Евгений Рудометов 

Часть 2

Как считают инженеры Intel, следующий этап эволюции твердотельных накопителей связан с переходом на флеш-память нового типа. Эта память получила наименование 3D XPoint (рис. 7).

Рис. 7. Технология 3D XPoint
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Данная разработка, как и ранее описанная, позволяет выпускать твердотельные накопители, обеспечивающие энергонезависимое хранение программ и данных. Но достигается это уже на другом, более высоком уровне возможностей устройств и подсистем хранения информации. Проанализировав доступные документы, независимые эксперты сделали вывод, что работа флеш-памяти 3D XPoint основана на использовании эффектов фазовых переходов в применяемых полупроводниковых материалах. Результатом этих фазовых переходов является устойчивое изменение проводимости этих материалов, что может быть выявлено соответствующими электронными схемами.

Созданные на основе флеш-памяти этого типа накопители получили наименование Optane. По производительности они находятся между оперативной памятью и твердотельными накопителями. При этом данные накопители значительно дешевле DRAM и в то же время значительно надежнее SSD, созданных на основе традиционных технологий. А еще SSD с флеш-памятью 3D XPoint обладают более высокими скоростными возможностями и обеспечивают побайтную адресацию. В качестве примера можно привести высокопроизводительные накопители семейства Intel Optane SSD DC P4800X, выпущенные в вариантах карт расширения PCI Express (рис. 8), а также в 2,5-дюймовом исполнении с интерфейсом U.2.

Рис. 8. Intel Optane SSD DC P4800X
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Выпущенные серверные накопители демонстрируют очень высокую производительность: на операциях чтения/записи блоками 4 Кбайт производительность достигает 550 000 IOPS. Выносливость — 30 DWPD (перезаписей всего информационного объема накопителя в день), что примерно в три раза больше лучших альтернативных моделей твердотельных накопителей. Так, например, по сравнению с традиционными SSD задержки доступа существенно меньше: преимущество более чем в 10 раз. А еще эти устройства, предназначенные для центров обработки данных и высокопроизводительных облачных платформ, в 5-8 раз быстрее на низких очередях, а при 99% QoS преимущество может достигать 60 раз.

Несмотря на высочайшие параметры накопителей семейства Intel Optane SSD DC P4800X, им на смену уже пришли еще более совершенные модели в лице изделий семейства Intel Optane SSD DC P5800X.

Остается добавить, что такие накопители оптимальны для приложений критичных к требованиям по задержкам. При этом время отклика практически не меняется от нагрузки. А еще они обладают очень высокими ресурсами перезаписи, хранят информацию практически неограниченное время и не теряют ее при обесточивании накопителей. Все это позволило существенно изменить архитектуру мощных систем обработки данных и расширить их функциональные возможности.

Главным же недостатком твердотельных накопителей Intel Optane SSD является высокая цена. Однако, как ожидается, цена будет снижаться по мере совершенствования 3D XPoint или будущих подобных технологий, а также соответствующих архитектур созданных на их основе накопителей.

Вряд ли и эти твердотельные накопители являются идеальными средствами записи, чтения и хранения информации, но, как говорится, процесс идет. Ждем новых открытий, новых материалов и технологий, новых архитектур и изделий. И кое-что действительно уже появляется, например, многослойные оптические кварцевые диски с емкостью более 100 Тбайт и лазерной записью/чтением, а также, как утверждают их создатели, временем хранения более 1000 лет. А еще ведутся интенсивные исследования в области хранения информации в цепочках ДНК и т. п. Но это в будущем, а пока жесткие магнитные диски и накопители, созданные на основе флеш-памяти, стемительно совершенствуются, что обеспечивает стремительный рост их информационной емкости. В любом случае можно не сомневаться, что будущее будет очень интересным!

>>    Часть 1 

Сокращенные версии статьи: 

• Можно ли долго хранить данные на SSD? 
• Можно ли долго хранить данные на SSD? / IT-Expert. 2022, №6 
• Накопители: SSD – оптимальный? / Вы и ваш компьютер. 2022, №8, с.19-22

Евгений Рудометов 

Часть 1

 
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 
      

Евгений Рудометов 
 

Средства хранения цифровой информации прошли славный путь эволюции. Каждое из этих средств пережило свой этап открытий, многочисленных усовершенствований и, наконец,  заката, постепенно уступая пальму первенства своим более совершенным наследникам. Все они были востребованы и выпускались десятками и сотнями миллионов экземпляров. Тем не менее, ни один из вариантов не был идеален, включая даже жесткие диски (HDD — hard disk drive — накопитель на жестких магнитных дисках, жесткий диск, разг. винчестер), чья история с выпуска первого жеского диска в 1956 г. (IBM 350 в составе компьютера IBM 305) насчитывает уже более полувека. Именно из-за ограниченных технических и эксплуатационных возможностей гибких и магнитооптических дисков, магнитных лент в компакт-кассетах, бобинах и картриджах, оптических дисков CD/DVD/BD и жестких дисков 2.5″ и 3.5″ HDD конструкторы и пользователи с энтузиазмом восприняли разработку чипов (1988 г.) и устройств (1984 г.) на основе технологии флеш.

В качестве примера можно привести карты памяти: PC Card, CompactFlash (CF), SmartMedia (SM), MultiMedia Card (MMC), SD (Secure Digital Memory Card, до 4 Гбайт), SDHC (Secure Digital High Capacity, до 32 Гбайт), SDXC (Secure Digital eXtended Capacity, до 2 Тбайт) , SDUC (Secure Digital Ultra Capacity, до 128 Тбайт). К данному набору следует еще добавить популярные карты уменьшенных форм-факторов, к которым относятся Memory Stick, miniSD, MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXD и т.п. При этом совместимость устройств, рассчитанных на использование полноформатных карт SD, SDHC, SDXC, с картами MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXС осуществляется с помощью специальных переходников. Внешние дизайн и контакты таких переходников полностью совпадают с картами SD, SDHC, SDXC, а внутренние дизайн и контакты — с микрокартами.

Совместимость устройств и флеш-карт MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXС

Среди других устройств следует отметить USB-флеш-накопители (USB-флешки или просто флешки) и, конечно, твердотельные накопители (Solid-State Drive, SSD). Они способны во многих случаях заменить жесткие диски и в ноутбуках, и настольных компьютерах, и рабочих станциях, и серверах, и других устройствах и системах, то есть практически везде.

Указанные средства хранения информации не нуждаются в сложных механических узлах, они состоят из печатной платы с набором напаянных на ней микросхем, дополненных интерфейсным разъемом. Такая конструкция обещает для накопителей высокие показатели быстродействия, энергоэкономичности, надежности при компактных размерах.

Однако, давайте разбираться, насколько оправданы эти надежды. Но сначала немного о технологии флеш, которая является разновидностью полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти. Звучит это несколько страшно, но, по сути, все очень просто.

Не вдаваясь в тонкости реализации разных вариантов технологии флеш, можно сказать, конечно, сильно упрощая, что биты цифровых данных в форме зарядов хранятся в миниатюрных конденсаторах с очень низким саморазрядом. Считывание же значений осуществляют схемы на основе транзисторов с изолированными затворами или их аналоги. Это иллюстрирует соответствующая эквивалентная электронная схема (рис.1).

Рис. 1. Хранение одного бита в ячейке накопителя флеш
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В такой схеме установка «нуля» осуществляется подключением конденсатора к «земле», а «единицы» — к шине питания. А как собственно реализовано хранение заряда в реальных продуктах — это, вообще говоря, не так и важно. По сути, это конденсатор и цепь считывания, формирующие ячейку хранения (Cell). Остается добавить, что для хранения байта потребуется восемь таких ячеек. Можно сказать, что такой подход лежит в основе USB-флеш-накопителей (USB-флешки или просто флешки) и распространенных флеш-карт (SD, SDHC, SDXC и т.п.), и в твердотельных накопителях (Solid-State Drive, SSD), как впрочем, и в чипах флеш-памяти, используемых в различных электронных устройствах. Примеры USB-флеш-накопителя и флеш-карт приведены на рис. 2.

Рис. 2. Примеры USB-накопителя и флеш-карт
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Очевидно, что время сохранения информации в накопителях зависит от времени сохранения зарядов в ячейках, точнее, пока записанные «единицы» устойчиво считываются именно как «единицы», а не как «нули». Конечно, это касается и записанных «нулей». Для повышения надежности в архитектуре предусмотрены дополнительные ячейки и специальные цепи, реализующие алгоритмы контроля и восстановления информации.

А теперь о некоторых тонкостях. Дело в том, что указанная эквивалентная схема (рис. 1) иллюстрирует способ хранения информации в самых ранних разработках, когда каждый бит требовал свою индивидуальную цепь хранения заряда. Это однобитовые ячейки, их называют одноуровневыми (Single-Level Cell, SLC). Время хранения информации в таких ячейках, по заверениям производителей, достигает 10 и более лет.

С целью повышения информационной емкости накопителей и снижения их стоимости были разработаны технологии хранения нескольких бит в каждой ячейке. Так, например, в ячейке можно хранить два бита, что достигается хранением четырех уровней напряжения на конденсаторе (Multi-Level Cell, MLC), три бита — за счет хранения восьми уровней (Triple-Level Cell, TLC), четырех бит — за счет хранения шестнадцати уровней (Quad-Level Cell, QLC). Анонсирована разработка накопителей с сохранением в каждой ячейке пяти бит (Penta-Level Cell, PLC), что достигается работой электронных схем с тридцатью двумя уровнями напряжения, но реализация этой возможности ждет всех нас, вероятно, в неблизкой перспективе.

Выпуск накопителей с многоуровневым принципом записи/хранения/чтения информации требует очень высокой культуры производства. Из важнейших особенностей таких твердотельных накопителей необходимо отметить, что реализация указанных операций требует наличия в составе архитектуры таких накопителей скоростных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Это иллюстрирует схема, приведенная на рис.3.

Рис. 3. Хранение нескольких бит в ячейке SSD
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Однако указанные технологии повышения плотности информации сокращают время надежного хранения информации. Конечно, с целью компенсации возможных сбоев и, как следствие, искажения и потери информации используются дополнительные ячейки и высокоэффективные алгоритмы, обеспечивающие контроль и восстановление информации. Однако главным результатом является достижение высоких показателей емкости при относительно небольших затратах.

О надежности твердотельных дисков —  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Оценивая возможности зеркальной цифровой камеры Canon EOS 5D Mark III, необходимо отметить, что у обладателей этого аппарата имеется еще и возможность видеосъемки в формате Full HD с разрешением 1080p. При этом реализован контроль глубины резкости, имеется ручное управление экспозицией и расширенный выбор вариантов сжатия видео с высоким битрейтом. Частота кадров может изменяться в диапазоне от 24 до 60 кадров в секунду. Предусмотрен также еще и мониторинг звука в ходе съемки.

Фото 3.  Демонстрация возможностей цифровой камеры Canon EOS 5D Mark III

Производитель данной цифровой камеры подчеркивает, что ее возможности могут быть расширены с помощью использования обширного модельного ряда объективов Canon EF. Это позволяет, по мнению производителя, достичь «кинематографического качества визуальных эффектов».

Являясь частью системы EOS, модель Canon EOS 5D Mark III совместима с более чем 60 объективами EF и принадлежностями для съемки.

Основные характеристики цифровой камеры Canon EOS 5D Mark III в режиме фото:

• JPEG: (L) 5760 x 3840, (M) 3840 x 2560, (S1) 2880 x 1920, (S2) 1920 x 1280, (S3) 720 x 480
• RAW : (RAW) 5760 x 3840 (M-RAW) 3960 x 2640, (S-RAW) 2880 x 1920

Основные характеристики цифровой камеры Canon EOS 5D Mark III в режиме видео:

• 1920 x 1080 (29,97, 25, 23,976 кадров/с) с внутрикадровым / междукадровым сжатием;
• 1280 x 720 (59,94, 50 кадров/с) с внутрикадровым / междукадровым сжатием;
  640 x 480 (59,94, 50 кадров/с) с междукадровым сжатием;
• MOV (Видео — H.264 с внутрикадровым сжатием / междукадровым сжатием, Звук — Linear PCM)

Максимальная продолжительность съемки видео ограничена пределом в 29 мин 59 c. Максимальный размер видеофайла, создаваемого средствами цифровой камеры Canon EOS 5D Mark III, составляет 4 Гбайт.

Фото 4.  Цифровая камера Canon EOS 5D Mark III

Цифровая камера Canon EOS 5D Mark III записывает звук в режиме стерео с частотой дискретизации 48 кГц и позволяет контролировать запись вручную (как и в случае Canon EOS 5D Mark II).

Стандартный разъем для микрофона 3,5 мм позволяет использовать внешние микрофоны от другого производителя. Разъем для наушников обеспечивает контроль над звуком в процессе записи.

Кстати, в конструкции цифровой камеры Canon EOS 5D Mark III предусмотрено использование двух флэш-карт памяти разных форм-факторов и разных интерфейсов:

• CompactFlash Type I (совместимо с UDMA),
• SD, SDHC или SDXC

Запись на них может вестись последовательно, параллельно или раздельно в зависимости от типов формируемых файлов.

В следующей части  данной статьи — некоторые дополнительные технические подробности Canon EOS 5D Mark III.
    

>>    Часть 3