют 0,5% мировой энергии, что приводит к выбросу CO2 больше, например, чем у всей Аргентины. Управление по охране окружающей среды США предполагает, что энергопотребление дата-центров в США достигнет к 2011 году 3% от всей потребляемой энергии в стране, и переход на SSD просто необходим, чтобы уровень энергопотребления оставался в разумных пределах.

Общая картина

Спецификации SSD для корпоративного рынка и для клиентских ПК отличаются не так сильно, но очень важно выбирать правильный твёрдотельный накопитель для правильного окружения. В нашей статье мы рассмотрим, как работают SSD, чем они могут быть вам полезными, на что следует обращать внимание, готовясь к внедрению SSD, как они могут повлиять на ваш бизнес, а также и как принимать грамотное решение о покупке.

Как работают SSD?

Наша статья посвящена SSD, которые используются внутри компьютера: флэш-память и контроллер у них располагаются на печатной плате, которая заключается в компактный корпус. Как правило, корпус относится к одному из форм-факторов 1,8", 2,5" или 3,5", которые знакомы нам по обычным жёстким дискам. Эти накопители можно устанавливать в ПК, ноутбуки или стоечные серверы. Действительно, SSD на флэш-памяти выглядят и работают очень похоже на жёсткие диски за исключением того, что у них нет движущихся частей, да и вес намного меньше. Кроме того, современным SSD требуется только незначительное охлаждение. Большинство SSD выпускаются в 2,5" корпусе и используют интерфейс 3 или 6 Гбит/с.

Флэш-память MLC и SLC NAND

Внутри твёрдотельных накопителей (SSD) данные хранятся в одноуровневых (single-layer cell, SLC) или многоуровневых (multi-layer cell, MLC) ячейках памяти NAND, которые способны вмещать один бит или несколько битов на ячейку, соответственно. Ячейки SLC обеспечивают меньшую ёмкость в расчёте на количество используемых транзисторов, чем MLC, но зато дают более высокую производительность записи и надёжность.

Современные архитектуры контроллеров

Все дизайны SSD базируются на контроллерах флэш-памяти, к которым подключены банки памяти, а сами контроллеры подключаются с host-системе через интерфейс Serial ATA. Современные дизайны используют "мозги" контроллера для выполнения разных задач. Например, повышение надёжности хранения данных достигается через алгоритмы балансировки износа ячеек памяти, которые обеспечивают максимально равномерное распределение нагрузки, чтобы максимизировать срок службы SSD. Производительность оптимизируется через несколько каналов флэш-памяти, балансировку нагрузки и различные способы кэширования данных. Некоторые контроллеры оснащаются встроенным кэшем, другие работают с отдельным чипом памяти DRAM, а есть и контроллеры, которые отнимают часть флэш-памяти по множеству каналов для реорганизации данных.



Тенденция: переход на флэш-память Toggle DDR NAND

Samsung несколько месяцев назад объявила флэш-память Toggle DDR NAND. Дизайн флэш-памяти предусматривает передачу данных на подъёме и на спаде сигнала, почти как в случае DDR DRAM. Подобный подход впервые дебютировал в корпоративном сегменте, но вскоре он будет использоваться и на потребительских SSD. Основное преимущество Toggle DDR заключается в повышении пропускной способности до 66-133 Мбит/с на канал против 40 Мбит/с. Накопители с новой технологией вряд ли будут обеспечивать более высокую пиковую пропускную способность, но они попытаются максимизировать производительность SATA II на интерфейсах 3 Гбит/с с дальнейшим снижением энергопотребления. Чуть ниже мы как раз поясним, почему это важно.



Энергопотребление и производительность

Вряд ли существует какая-либо альтернатива изучению обзоров и сравниванию информации перед покупкой SSD, особенно если вы планируете пробрести большое количество накопителей для серверов. Все производители обещают производительность чтения и записи более 230 Мбайт/с и 180 Мбайт/с, соответственно, а также тысячи операций ввода/вывода в секунду у своих накопителей. Большинство продуктов достигают заявленных значений по пиковой производительности, но уровни средней и минимальной производительности оказываются намного ниже. То есть вы всегда должны ориентироваться на минимальный уровень производительности, если вам не нужны проблемы в корпоративном окружении. В конце концов, накопитель, который обычно выполняет запись со скоростью примерно 200 Мбайт/с, вряд ли подойдёт для высокопроизводительного окружения, если время от времени производительность будет падать до 40 Мбайт/с.

Операции ввода/вывода

В принципе, не так важно, будет SSD считывать информацию со скоростью 220 или 250 Мбайт/с, либо он будет её записывать со скоростью 210 или 180 Мбайт/с. Только хардкорные энтузиасты смогут определить разницу. Однако SSD обеспечивают более существенную разницу в корпоративных окружениях, где высокие показатели по числу операций ввода/вывода в секунду намного более важны, чем пропускная способность.


Если вы представите себе, сколько пользователей заходят в web-службы в любой момент времени, то поймёте, почему мы обсуждаем количество операций ввода/вывода в секунду, которое раньше было недосягаемым. Только Facebook заявляет о 400 миллионах активных пользователей, запрос каждого из которых приводит к множеству операций чтения и записи. Несмотря на весь этот существенный трафик, мы ожидаем немедленной реакции на все наши клики и запросы. Теперь представьте типичную деятельность в Интернете: вход на различные web-сайты, аналитика, отслеживание, перепост другими пользователям и так далее. Таким образом, нам требуется производительность класса SSD, чтобы справиться со всем этим потоком данных.

Энергопотребление

То же самое касается и энергопотребления. Почему нас должно интересовать, что накопители с энергопотреблением меньше 0,1 Вт в режиме бездействия переходят с 2 Вт на 1,5 Вт в активном режиме при смене поколений? Даже в ноутбуках это важно только для мобильных пользователей, кому требуется максимальное время работы от аккумулятора. Но в глобальной перспективе, особенно если учесть дата-центры, каждый ватт имеет значение. По информации IDC, в 2009 году было куплено серверов на $42,2 млрд. Затраты на энергию, которая требуется для питания всех этих серверов, составили $32,6 млрд. Каждый ватт энергии, который требуется для питания "железа" дата-центра, приводит к расходу ещё 2,5 Вт на охлаждение.

Перспективы

Конечно, оценочные характеристики меняются. Компании привыкли обращать внимание на гигабайты или производительность на доллар, но сегодня ИТ-менеджеров больше интересует количество операций ввода/вывода на доллар, количество операций ввода/вывода на ватт и иногда даже гигабайты на ватт. И по этим характеристикам SSD явно занимают лидирующие позиции. В конце концов, очень важно увеличивать ёмкость и производительность дата-центра без расширения его физических характеристик.

Характеристики для корпоративного рынка

Позвольте привести некоторые характеристики. Если вы никогда не оценивали разницу между SSD и жёсткими дисками (HDD) до этого, то сравнение может вас серьёзно удивить. Хотя приведённые данные взяты из презентации Samsung по поводу "зелёных" SSD и их преимуществ, они вполне соответствуют тому, что мы получили в наших тестах, проведённых ранее.



Мы не будем комментировать строчку гигабайт на ватт, поскольку ёмкости в данном отношении не так важны. Но мы хотели бы отметить, что сегодня доступны SSD с ёмкостью до 512 Гбайт на накопитель, что вполне соответствует 2,5" жёстким дискам корпоративного класса с максимальным уровнем ёмкости 300 и 600 Гбайт. В сценариях с максимальной производительностью ввода/вывода, где ёмкость уже не так важна, 64-Гбайт SSD может оказаться даже дешевле, чем сравнимый 73-Гбайт жёсткий диск корпоративного класса. В результате SSD более актуальны для корпоративных окружений с интенсивной нагрузкой ввода/вывода, чем для клиентских ПК - учитывая цену и характеристики производительности.

Если оставить в стороне ёмкость, то с характеристиками производительности ввода/вывода в расчёте на доллар и на ватт вряд ли можно спорить, поскольку SSD, как правило, намного быстрее жёстких дисков, и при этом они потребляют только малую часть энергии от уровня HDD. Жёсткие диски, как правило, обеспечивают от 100 до 400 операций ввода/вывода в секунду, в зависимости от размера блока и от случайного или последовательного доступа. SSD же могут достигать пятизначного количества операций ввода/вывода в секунду.

Другими словами, цена SSD в расчёте на гигабайт сравнима с HDD корпоративного класса, но цена в расчёте на количество операций ввода/вывода у SSD значительно лучше магнитных конкурентов, что даёт весомую разницу по стоимости владения. Таким образом, вы можете использовать один SSD для замены производительности ввода/вывода десятков жёстких дисков, либо заменить определённое количество жёстких дисков SSD, умножая производительность при снижении энергопотребления. Подумайте также о требованиях к питанию и охлаждению, которые могут существенно уменьшиться благодаря нескольким SSD, потенциально способным заменить целый сервер в стойке.

Ограничения по производительности и недостатки

Давайте обсудим некоторые особенности, которые следует учитывать при планировании перехода на SSD. Мы уже упоминали проблемы с поддержанием производительности на постоянном уровне в предыдущих статьях, посвящённых SSD. Подобная проблема наблюдалась со старыми поколениями накопителей, хотя со временем ситуация улучшилась. Но всё же некоторые предостережения сделать нужно. Большинство следующих пунктов верны как для клиентских ПК, так и для корпоративных окружений и бизнес-пользователей.

Поддержка RAID

Технически все накопители SATA могут быть использованы в массивах RAID с помощью подходящих контроллеров. Однако некоторые продукты в конфигурациях RAID не обеспечивают ожидаемую производительность. Как правило, проблема связана с прошивкой, но всё равно следует проверить работу такой конфигурации перед покупкой SSD. Иногда функция TRIM (см. ниже) в конфигурациях RAID отказывается работать, что связано с неполной поддержкой AHCI.

Дефрагментация

Жёсткие диски следует регулярно дефрагментировать, чтобы часто используемые файлы располагались на более быстрых секторах, а крупные файлы не были разбиты на кусочки по всему жёсткому диску (это увеличивает время работы с ними). Жёсткие диски должны выполнять последовательные операции чтения и записи как можно чаще, поскольку физические движения головок добавляют задержки. В случае SSD с этим проблем нет, так как данные всегда распределяются контроллером SSD по всему массиву памяти. Это совершенно нормально. Напротив, использование утилит дефрагментации для SSD будет контрпродуктивно, поскольку это приведёт к износу ячеек флэш-памяти, а никаких преимуществ не даст. Так что выключайте дефрагментацию.

Поддержка TRIM

Функция TRIM используется операционной системой для информирования SSD о блоках, которые были удалены и теперь готовы для записи новых данных. Это позволяет SSD оптимизировать операции записи таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность записи и оптимизировать выравнивание износа ячеек. SSD выполняют эту функцию внутри себя, но этот процесс будет более эффективным, если в нём будет участвовать операционная система, которая имеет информацию о файлах. Для активации TRIM требуется поддержка как со стороны прошивки SSD, так и операционной системы. Драйверы и контроллер должны также поддерживать AHCI. То есть, как правило, вам потребуется Windows 7 или Windows Server 2008 R2, Linux kernel 2.6.33 или FreeBSD 9. Все более старые версии указанных операционных систем не поддерживают TRIM, что может привести к существенному снижению производительности записи. Однако поддержка TRIM настолько сложная, что не мешает ещё раз проверить, возможна ли поддержка TRIM и активна ли она.

TRIM поддерживается SSD Intel с прошивкой 02HA и выше, Indilinx 1819 и выше, всеми устройствами JMicron 612 и 618, Marvell с прошивкой 0002, всеми устройствами SandForce, прошивкой Samsung VBM19C1Q для устройств PB22 и всеми SSD Samsung 470. Утилита Crystal Disk Info существенно облегчит проверку версий прошивки и SSD.

Рекомендации при внедрении SSD

Достаточная производительность системы

Твёрдотельные накопители значительно помогают улучшить время отклика системы и производительность, но их огромного уровня операций ввода/вывода в секунду можно достичь только при условии, что host-система будет достаточно мощной. Мы проводили анализ производительности SSD на системе с активными механизмами энергосбережения CPU и с выключенными, который показал негативное влияние механизмов снижения энергопотребления на производительность SSD. Как показывает опыт, то же самое касается сценариев с интенсивной нагрузкой ввода/вывода. Старый Pentium 4 просто не способен справится с огромным количеством операций ввода/вывода современных SSD, а четырёхъядерного Xeon или Core i5/i7 уже будет достаточно. Так что, возможно, вам потребуется модернизировать старые серверы перед переходом на SSD.

Надёжное стирание информации

Поскольку все современные контроллеры берут на себя задачу распределение информации при записи, то удаление файла не всегда приводит к физическому удалению блоков. Поэтому для надёжного стирания информации с накопителей, которые будут списаны в будущем, следует использовать специальные средства. Например, утилиты, такие как Secure Erase 4.0.

Прошивка

Не покупайте SSD, для которого не планируется выход новых версий прошивки. Обновления прошивки практически всегда приводят к оптимизации производительности и могут даже улучшить эффективность.



Достаточно оперативной памяти

Большинство пользователей считают, что очень быстрый SSD хорошо подходит для хранения файла подкачки ОС. Конечно, это так, но лучше всего установить в систему достаточное количество оперативной памяти, чтобы избежать обращения к файлу подкачки вообще. Системы с 8 Гбайт памяти и RAM-приводами для файла подкачки станут более элегантными и производительными решениями.

Перспективы

Мы намеренно не рассматривали в нашей статье конкретные SSD, поскольку у нас уже есть опубликованные статьи, посвящённые разным моделям. Здесь мы решили сфокусироваться на более глобальном обзоре основных функций и особенностей, производительности и энергопотребления, значимости SSD для корпоративного окружения; а также дали некоторые рекомендации, которые помогут вам освоиться с миром SSD.

Сегодня рынок заполнен клиентскими SSD для потребительских ПК и ноутбуков. Многие из них обеспечивают приличную производительность, и если у вас работает быстрая система с Windows 7, и вы не против выложить, как минимум $300, то тогда нет никаких причин воздерживаться от покупки SSD, чтобы заменить жёсткий диск. Разница будет заметна сразу же.

В корпоративной среде подобные шаги следует продумывать более тщательно, поскольку SSD не всегда будут самым лучшим решением для подобных окружений. Обратите внимание на результаты минимальной производительности в обзорах, чтобы гарантировать поддержание требуемого уровня производительности в вашей системе. Не забывайте про "подводные камни" с поддержкой RAID , AHCI и TRIM, а также убедитесь, что выбранный производитель будет обеспечивать всю должную поддержку. Ваша система должна быть достаточно мощной, чтобы вы могли получить максимальную производительность от выбранного решения SSD; иначе вы можете упереться в "узкое место".

Когда все перечисленные препятствия будут преодолены, вы можете ознакомиться с ключевыми характеристиками, такими как число операций ввода/вывода в расчёте на доллар, число операций ввода/вывода в расчёте на ватт, а также оценить стоимость владения. С этих перспектив вы быстро обнаружите, что в окружениях с интенсивной нагрузкой ввода/вывода сегодня нет других разумных решений, как внедрять SSD. Наверное, ещё одним весьма сложным этапом будет внедрение SSD в бизнес-среду таким образом, чтобы соответствовать всем требованиям сертификации и валидации. Но технологически SSD уже вполне готовы.

Автор: Дмитрий Чеканов
Источник: http://www.thg.ru/storage/ssd_upgrade/index.html