SSD - co se skrývá uvnitř
28. 1. 2009 07:00 Rubrika: Technologie Autor: Aleš Lalík
Není to dlouhá doba, kdy se objevily masově dostupné disky z flash pamětí (aneb SSD) pro osobní počítače. Oproti klasickým diskům s rotačními plotnami se výrazně odlišují a přináší několik výhod, z nichž nejpatrnější jsou vysoké přenosové rychlosti a skutečně nízká přístupová doba. Žádná technologie ale není dokonalá a také SSD mají několik záporných vlastností, prozatím nejvíce patrná je vysoká cena. Pojďme se na ně podívat trochu podrobněji.
Solid State Drive neboli zkráceně SSD začaly být dostupné jakožto disky běžných formátů teprve před několika lety, ovšem v počítačích se první paměťová úložiště obdobného typu objevila již v 70.letech minulého století coby paměť EAROM (Electrically Alterable ROM). Jejich udávaná životnost měla tehdy dosáhnout deseti let, nicméně tyto paměti přestaly být funkční už po třech letech. V následujících obdobích probíhaly různé pokusy výrobců s tímto druhem úložných médií, avšak nadvládu v oblasti úložných zařízení jednoznačně převzaly elektromagnetické disky s rotujícími plotnami. Do popředí zájmu se dostaly SSD znovu až před několika lety, stále však mají oproti klasickým pevným diskům pouze okrajový tržní podíl. Jedním z hlavních důvod je vysoká cena.
Pozn.: v praxi často používané slovní spojení "SSD disk" není zcela korektní, jelikož slovo "disk" obsahuje už samotná zkratka SSD. Ačkoliv je dle mého názoru spojení "SSD disk" v textu lépe čitelnější než samotné SSD, budeme se v tomto článku držet pravidel. Podobně se mnohdy používá také spojení „LED dioda“, rozepsané znamenající „světlo emitující dioda dioda“ a další.
SSD jsou tvořené tištěným spojem s ovládací elektronikou a NAND flash paměťovými čipy, do nichž jsou ukládána data. NAND flash paměti si totiž udrží uložený stav i při vypnutém napájení, na rozdíl od SSD založených na pamětech DRAM. Jedná se o stejný typ pamětí používaných ve všech moderních přístrojích od různých multimediálních přehrávačů přes PDA až po USB klíčenky. Modul složený z NAND flash pamětí je tvořen velkým množstvím paměťových buněk představovaných jednotlivými tranzistory, k nimž se přistupuje sekvenčně. Kromě NAND pamětí se ještě nabízí použití NOR pamětí, odlišujících se hlavně možností náhodného přístupu. NAND paměti ale vítězí nižší cenou a jejich vlastnosti jsou přitom dostatečné i pro použití v počítačových discích.
SSD tudíž postrádají veškeré pohyblivé mechanické části, a proto jsou velmi odolné. Rovněž jsou oproštěny od veškerých vibrací a hlukových projevů, typických pro disky s rotujícími plotnami. Deska SSD s veškerými součástkami navíc zabírá mnohem méně místa než v případě klasických disků, a tak mohou být menší. Kromě standardních 2,5" a 1,8" formátů disků (3,5" byly výjimkou) se objevily SSD například ve formě přídavné karty do ExpressCard slotu.
OCZ Slate Series – SSD ve formě ExpressCard
V porovnání s klasickými disky mají SSD prakticky zanedbatelnou přístupovou dobu, řádově se pohybující okolo 0,1 ms. Ostatně tuto skutečnost jste si mohli ověřit v testu „Samsung 128GB SSD - rychle a odolně“. Výhodou je i snadná výroba disků s libovolnou kapacitou, stačí pouze přidat paměťové čipy podle potřeby. Znatelným přínosem jsou přenosové rychlosti, dnes již ve většině případů mnohonásobně vyšší než u klasických disků. Co se energetických nároků týče, spotřeba moderních SSD disků je nižší a tím pádem kleslo i vyzařované odpadní teplo.
SSDCorsair ve 2,5" formátu
MLC a SLC
Tyto dva pojmy jsou v souvislosti s SSD neustále skloňovány, jelikož určují některé typické vlastnosti disku s danou technologií. Jak bylo řečeno, data jsou ukládána do NAND flash paměťových čipů, konkrétně do paměťových buněk, z nichž je každý čip složen. Jaké jsou tedy rozdíly?
Paměti typu SLC (single level cell) jsou schopné uložit do každé paměťové buňky 1 bit informací reprezentovaný dvěma stavy: 1, kdy je buňka prázdná (vymazaná), nebo 0, když je buňka naprogramována, tedy je v ní uložena hodnota. Z hlediska logiky by bylo pochopitelnější, když by stav 0 reprezentoval prázdnou buňku a naopak stav 1 uloženou hodnotu, nicméně výrobci zvolili přesný opak.
Naopak v buňce typu MLC (multi level cell) se ukládají dva bity (výrobci experimentují i s více) a proto je potřeba stanovit 4 rozdílné stavy buňky: 00 (plně naprogramovaná), 01 (částečně naprogramovaná), 10 (částečně vymazaná), 11 (plně vymazaná).
Porovnání SLC a MLC pamětí; zdroj: Micron.com
Výhodou pamětí typu SLC je mnohem vyšší počet přepsání, typicky se dříve udávala hodnota 100 tisíc přepsání. V případě MLC je počet přepsání výrazně nižší, udává se pouhých 10 tisíc přepsání. Tyto počty se neustále zvyšují a k celkové životnosti disku přispívají také moderní paměťové řadiče obsažené v SSD, reálná životnost tak dosahuje podle odhadů několik roků až desítek let, což je doba vysoce převyšující morální životnost SSD. Navíc v praxi se provádí z disku mnohem častěji čtení než zápis dat, u nových disků by se tak uživatel již neměl strachovat o jeho brzkou nefunkčnost. Jak dalece jsou tyto odhady pravdivé se pozná až po delších zkušenostech v reálném nasazení.
Vzhledem k uložení pouze jednoho bitu do každé buňky sice dosahují SLC disky menší kapacity než jejich MLC protějšky, ale mohou být citelně rychlejší a rovněž mají menší spotřebu než obdobné MLC disky. Při přepočtu ceny za GB ovšem nemohou s MLC disky soupeřit, SLC disky proto najdou využití zejména v serverech, kde není takovou překážkou vyšší cena a nižší kapacita. SSD s paměťmi typu MLC naopak přináší vyšší kapacitu a také jsou levnější, na což uživatelé rádi slyší. Navíc v kombinaci s moderními paměťovými řadiči dohání své SLC protějšky i v oblasti výkonu.
Vnitřek extrémně výkonného SLC disku Intel X25-E Extreme
Řazení je základ
Rozdílné typy paměťových buněk nejsou jediným kritériem určujícím výkonnost a další parametry SSD disků. Výraznou měrou se na činnosti podílí také paměťový řadič doplněný vyrovnávací cache pamětí. Ten může velmi urychlit nebo naopak zpomalit přenosové rychlosti či počet operací za sekundu, a svůj podíl má i na životnosti disku. Pokud by se začínala data zapisovat do pamětí neustále ze stejného místa, „počáteční“ paměťové buňky by se mnohem rychleji opotřebovaly než ty „koncové“, které by se téměř nepoužívaly. Proto je jednou z funkcí řadiče i rovnoměrné rozdělování zápisu dat do všech paměťových modulů tak, aby bylo jejich opotřebování co nejvíce rovnoměrné a celková životnost disku se prodloužila na maximum.
Jednou z dalších odlišností SSD disků je větší velikost sektorů, tedy nejmenších adresovatelných bloků na disku. Zatímco současné operační systémy jsou napsány pro práci s malými sektory klasických pevných disků, v případě SSD disků je vhodnější zapisovat najednou větší bloky dat, protože u menších se zbytečně snižuje maximální výkon. Tato vlastnost je rovněž patrná při práci s velmi malými soubory, což dokazuje například oblíbený testovací program ATTO Disk Benchmark.
Pro optimální využití schopností SSD disků nejen operačním systémem počítačů se rozhodli výrobci vyvinout standard zjednodušující integraci NAND flash úložných zařízení. Pojmenován je Open NAND Flash Interface (ONFi) a jeho cílem je sjednotit rozhraní používané při komunikaci se samotnými NAND flash paměťmi. SSD zároveň bude schopen touto cestou sdělit zařízení, ke kterému je připojen, své vlastnosti zahrnující například logické uspořádání, časování a mnohé další. Systém se tak může lépe přizpůsobit schopnostem SSD disku a využít naplno jeho schopnosti. ONFi se rovněž snaží o sjednocení příkazů pro komunikaci a fyzické rozložení pinů pro návrh připojení NAND flash pamětí.
Logo organizace ONFi
Pro snazší přijetí ONFi samotnými výrobci začala spolupráce s organizací JEDEC, zabývající se standardizací technologií v oblasti elektroniky. Za vývojem a podporou rozhraní ONFi stojí velké množství společností včetně světových velikánů jako Intel, Hynix, Micron, Sony a mnohé další. V současnosti je k dispozici specifikace ONFi 2.0.
Zajímavou možností SSD disků vedoucí ke zvýšení přenosových rychlostí (nebo bezpečnosti) je vytvořit uvnitř jednoho zařízení RAID (pole) složené z několika samostatných SSD disků. V případě klasického disku toto nebylo možné, protože jednoduše nebylo kam umístit několik nezávislých ploten, motorky pro jejich pohon a další součástky. Tento přístup zvolila společnost OCZ u svého chystaného disku Vertex 2 a jeho předběžné výkony jsou skutečně fascinující: čtení probíhalo rychlostí 550 MB/s, zápis vrcholil hodnotou 480 MB/s. Takové rychlosti vysoce přesahují přenosové schopnosti rozhraní SATA II s teoretickým maximem 3 Gb/s. V tomto případě bude nutné pro plnohodnotné využití schopností disku připravované rozhraní SATA 6 Gb/s.
Budoucí generace OCZ Vertex bude pekelně rychlá...
Neustále zrychlujeme
V budoucnu se dočkáme zvyšování rychlostí a zvětšování kapacity SSD disků, přičemž jejich cena bude postupně klesat na úroveň přijatelnou i pro běžné uživatele. Rapidního zlevňování, které bylo původně očekáváno na letošní rok, se však zřejmě jen tak nedočkáme. Důvodem jsou problémy výrobců flash pamětí podpořené celosvětovou finanční krizí, podle aktuálních odhadů se proto předpokládá výraznější pokles cen SSD disků až v druhé polovině 2009.
V té době by se měl dostat na trh nový operační systém Microsoftu, Windows 7. Oproti současným systémům bude přímo optimalizován pro práci s SSD, čímž by měl přispět k jejich vyšší životnosti a hlavně více využívat jejich potenciál. Podle prvních testů vítězí při práci s SSD beta verze Windows 7 nad Vistou, na konečný verdikt přínosu výkonu si však bude nutné počkat až na finální verzi Windows 7.
Zdroj: storagesearch.com, onfi.org, intel.com, micron.com, hothardware.com
