Евгений Рудометов 
 

За почти три десятка лет, прошедших со времени изобретения флэш-памяти и соответствующих микросхем, устройства хранения информации, созданные на их основе, завоевали известность и популярность. А благодаря прогрессу в области полупроводниковых технологий удалось повысить не только информационную емкость чипов, но и многократно снизить стоимость ее хранения в пересчете на единицу информации.

В результате соответствующие накопители получили большое распространение, особенно это касается изделий, снабженных контроллерами последовательных интерфейсов, в основном — USB. Такие изделия обычно именуют USB флэш-накопителями или просто флэшками.

Модели USB флэш-накопителей, выпускаемые разными производителями, обладают разной емкостью и разным дизайном. Однако общим среди них является то, что в каждом из этих устройств, кроме контроллера, присутствуют микросхемы флэш-памяти, одна или несколько.

Необходимо отметить, что в настоящее время в накопителях используется память NAND. Она представлена соответствующими чипами, в элементарных ячейках которых могут храниться один или несколько бит информации.

В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда, соответствующие логическим значениям нуля и единицы. Такие ячейки называют одноуровневыми (single-level cell, SLC).

В многобитовых ячейках — несколько уровней заряда. Они способны в каждой ячейке хранить два или даже три бита информации, что соответствует четырем и восьми уровням заряда (и уровням выходного напряжения). Такие ячейки называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC).

При этом следует отметить, что чипы MLC NAND являются существенно более дешевыми и более емкими, чем традиционные SLC NAND.

Однако чипы флэш-памяти MLC NAND обладают большим временем доступа и меньшими скоростными показателями. К сожалению, характеризуются еще и меньшим числом возможных перезаписей, уступая по этим параметрам SLC NAND.

Последний показатель является, по сути, особенно важным для пользователей, которые заинтересованы в надежных накопителях, обладающих максимальным ресурсом работы. Впрочем, даже в тех случаях, когда число возможных перезаписей исчисляется всего-навсего тысячами или даже сотнями, этих значений вполне достаточно для выпуска на основе чипов с многоуровневыми ячейками вполне привлекательных и востребованных устройств, не прибегая к сложным схемотехническим решениям и изощренным алгоритмам защиты информации.

Используя чипы флэш-памяти MLC NAND, производители флэш-накопителей, снабженных контроллерами USB (USB-накопителей), выпускают различные модели, отличающиеся привлекательным соотношением емкости и цены.

В качестве примера недорогих накопителей можно привести модель Kingston DataTraveler 101 G2 8GB (рис. 1).

Рис. 1.  Kingston DataTraveler 101 G2 8GB

Параметры и некоторые особенности USB-накопителя Kingston DataTraveler 101 G2 8GB —  в следующей части  данной статьи.
   

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 3 
  

В модели Momentus XT 750 Гбайт реализован комплекс FAST Factor, обеспечивающий высокую производительность данного SSHD.

FAST Factor — это набор функций SSHD, связывающий сильные стороны SSD и HDD в одном устройстве, что увеличивает производительность, обеспечивает надежность и простоту.

FAST Management — это «бесшовная» интеграция твердотельной памяти и HDD. На практике это означает, что не требуется ни драйверов, ни патентованных решений. В дополнение к этому это означает наличие самообучаемости, а также безрисковой целостности данных

FAST Boot обеспечивает быструю загрузку, которая требует втрое меньше времени по сравнению с обычным HDD.

Adaptive Memory — комплекс специальных самообучаемых алгоритмов. По сути, является «рабочей лошадкой» гибридного накопителя. Обеспечивает:

• работу алгоритмов слежения за доступом к данным,
• перемещение часто используемых данных во флэш-память,
• удержание часто используемых данных во флэш-памяти.

В дополнение к этому Adaptive Memory динамически улучшает время отклика и время загрузки приложений, основываясь на опыте их использования. Подстраивает производительность системы под задачи пользователя. В результате обеспечиваются высокие эксплуатационные характеристики. И в первую очередь это касается показателей производительности, превышающих уровни предыдущей старшей модели (рис. 3).

Рис. 3.  Влияние Adaptive Memory на производительность

Итак, диски Momentus XT характеризуются следующими свойствами:

• скоростные свойства приближаются к SSD,
• информационная емкость как у HDD,
• удобны и надежны в работе,
• просты в эксплуатации,
• доступны.

Кроме того, Momentus XT — это решение в стиле Plug and Play при любой ОС и любом наборе системной логики и любой архитектуре. Не требует специального ПО и драйверов. Содержит надежную SLC Flash для ускорения загрузки. И что важно, все данные всегда имеют копию на HDD, что повышает надежность.

Что касается скоростных свойств гибридного накопителя Momentus XT 750 Гбайт, то их иллюстрируют приведенные ниже результаты сравнительного тестирования.

Результаты сравнительного тестирования гибридного накопителя Momentus XT 750 Гбайт приведены  в следующей части  данной статьи. 
    

>>    Часть 5  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 2 
  

Гибридные накопители, выпускаемые компанией Seagate в линейке ее 2,5-дюймовых изделий, получили наименование Momentus XT. И если несколько месяцев назад старшим представителем этой линейки являлась модель с информационной емкостью 500 Гбайт, то совсем недавно эта линейка была расширена за счет еще более емкой модели, информационный объем которой составил 750 Гбайт.

Внешний вид модели Momentus XT 750 Гбайт приведен на рис. 2.

Рис. 2.  Momentus XT 750 Гбайт

Основные характеристики гибридного накопителя Momentus XT 750 Гбайт представлены в таблице 1. 

Таблица 1.              Основные    характеристики
гибридного накопителя Momentus XT 750 Гбайт 

В следующей части  данной статьи описан ряд технологий и функций, реализованных в накопителе Momentus XT 750 Гбайт . 
    

>>    Часть 4  
      

Евгений Рудометов 
 

Рост объемов мультимедийной информации и размеров системных и прикладных программных файлов, исчисляемых уже нередко в гигабайтах. Все это требует соответствующих технических средств обработки и хранения программ и данных.

Эти технические средства в процессе работы с информацией должны обеспечивать:

• быструю запись,
• возможность оперативного изменения,
• надежное, долгосрочное хранение программ и данных.

В компьютерных системах на эту роль уже сравнительно давно претендуют средства, созданные на основе проверенных временем следующих технологий:

• технологии записи на жесткие магнитные диски,
• технологии записи в массивы микросхем флэш-памяти.

Первая из них привела к созданию накопителей на жестких магнитных дисках (жестких дисков, HDD).

Вторая — к накопителям SSD, которые часто называют еще и твердотельными накопителями (SSD, Solid State Drive).

Достоинствами HDD являются:

• очень высокая емкость выпускаемых накопителй,
• очень низкая стоимость единицы хранения информации.

Достоинствами SSD являются:

• малый вес,
• компактность,
• энергоэкономичность,
• устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам.

Однако обладатели компьютерных систем, более половины которых составляют пользователи ноутбуков, хотят большей производительности при максимальном удобстве использования и минимальных тратах своих денежных средств. Это касается всех комплектующих, включая и накопители информации, обеспечивающие энергонезависимое хранение программ и данных.

К сожалению, при всех достоинствах микросхем флэш-памяти цена хранения информации с их помощью пока еще сравнительно высока.

В результате, несмотря на сравнительно быстрое снижение стоимости данных микросхем (и соответствующего уменьшения стоимости единицы хранения информации), существующие цены накопителей SSD не позволяют им вытеснить традиционные накопители, работа которых основана на использовании технологий магнитной записи.

Действительно, стоимость единицы хранения информации в SSD существенно выше стоимости хранения в HDD.

Как показывает опыт, твердотельные накопители часто и стоят в десять раз больше своих традиционных соперников. Особенно это касается старших моделей SSD, создаваемых на основе высококачественных, но весьма дорогих элементах.

Именно поэтому в настоящее время накопители на жестких магнитных дисках сохраняют свое доминирующее положение в компьютерных системах оперативной обработки информации.

При этом наибольшее распространение получили модели со скоростью вращения их магнитных дисков 5400 и 7200 оборотов в минуту (об/мин, RPM).

Конечно, как альтернатива традиционным моделям HDD, существуют специальные модели со скоростью вращения дисков 10 000 об/мин. Это обеспечивает существенно большую скорость чтения и записи информации по сравнению с накопителями, диски которых вращаются со скоростями 5400 и 7200 об/мин.

Однако HDD с дисками 10 000 об/мин характеризуются значительным энергопотреблением и теплообразованием, а также повышенными вибрациями.

Кроме того, они еще и вдвое дороже обычных HDD, и в целом они сравнительно малоэффективны.

Остается добавить, что их крайне трудно использовать в компактных системах, особенно это касается мобильных устройств, примером которых служат ноутбуки и нетбуки.

Альтернативные варианты рассмотрены  в следующей части  данной статьи. 
    

>>    Часть 2  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 2 
  

Итак, как отмечалось в предыдущей части статьи, работу гибридного накопителя оптимизирует технология адаптивной памяти Adaptive Memory.

Аппаратно-программные средства, реализующие Adaptive Memory, анализирует, какие приложения и файлы с данными используются чаще всего.

Часто используемые данные они помещает в твердотельную память, представленную микросхемой флэш-памяти SLC NAND (рис. 3).

Рис. 3.  Микросхема SLC NAND

Это означает, что многократно используемые данные помещаются в быстродействующую память, работа с которой осуществляется значительно быстрее, чем с дисками HDD. Такая организация способствует росту производительности компьютерной системы, в составе которой используется гибридный накопитель.

Все это означает, что в случае часто используемых данных производительность системы хранения данных, представленной гибридным накопителем (накопителями), а следовательно, и всей компьютерной системы, может значительно возрасти. Этому и способствует технология Adaptive Memory.

Об эффективности применения технология Adaptive Memory свидетельствуют данные, приведенные на рис. 4. 

Рис. 4.  Рост производительности благодаря технологии Adaptive Memory

Что же касается оценки реальной производительности представленного на ознакомление семпла гибридного накопителя, то ее, как всегда, целесообразно выполнить оценить на основе проведения процедуры тестирования.

Конфигурация тестовой системы и оценка скоростных параметров гибридного накопителя ST95005620AS, созданного и выпущенного компанией Seagate, приведены  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 4 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Итак, основные параметры жесткого диска гибридного накопителя модели ST95005620AS приведены в таблице 1.

Таблица 1.  Параметры накопителя HDD  ST95005620AS

Линейка гибридных накопителей (SSH), часто называемых гибридными жесткими дисками, Momentus XT, созданных и выпускаемых компанией Seagate, состоит из нескольких моделей, емкость которых в настоящее время составляет:

• 250 Гбайт,

• 320 Гбайт,

• 500 Гбайт.

Данные модели согласно технической документации, размещенной на сайте производителя, способны выдерживать значительные ударные нагрузки:

• в нерабочем состоянии — до 900 G (1 ms),

• в    рабочем  состоянии — до 350 G (2 ms).

Маркировка старшей модели гибридного накопителя Momentus XT, обладающей информационной емкостью 500 Гбайт, приведена на рис. 2

Рис. 2.  Маркировка накопителя Seagate Momentus XT 500 Гбайт

Seagate Momentus XT — это гибридный накопитель, управляемый встроенным программным обеспечением, реализующим специальную технологию. Данная технология позволяет достичь производительности, как у твердотельных устройств, и при этом превзойти их в емкости благодаря использованию HDD.

Конструктивно гибридный накопитель состоит из следующих компонентов:

• 2,5-дюймового HDD со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин,

• кэш-памяти объемом 32 Мбайт,

• твердотельной флэш-памяти SLC NAND объемом 4 Гбайт.

Оптимизирует же работу гибридного накопителя технология адаптивной памяти, названная ее разработчиками технологией Adaptive Memory.

Особенности работы технологии Adaptive Memory приведены  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 3 
      

Евгений Рудометов
 

 >>    Часть 1   
  

Конструкторы компании Seagate создали устройства, каждое из которых представляет симбиоз твердотельного накопителя (SSD ) и накопителя на жестких магнитных дисках (HDD). Это означает, что они объединили два таких накопителя в единое изделие, как по форме, так и с точки зрения операционной системы.

Это позволило использовать сильнейшие стороны обеих технологий:
  -  скорость ,  
  -  доступную по цене информационную емкость .

Линейка гибридных накопителей (SSH) линейки Momentus XT в настоящее время состоит из трех моделей, емкость которых составляет:
  -  500 Гбайт  (модель  ST95005620AS),
  -  320 Гбайт  (модель  ST93205620AS),
  -  250 Гбайт  (модель  ST92505610AS).  

Конструктивно гибридный накопитель состоит из 2,5-дюймового HDD со скоростью вращения жестких магнитных дисков 7200 об/мин и встроенной в состав HDD кэш-памяти объемом 32 Мбайт,  а также и твердотельной флэш-памяти SLC NAND объемом 4 Гбайт.

Основные параметры SSH приведены в таблице 1.
       

Таблица 1. Основные параметры гибридных накопителей Momentus XT 

        
Оптимизирует работу гибридного накопителя технология адаптивной памяти Adaptive Memory. Реализованные в рамках данной технологии алгоритмы слежения выделяют часто используемые программы и данные, которые после выполненного отбора помещаются в SSD-часть гибридного накопителя. Таким образом технология Adaptive Memory динамически улучшает время отклика и время загрузки приложений в зависимости от частоты использования. Это означает, для часто используемых данных производительность компьютерной системы может значительно возрасти. Об этом, кстати, свидетельствуют данные, приведенные на рис. 2.
       

Рис. 2. Оценка эффективности технологии Adaptive Memory
     

Результаты  дополнительного тестирования и оценки  стоимости  компьютерных систем с  SSH  приведены в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 3  
      

Евгений Рудометов
 

Объемы накапливаемой информации продолжают быстро нарастать. Кроме традиционных офисных документов, связанных с бизнесом, объектами хранения становятся многочисленные фотографии, аудио и видеофайлы.

Согласно данным аналитической компании IDC, в 2006 году было сгенерировано около 161 млрд. гигабайт (161 экзабайт). В 2007 г. общий объем хранимой пользователями информации составил уже 281 экзабайт (1 экзабайт = 1*10¹⁸ байт), годом позже этот объем увеличился еще примерно в два раза. Не менее быстрыми темпами прирастала информация и в 2009 г. А в 2011 г. накопленный объем, по прогнозу экспертов агентства, достигнет уровня в 1,8 зеттабайт (1 зеттабайт = 1*10²⁴ байт), то есть в 10 раз больше, чем сумели накопить пользователи в 2006 году.

Остается добавить, что всю эту информации необходимо где-то хранить. Более того хранить так, чтобы пользователи могли получить к ней быстрый и удобный доступ через собственные компьютеры.

В настоящее время создан широкий спектр различных средств, позволяющих хранить файлы и данные. Одни из них ориентированы на стационарное применение, другие — допускают мобильное использование. Учитывая быстрый рост популярности ноутбуков и нетбуков, последние представляют наибольший интерес.
    

Два типа накопителей

Сегодня в качестве перспективных средств оперативного, энергонезависимого хранения информации рассматриваются созданные на основе флэш-памяти твердотельные накопители SSD (Solid State Drive, Solid State Disk). Накопитель SSD — это энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей, создается на основе микросхем энергонезависимой флэш-памяти, управляемых встроенным (обычно многоканальным) контроллером.

Накопители SSD, как ожидается, уже в ближайшие несколько лет смогут существенно потеснить традиционные накопители на жестких магнитных дисках (HDD).

Действительно, современные модели SSD характеризуются очень высокой скоростью записи и чтения, превышающей в ряде моделей 150 Мбайт/с, а также временем доступа — менее 0,1 мс. При этом современные SSD обладают высокой энергоэкономичностью, малыми габаритами, совпадающими с HDD форм-факторов 1,8” и 2,5”, интерфейс — SATA 3 Гбит/с.

Пример SSD приведен на рис. 1.
    

Рис. 1. Пример SSD
     

Информационный объем некоторых высокоемких и пока очень дорогих моделей уже достиг уровня 250 Гбайт. Анонсированы и полутерабайтные модели.

К сожалению, у SSD есть и недостатки. Прежде всего, цена: для высокопроизводительной модели SSD объемом 250 Гбайт и обладающей повышенной надежностью она обычно превышает $1000. Кстати, о надежности. Дело в том, что современные технологии флэш-памяти, лежащие в основе SSD, предусматривают  только ограниченное число циклов перезаписи информации.

Для технологии SLC и созданных на их основе микросхем число циклов перезаписи составляет около 100 000 циклов, а для MLC, которая существенно дешевле — около 10 000 циклов. Здесь следует напомнить, что SLC — Single-Level Cell — это обычная, одноуровневая флэш-память память, обеспечивающая хранение в каждой ячейке только одного бита, а MLC — Multi-Level Cell — это многоуровневая флэш-память с хранением в каждой ячейке более одного бита информации (обычно два бита). После исчерпания ресурса флэш-памяти требуется замена микросхем.

Для повышения времени бесперебойной эксплуатации SSD конструкторы увеличивают ресурс работы своих моделей за счет внедрения специальных встроенных алгоритмов оптимизации работы. Так, например, в SSD минимизировано число стираний информации, ограничиваясь внесением соответствующих изменений только в таблицу файлов. Кроме того, встроенные программы ведут учет за циклами перезаписи и следят за тем, чтобы все ячейки флэш-памяти участвовали в этих циклах с одинаковой частотой. Это позволяет обеспечить равномерное изнашивание ячеек памяти.

Внедрение подобных инноваций позволяет разработчикам новейших моделей SSD объявлять о достижении уровней надежности: более 1 000 000 часов наработки на отказ, гарантия безотказной работы в течение 3-5 лет при ежедневной перезаписи нескольких гигабайт информации. Но это касается только новейших моделей, выпущенных известными компаниями, а поэтому обладающих немалой ценой: SSD 256 Гбайт — более $1000.

Достоинства и недостатки накопителей на жестких магнитных дисках (HDD) рассмотрены  в следующей части  данной статьи.
    

 >>    Часть 2