О том, что твердотельные накопители пытаются повсеместно заменить собой привычные нам винты, знает, пожалуй, каждый читатель. Сегодня поговорим об устройстве SSD-дисков, перспективах их развития, а также сравним их с обычными HDD.

С тех пор как рынок завоевала флэшевая память, прошло несколько лет, однако мало кто сейчас вспоминает, что миниатюрные УЗВ-брелки когда-то были дорогими и, соответственно, оказывались не по карману большинству граждан. С течением времени флэша активно внедрялась в разного рода девайсы (от мобильников до фотопринтеров) в качестве единственной реальной возможности расширения их функциональности и наконец стала настолько доступным средством долговременного хранения информации, что не только окончательно вытеснила пресловутые флоппи-дискеты, но и поставила под сомнение актуальность покупки перезаписываемых компакт дисков. Так произошло отнюдь не по воле глупой моды или иных рыночных катаклизмов, а за счет банального векового стремления человечества к удобству и надежности. В самом деле, можно ли сегодня отыскать более компактный и прочный (при этом легкодоступный массам) носитель информации, чем флэшка? Приемлимых альтернатив в поле зрения не наблюдается. Это и неслучайно, ведь кроме отмеченных достоинств флэшки обладают и другими преимуществами по сравнению с наиболее популярными накопителями: это постоянно растущие емкости (32 Гбайт - уже давно не мечта, а реальность), высокая скорость доступа к ячейкам памяти (менее 1-2 мс), отсутствие подвижных деталей (а значит, повышенная стойкость к внешним воздействиям, физическая надежность хранения данных, отсутствие шумового фона и активного тепловыделения), низкое энергопотребление, удобство подключения и использования и прочие приятности эргономики.

Существующая на сегодняшний день флэш-память основывается на однотранзисторных элементах (с плавающим затвором). Для хранения информации используется несколько микросхем, управляемых микроконтроллером. Благодаря этому по плотности размещения данных флэш-накопители несколько превосходят оперативную память компьютера (SDRAM), в которой, как известно, применяются два транзистора и конденсатор. При производстве флэшек (лидеры в этой области - Intel, AMD, Sharp, Samsung, Toshiba) используется немалое количество различных технологий, благодаря которым накопители разных брендов отличаются друг от друга по количеству слоев, методам записи и стирания данных, а также способу подключения запоминающих транзисторов к разрядным шинам (параллельно или последовательно).
Если припомните, в одном из недавних ликбезов, разъясняющих особенности устройства различных типов компьютерной памяти, я упоминал о том, что флэш-память относится к так называемому EEPROM (Electronically Erased Programmable Read Only Memory - электрически стираемое программируемое запоминающее устройство) - типу электронной памяти, состоящему из множества ячеек, построенных на основе логики «И-НЕ» (если мы говорим о флэш-памяти типа NAND) или «ИЛИ-НЕ» (если о NOR). В (NAND) запоминающие транзисторы подключены к разрядным шинам последовательно, что дает самую высокую (среди современных флэш накопителей) потоковую скорость считывания информации (до 30 Мбайт/с). В чипах NOR, наоборот, соединение транзисторов параллельное, за счет этого обеспечивается наименьшее время произвольного доступа (не более 70 нс), что позволяет выполнять приложения непосредственно с флэшки. Для обоих типов микросхем характерно сравнительно большое время записи по той простой причине, что, перед тем как сохранить что-либо в ячейке, контроллеру необходимо стереть содержащуюся в ней информацию. Время доступа к данным также существенно обуславливает наличие во многих флэшках многоуровневой организации ячеек MLC (Multi-Level Cell), которая, в противовес одноуровневой SLC (Single Level Cell), в процессе перезаписи нуждается в предварительном считывании всей данных из ячейки, их последующей модификации и удалении, и лишь затем только может производиться запись новой информации. Тем не менее MLC получила большое распространение благодаря относительной дешевизне производства и возможности достичь больших емкостей накопителей.

Специалисты прочат победу микросхем типа NAND над чипами NOR. Основную ставку прогнозисты делают на то, что память NAND имеет сравнительно меньшие размеры ячеек, что позволяет делать накопители куда более компактными, чем в случае с NOR, а значит, многие портативные устройства (наподобие всевозможных мобильников, фотомыльниц и прочих гаджетов потребительского рынка) могут вмещать большие объемы информации при сохранении исходных размеров накопителя. Сказанное подтверждают цифры: если в 2000 году производство микросхем типа NOR охватывало 90% всех флэш-накопителей, то с ростом потребностей в объемах внешней памяти к 2006 году эта доля уменьшилась до 40%, а к 2009 году и вовсе составит не более 25%. Лидерами в производстве NAND-микросхем являются компании Samsung и Toshiba, поделившие между собой первое и второе места (59,2 и 25,6% соответственно). Другие производители чипов NAND Infineon, Micron, Hynix, STMicroelectronics, развернувшие свою деятельность несколько позже «пионеров», в последние годы показали стремительные темпы роста. Если говорить о рынке микросхем NOR, то здесь первенство, несомненно, удерживает компания Intel (отпраздновавшая, кстати, недавно свой сороковой день рождения , однако ее стремительно догоняет компания Spansion - совместный проект корпораций AMD и Fujitsu.
При столь динамичном развитии рынка энергонезависимой памяти остается только догадываться, почему же о твердотельных накопителях как о реальной замене господствовавшему столько лет винчестеру заговорили только недавно?
Попытки перенести операционную систему на флэшку осуществлялись не единожды, однако достойные нашего внимания результаты можно пересчитать по пальцам. Чего же не хватает флэшкам, чтобы уверенно вытеснить жесткие диски из юзерских десктопов и стать универсальной во всех отношениях памятью для долговременного хранения информации?

Для ответа на этот вопрос вспомним основные принципы работы винчестера. Как вы знаете, в жестком диске данные располагаются на магнитных пластинах, оборачивающихся с высокой скоростью. При этом чтение / запись информации с них происходит посредством блока головок, перемещающихся вдоль их поверхности, а также микроконтроллера, управляющего буферной памятью и взаимодействующего с внешним интерфейсом. Получается, что конечная скорость передачи данных полностью зависит от скорости оборачиваемости пластин и плотности размещения информационных блоков на них. Здесь, конечно, неплохо бы упомянуть о пропускной способности интерфейса, при помощи которого жесткий диск общается с основными узлами системы, однако в современных винчестерах широта пропускания внешней шины (естественно, мы говорим о внутренних накопителях) с лихвой перекрывает возможности чтения данных с пластин, а посему особой роли для обмена информацией не играет. Слабые стороны большинства винтов становятся ощутимы тогда, когда система начинает обращаться к большому количеству блоков данных малого размера, из-за чего быстродействие может сильно пострадать, в особенности если алгоритмы работы с буферной памятью, занесенные в прошивку микропроцессора, недостаточно эффективны. Медленная сортировка запросов на запись и предварительное чтение с диска, осуществляемые непосредственно контроллером винта, существенно снижают производительность.

Есть еще один неприятный момент: данные на магнитных пластинах подвержены фрагментации (т. е. часто пишутся в различные части диска), вследствие этого нагрузка приобретает случайный характер, и значительное количество времени используется не на конкретные операции записи / чтения, а на банальное позиционирование головки диска. Кроме того, если в системе запущено сразу несколько приложений (скажем, какая-нибудь игрушка и закачки из файлообменных сетей), винчестер работает с так называемой смешанной нагрузкой, при которой за короткий промежуток времени происходит большое количество обращений к диску. В результате головка мечется вдоль пластины взад-вперед пытаясь успеть и прочесть, и записать данные одновременно. Причем, если дело приходится иметь с raid массивами уровней, скажем, 0 или 5, отрекот головок становится невыносимым, и ничего другого не остается, как только разбить массив на отдельные харды или перераспределить часть задач на другие накопители.Флэшки вышеупомянутыми недостатками не страдают: позиционирующих головок у них нет, а считывание и запись информации осуществляются путем изменения электрического заряда на «плавающем затворе». Однако накопители сделаны так, что скорость записи данных на них существенно меньше скорости их считывания (при операции чтения через ячейку просто проходит ток, не меняющий ее структуры), поскольку на переключение транзистора в нужное положение требуется больше времени, чем для изменения намагниченности области на пластине винчестера. Стало быть, на практике выходит, что дисковая подсистема на флэше должным образом не может справиться с потоковой нагрузкой. (Есть разные обходные пути, позволяющие скомпенсировать эту досадную мелочь, однако сейчас не об этом.)Кроме того, у флэшек есть куда более серьезная проблема, не позволяющая данному типу накопителей заменить привычные нам оптические и магнитные диски, - ограниченное число циклов перезаписи каждой ячейки памяти. К примеру, владельцы цифровых фотоаппаратов уже через два года постоянного юзания флэш карточки отмечают для себя сбои в ее работе. Особенно критичным этот момент становится в том случае, когда пользователь пытается взгромоздить на флэшу операционную систему, постоянно обновляющую свои файлы, или хранит обширные базы данных, короче говоря, использует «брелок» словно полноценный винчестер. Очевидно, что если система будет обращаться с флэшкой как с винтом, без всяких сомнений, брелок довольно быстро сдохнет.

Причем тенденция такова, что с увеличением емкости носителей и удешевления технологии производства «живучесть» ячеек неуклонно снижается: еще пару лет назад количество циклов записи на один блок составляло около 1 миллиона, новые модели могут похвастать только 50-100 тысячами циклов. А уж если говорить о дешевой памяти то там этот показатель порой не превышает и 10 тысяч. Все это происходит оттого, что по мере роста информационной емкости размеры ячеек памяти уменьшаются, и для разрушения оксидных перегородок, отделяющих плавающий затвор, становится необходимо обеспечить подачу более низкого напряжения, а с этой задачей флэшевые контроллеры не всегда справляются корректно. Как результат ячейки быстро изнашиваются, а надежность хранения данных снижается.Для сглаживания данного изъяна технологии применяются различные способы, в первую очередь направленные на обеспечение равномерности использования всех ячеек массива в процессе записи стирания информации таким образом, чтобы одни не изнашивались раньше, чем другие вообще будут задействованы. Одним из таких способов является часто используемая технология «выравнивания износа» (Wear Leveling), суть которой состоит в том, что при перемещении часто изменяемых данных по адресному пространству флэшпамяти запись осуществляется по разным физическим адресам. Кроме того, контроллером производится зервирование небольшого количества памяти, обеспечивающее в процессе работы флэшкой равномерную загрузку, а также необходимую коррекцию возможных ошибок. Резервирование осуществляется на основе специальных алгоритмов «подмены» информационных блоков в логической адресации. В итоге после программного перераспределения физических блоков удается улучшить степень распределения потоков, и количество циклов перезаписи, соответственно, возрастает (практически в три-пять раз). Однако этого все равно недостаточно для того, чтобы флэшка сама по себе стала хотя бы мало-мальски приличной альтернативой жесткому диску даже при использовании в портативных устройствах, поскольку каждый флэшевый контроллер юзает свои индивидуальные алгоритмы выравнивания, эффективность которых на практике выяснить очень проблематично, ибо конкретная форма их реализации - коммерческая тайна. Такой расклад, несомненно, не вызывает одобрения со стороны здравомыслящих граждан.Нельзя не отметить, что абсолютно каждый флэш-накопитель имеет специапьную служебную область, где размещается таблица файловой системы , предотвращающая сбои чтения данных на логическом уровне. Вероятность таких сбоев весьма высока, если пользователь извлекает флэшку сразу после обращения к ней. Как известно, сменные носители при работе ней кэшируют данные, а значит, от постоянной перезаписи файлов страдает именно служебная область. К примеру, вы закидываете на флэшку фотографии (или иные пользовательские файлы) в количестве тысячи штук. Казалось бы, обращение к каждому блоку заюзанной памяти было однократным, однако на деле служебная область обновлялась ту самую тысячу раз, а значит, те блоки, что были использованы для таблиц размещения файлов, износятся быстрее всех остальных. Метода Wear Leveling, конечно, применяется и для таких блоков, однако ее возможности и здесь весьма ограниченны.

Кроме того, как это ни прискорбно, надежность флэшек зависит не только от качества производственного процесса, но и от рыночной конкуренции.В погоне за снижением себестоимости выпускаемых изделий производители при изготовлении флэшек применяют все более дешевые элементы. Вследствие этого -брелки часто обладают хлипким корпусом, тонкой микросхемкой, ненадежным креплением коннектора USB, а флэш-карточки страдают от истирания разделителей контактов, выпадения задвижки ограничения записи, ненадежной пайки составляющих деталей и проч.Естественно, с таким неслабым багажом, так сказать, физических недостатков флэшка никак не смогла бы вырасти в твердотельный накопитель, способный заменить собой диски с магнитным принципом записи информации. Однако за счет усовершенствования (читай усложнения и удорожания) существующих разработок удалось создать устройство, по скорости выполнения потоковых операций не намного уступающее обыкновенным винчестерам для настольных ПК. но при этом обладающее всеми вышеупомянутыми достоинствами флэшек. Как вам хорошо известно, данный тип накопителя назвали Solid-Slate Drive. Понятие «SSD» применимо к накопителям, основанным как на энергонезависимой памяти NAND Flash (ее мы уже рассмотрели), так и на энергозависимой SDRAM, т. е. к так называемым RAM-based-накопителям. Последние представляют собой PCI-платы с памятью, используемой для хранения данных. Благодаря быстроте выполнения всех операций скорость доступа к рабочей информации увеличивается, плюс такая плата экономичнее расходует энергию.Проблема лишь в том, что, как я уже упоминал, SDRAM энергозависима, и для ее работы необходимо наличие постоянного источника энергии. В качестве примера подобного девайса можно привести IRAM PCI-плату от Gigabyte стоимостью всего 50 долларов и объемом 4 Гбайт памяти DDR RAM. способную выполнять функции жесткого диска. Суть работы этой платы заключается в том, что все операции, производимые системой, будут реализовываться с ее помощью, существенно снимая нагрузку с основного жесткого диска. Применение аккумулятора позволяет обеспечить до восьми часов бесперебойной работы такого накопителя. В течение этого времени можно спокойно вернуться к компьютеру и завершить начатую работу без потери данных. Подобные RAM-накопители могут показаться прекрасной альтернативой безумно дорогим SSD.

Однако, если вы склонны трястись за свои файлы и не привыкли делать ежедневные бэкапы системы и данных, вам придется либо раскошелиться на «чистый» SSD-диск, либо довольствоваться работой с обычным жесткими дисками.Вообще, несмотря на то что SSD-диски начали активно распространяться на рынке всего лишь несколько лет назад, история этой технологии насчитывает уже практически 30 лет. Еще в далеком 1978 году давно забытой компанией Storage-Tek был создан первый твердотельный накопитель, а одним из первых компьютеров с SSD-диском на борту стал ноутбук ХО, выпущенный в ходе проекта One Laptop per Child («Каждому ребенку по ноутбуку»). В том же году знаменитая компания Texas Instruments обозначила словосочетанием Solid State Software картриджи с ПО для своих калькуляторов TI-58 и TI-59. Твердотельные накопители долгое время использовались в основном для хранения данных в промышленных компьютерах и мощных вычислительных комплексах, которым зачастую необходимы повышенная устойчивость к внешним воздействиям (вибрации, скачкам температуры, влажности и прочим невзгодам), а кроме того, высокая скорость случайного чтения. Одной из первых преимущества твердотельных накопителей оценила такая государственная структура, для которой затраты на выполнение стратегических задач всегда отходили на второй план. По мере освоения технологии флэш-памяти данный тип носителей стал привлекателен и для других заказчиков, поэтому постепенно начал покорять розничные рынки.Среди современных продуктов, основанных на технологии SSD, можно назвать ноутбуки компаний Sony (серии VAIO G и VAIO TZ). Toshiba (Protege R500-10U) и Dell (Ultramobile Latitude D420 и D620 ATG).Кстати, на выставке Macworld 08 представитель компании Apple. Inc. представил публике ноут MacBook Air с рекордно малой массой и толщиной корпуса - «яблочники» смогли создать «чудо-машину» благодаря использованию в ней твердотельного накопителя емкосгью 64 Гбайт.

Итак, учитывая тот факт, что SSD накоопители в общем и целом являются результатом развития флэш-технологии, они обладают всеми ее достоинствами л недостатками. Перечислять их заново не буду, добавлю лишь, что в плюсы твердотельных дисков можно записать такие относительно стабильную производигельность за счет возможности обеспечения постоянного времени поиска, следовательно, как бы ни были фрагментированы размещенные в памяти файлы, на скорость работы это практически не влияет.Здесь возникает достаточно интересный вопрос: почему же твердотельные накопители (имеются в виду те, что стоят сейчас бешеных денег) - по сути «большие флэшки» - до сих пор не получили широкого распространения, ведь как таковая данная технология известна уже три десятка лет? На мой взгляд, причина кроется в том, что царствовавшие все это время НЖМД были стандартом дефакто, более того, никогда не переставали совершенствоваться, не оставляя тем самым никаких шансов другим накопителям, за исключением, пожалуй, только оптических. А в последнее время ввиду фантастического улучшения технических характеристик жестких дисков (в плане скорости, габаритов, плотности записи данных и т. п.) вообще не вполне ясно, смогут ли новомодные SSD-накопители обеспечить выгодное для юзверей соотношение «цена-плотность записи». Плюс к этому не стоит забывать и о влиянии рыночных законов: пока торгаши не выкачают максимально возможное количество прибыли из дешевой технологии, запускать в производство что-то принципиально новое экономически абсолютно невыгодно, т. е., иными словами, необходимо было полностью откатать «обычную» флэш-память. Вполне понятно, что чем лучше освоена технология, чем дольше она присутствует на рынке, тем дешевле становятся работающие на ее основе девайсы, однако нам-то интересно, как скоро мы сможем собственноручно сравнить новомодные эсэсдэшки со старыми добрыми винчестерами...

Аналитические прогнозы указывают на то, что счастья стоит ждать не раньше 2011 года (и то только в отношении сектора мобильных устройств), когда рынок будет располагать достаточным количеством конкурирующих производителей. Тогда, «переболев» гибридными жесткими дисками, RAM-based-накопителями и прочими переходными технологиями, компьютеры большинства рядовых юзеров разживутся быстрыми SSD-накопителями, основанными на памяти MRAM или конкурирующих с ней «наследуемых» флэштехнологиях. О том, что это такое, поговорим в следующий раз.