Важной частью развития цивилизации является информация. В процессе ее обработки особую роль играют носители. От их характеристик зависят скоростные возможности систем, обеспечивающих запись и чтение программ и данных, а также надежность хранения информации. Универсальным и перспективным вариантом сегодня считаются твердотельные накопители (SSD), но обеспечивают ли они требуемые от них скорость и надежность?
Евгений Рудометов
Для потребительского и корпоративного секторов выпускаются SSD в разных дизайнах. Наибольшее распространение получили форм-факторы: 2,5”, M.2, карты PCI Express. Кроме того, на рынке есть накопители, предлагаемые в вариантах наборов и даже однокристальных чипов. Примеры моделей SSD в форм-факторах 2,5” и M.2 приведены на рис. 4.
Рис. 4. 2,5” SSD и M.2 SSD
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Данный тип накопителей заметно ускоряет работу дисковых подсистем настольных и мобильных компьютеров. Так, например, время доступа у SSD составляет менее 1 мс. Конечно, скорости считывания и записи цифровой информации зависят от особенностей интерфейса, но практически всегда превышают аналогичные параметры HDD. Более того, в случае лучших моделей SSD они в десятки раз выше аналогичных параметров HDD.
Высокие параметры обеспечили популярность твердотельных накопителей, хотя по такому параметру, как «стоимость за 1 Гбайт» они все еще заметно уступают классическим жестким дискам. Однако SSD практически «не боятся» вибраций и ударных нагрузок, потребляют меньше энергии, как правило, более надежны и лучше переносят повышенные температуры, и они более технологичны в производстве, чем HDD. Правда, как выясняется, SSD (и USB-флэш-накопители, и карты, и чипы) имеют ограниченный ресурс записи/перезаписи/стирания (далее — ресурс записи) информации из-за постепенной деградации полупроводников. При этом чем больше битов «упаковывается» в каждой ячейке за счет многоуровневого способа, тем больше общая информационная емкость изделия и ниже его цена. Но с ростом плотности битов в ячейках уменьшается ресурс записи данных, а, следовательно, и всего накопителя, что ориентирует отрасль на выпуск накопителей с многоуровневыми ячейками TLC и QLC, а в перспективе — на еще более плотные варианты.
Справедливости ради следует отметить, что во второй половине 2022 года производители стали постепенно отказываться от выпуска моделей, основанных на QLC-памяти. Снижение цен на TLC 3D NAND привело к тому, что экономия, достигаемая при выборе четырехбитовой памяти в ущерб производительности и надежности, стала в абсолютном выражении совсем незначительной. Однако многие эксперты считают, что не следует думать, что QLC SSD покидают рынок навсегда, и данный тренд может вскоре измениться.
Основные характеристики многоуровневых ячеек представлены на рис. 5 (P/E Cycles — Program/Erase Cycles — циклы программирования/стирания — циклы записей/стирания и последующей записи — является количественной характеристикой выносливости).
Рис. 5. Параметры многоуровневых ячеек
(кликнуть мышью для увеличения
С целью повышения этого ресурса конструкторы используют различные методы, среди которых, например, выравнивание износа ячеек, их страничная и блоковая организация, кэширование, использование эффективных кодов контроля и восстановления, максимальное сокращение операций перезаписи и т.п. Как результат, ресурс записи для SSD потребительского сектора оценивается в десятках, а для высокоемких моделей — нередко в сотнях терабайт. Для корпоративных (серверных) SSD этот показатель оценивается уже в тысячах терабайт. Конечно, ресурс записи потребительских и корпоративных накопителей SSD увеличивается вместе с увеличением емкости дисков. Чем больше емкость, тем больше ресурс записи. При этом в спецификациях накопителей речь идет о значениях этого ресурса, гарантированных производителями, реальные же показатели износостойкости SSD значительно выше, иногда в несколько раз.
А теперь о времени хранения информации в чипах флеш-памяти. Так как электрические заряды, кодирующие биты, хранятся в конденсаторах (накопителях заряда, ловушках заряда и т.п.) ячеек, очевидно, что для длительного сохранения записанной информации требуется периодическая проверка ячеек и последующее восстановление уровней. Это все выполняет встроенный контроллер. Нахождение флеш-накопителей в течение долгого времени в выключенном состоянии может привести к безвозвратной потере данных. В некоторых случаях это могут быть месяцы, а возможно даже и недели. При этом новые накопители могут хранить информацию в обесточенном состоянии в течение нескольких лет, но по мере их использования это время постепенно и значительно сокращается из-за постепенной деградации полупроводников. Особенно остро данная проблема стоит в случае накопителей, созданных на основе многоуровневых ячеек типа QLC и тем более будущих PLC. Организация JEDEC, занимающаяся стандартизацией и сертификацией, не рекомендует на долгий срок оставлять SSD без электропитания. Для потребительских моделей SSD, эксплуатируемых в нормальных условиях, время гарантированного сохранения информации составляет около года. Для корпоративных же моделей согласно требованиям JEDEC время сохранения информации, обеспечиваемое и гарантированное производителями, должно составлять не менее трех месяцев в течение всего рекомендуемого времени эксплуатации. Кстати, это не означает, что корпоративные SSD менее надежны, дело в том, что требования к ним существенно выше и допустимая вероятность возможных ошибок ниже. Следует добавить, что время сохранения информации сильно зависит от температуры окружающей среды. Как показывают исследования, повышение температуры всего на 5 градусов может сократить время хранения информации вдвое. Дальнейший подъем по температурной шкале ухудшает ситуацию еще сильнее.
Это иллюстрируют, например, следующие данные (рис. 6), полученные одной из исследовательских команд. Например, если SSD работал при 40 градусах Цельсия, а после его оставили на хранение при 30 градусах, то информация сохранится на протяжении 52 недель (около 1 года).
Рис. 6. Время сохранения информации в зависимости от температурных режимов
(кликнуть мышью для увеличения
И какие же выводы и рекомендации следуют из всего этого? Увы, накопители SSD (и USB-флешки, и флеш-карточки) не предназначены для долгого хранения данных носителей информации «на полке». Чтобы не потерять ценную информацию, эти устройства целесообразно периодически подключать к компьютерным системам. Выполнять эту операцию следует регулярно каждые насколько месяцев в нормальных температурных условиях, а в экстремальных условиях — чаще, возможно речь может идти о неделях. Это позволит встроенным в SSD контроллерам выполнить проверку и восстановление содержимого ячеек памяти накопителя. Это убережет, может быть, очень ценную информацию, стоимость которой в ряде случаев многократно превышает стоимость самого SSD.
К сказанному следует добавить, что, выбирая SSD, следует отдавать предпочтение продукция от именитых производителей. Их продукция обычно собирается из качественных, хорошо проверенных компонентов, изделия проходят многократный контроль в процессе производства. А еще такие компании более ответственно относятся к предоставляемым спецификациям, их документация обычно детальная и полная. Кроме того, они обеспечивают качественную, часто оперативную поддержку и длительную гарантию на свои изделия.
По возможности из моделей MLC, TLC, QLC лучше выбирать первые два типа, а при эксплуатации заполнять накопители информацией не на 100%, оставляя часть в запасе, например, 20%. Конечно, это совсем необязательно, но незаполненная часть информационного пространства накопителя повысит эффективность кэширования. Это положительно скажется на производительности SSD и в конечном итоге всей системы.
Продолжая тему выбора, необходимо отметить, что модели Enterprise, ориентированные на корпоративный сектор, выгодно отличаются от изделий потребительского уровня. Эти модели оптимальны для серверов и систем хранения, которым требуется высокий уровень производительности и надежности. Однако они отлично работают, конечно, в случае совместимых интерфейсов и дизайнов, в мощных рабочих станциях, десктопах, а также в корпоративных и потребительских ноутбуках. Накопители этого типа обеспечивают быстрый отклик и стабильные уровни производительности для широкого круга задач. Корпоративные модели обладают функциями защиты от сбоев и от повреждения данных, им доступны инструменты SMART корпоративного уровня. Как правило, в конструкции Enterprise SSD предусмотрены встроенные аппаратно-программные средства защиты от последствий неожиданного прекращения электропитания. Эти средства, обычно отсутствующие у накопителей потребительского уровня, эффективно препятствуют необратимому превращению накопителя с ценными данными в так называемый «кирпич».
В дополнение ко всему сказанному следует напомнить, о целесообразности выполнения периодического контроля состояние накопителей с помощью специальных фирменных утилит. Это позволит не только максимально проверять работоспособность SSD, включая оставшийся ресурс записи, но и может быть обновлять прошивку, что обычно исключает выявленные производителем ошибки работы, а может быть и улучшает параметры SSD, и расширяет его возможности. Правда, при этом следует принимать во внимание, что обновление — это потенциально опасная для устройств операция, поэтому к подобным операциям следует относиться с определенной осторожностью.
Остается добавить, что следование всем этим рекомендациям обеспечит высокую производительность при надежной работе флеш-накопителей.
Итак, что же и указанные накопители SSD не являются идеальным выбором? Пожалуй, что так. Однако технологии твердотельных накопителей продолжают быстро развиваться. В результате функциональные возможности накопителей растут. Появляются новые технологии, архитектуры и, конечно, изделия.
Об альтернативных технологиях и соответствующих моделях — в следующей части данной статьи.
>> Часть 3