Dyski bez... dysków

Półprzewodnikowe dyski (SSD) dają szansę na wyeliminowanie z komputera ostatnich mechanicznych elementów. Do przechowywania danych wykorzystują stałą pamięć flash, dziś już tylko typu NAND. Większość specjalistów nie ma wątpliwości, że tradycyjne twarde dyski zostaną zastąpione pamięciami półprzewodnikowymi. Spór dotyczy tylko daty oraz warunków, które muszą spełniać same napędy oraz system operacyjny potrafiący uwypuklić zalety nowej technologii.

Półprzewodnikowe dyski (SSD) dają szansę na wyeliminowanie z komputera ostatnich mechanicznych elementów. Do przechowywania danych wykorzystują stałą pamięć flash, dziś już tylko typu NAND. Większość specjalistów nie ma wątpliwości, że tradycyjne twarde dyski zostaną zastąpione pamięciami półprzewodnikowymi. Spór dotyczy tylko daty oraz warunków, które muszą spełniać same napędy oraz system operacyjny potrafiący uwypuklić zalety nowej technologii.

Zainteresowanie dyskami SSD wynika z ich zalet. Pierwszą jest brak ruchomych części. W SSD nie ma żadnej rotacji talerzy ani ruchów głowicy odczytu i zapisu, jak w tradycyjnych dyskach magnetycznych. Z tego powodu SSD - w teorii - powinny zużywać mniej energii niż równoważne mechaniczne twarde dyski. Także szybkością SSD powinny górować nad swymi mechanicznymi odpowiednikami, skoro nie marnuje się czasu na ustawienie głowicy odczytu i zapisu nad odpowiednim fragmentem talerza. Pierwsza generacja napędów SSD, wprowadzona do pecetów dwa lata temu, nie zawojowała rynku. Chwalona za niższe zużycie energii i wydzielanie mniejszej ilości ciepła niż konwencjonalne napędy, okazała się wolniejsza i bardziej zawodna, niż obiecywano. Rich Coulson, zajmujący się w Intelu architekturą układów przyśpieszających działanie pamięci flash, twierdzi, że czas życia i wydajność dostępnych na rynku napędów SSD zmienia się w bardzo szerokich granicach i zależy nie tylko od jakości samych układów NAND, ale także od wielu innych czynników. Na przykład niezawodność, która jest problemem szczególnie dysków montowanych w notebookach, może się zmieniać w granicach od sześciu miesięcy do pięciu lat. Pod względem wydajności zapisu niektóre napędy SSD mogą być nawet gorsze od dysków tradycyjnych. To prawdziwa pięta achillesowa nowej technologii.

SSD niejedno ma imię

"Jednym z czynników wpływających na jakość pamięci NAND jest liczba poziomów sygnału zapisywanego w pojedynczej komórce. Może to być jeden (komórki single-level cell, SLC) albo też kilka poziomów (pamięć multi-level cell, MLC). SLC przechowuje jeden bit danych w komórce pamięci, podczas gdy MLC dwa do czterech razy więcej, zapewniając większą gęstość upakowania danych, ale także powolniejszą transmisję, większe zużycie energii oraz krótszy czas życia. Te wady wynikają z konieczności zapisu i odczytu wszystkich bitów przechowywanych w komórce jednocześnie, nawet wtedy, gdy zmianie podlega tylko jeden z nich. Generalnie pamięci SLC kosztują około dwa razy drożej niż MLC", mówi Coulson. "Liczba poziomów w komórce nie jest jedynym czynnikiem różnicującym jakość pamięci NAND. Spotykamy pamięci MLC faktycznie szybsze niż SLC. Tajemnica tkwi w metodach przyśpieszania zapisu, które mogą podnieść wydajność kompletnego układu, niestety najczęściej kosztem zmniejszenia jego żywotności" - twierdzi. Dysk półprzewodnikowy może być wykonany z dwóch rodzajów pamięci NAND: SLC, która przechowuje jeden bit na komórkę, i MLC, która trzyma tam dwa bity albo więcej. Pamięć SLC jest z natury szybsza, pewniejsza i wytrzymuje więcej cykli niż MLC. Natomiast SLC jest droższa w produkcji, ale przechowuje w tej samej objętości znacząco mniej danych niż MLC. Wszystkie SSD znakomicie sprawdzają się w odczycie, zarówno sekwencyjnym, jak i losowym. Problemy są tylko z zapisem, i to szczególnie z danymi rozrzuconymi w małych porcjach po różnych komórkach pamięci. Aby nadrobić tę wadę, producenci próbują kierować dane za pośrednictwem elektroniki sterownika, buforów pamięci, zwielokrotnienia liczby kanałów, równoległego przeplatania układów NAND i odpowiedniego zarządzania zapisem za pomocą oprogramowania.

Dyski SSD od środka. Na zdjęciu widoczne moduły pamięci flash

Dyski SSD od środka. Na zdjęciu widoczne moduły pamięci flash

"Na przykład w najnowszych dyskach Mikrona szybszy zapis osiągnięto dwoma metodami: zastosowano bufor DRAM i powiększono liczbę kanałów wejścia-wyjścia. Firmware oszukuje aplikację, że dane są zapisywane w napędzie przypadkowo, podczas gdy faktycznie są przemapowane i wpisywane sekwencyjnie", tłumaczy Gregory Wong, szef firmy konsultingowej Forward Insights.

Dyski półprzewodnikowe mają największą przewagę nad twardymi w odczycie losowym. Czas odczytu strony czy czas dostępu są sto razy krótsze. SSD nie mają głowicy, która musi być mechanicznie umieszczona nad odpowiednią ścieżką. Jej przestawienie w dyskach konwencjonalnych zajmuje około pięciu milisekund.

"Wydajność w trybie sekwencyjnym można łatwo powiększyć za pomocą buforów DRAM, ale to niewiele pomaga, ponieważ większość operacji dyskowych typowego peceta ma charakter losowy" - mówi Wang. Problem z tym rodzajem zapisu polega na konieczności znalezienia pustego bloku. Jeśli takiego nie ma, to należy wymazać stare dane, a to kosztuje dodatkowe dwie milisekundy opóźnienia, które w sumie składają się na spore spowolnienie całej operacji.

Inny problem jest związany z blokową strukturą pamięci flash NAND. Dane nie są zapisywane bezpośrednio, ale na raty. W pierwszej kolejności kopiuje się cały blok do pamięci głównej, tam modyfikuje zawartość odpowiednich komórek i dopiero potem zapisuje całość z powrotem w układzie. "W efekcie zamieszanie dotyczy o wiele większej ilości danych niż potrzeba i może trwać nawet do 40 razy dłużej niż czas niezbędny do zapisania pamięci NAND", twierdzi Knut Grimsrud, szef od architektury pamięci masowej w Intelu. Trochę w tym autoreklamy, gdyż podobno Intel zmniejszył ten narzut z 40 do 1,1x. Joseph Unsworth z Gartnera twierdzi, że Intel wykorzystuje 10-kanałowe kontrolery i przeplata układy pamięci, tworząc równoległe połączenia między nimi. Dysk Intela ma zapisywać sekwencyjnie 70 i odczytywać 250 MB/s oraz obsługiwać 35 tysięcy operacji odczytu i 3300 zapisu na sekundę. Typowy pecet przeprowadza ich tylko od 300 do 600.


Zobacz również