SSD, i-RAM и все-все-все...

Тема твердотельных накопителей (SSD – Solid State Drive) регулярно поднималась в спорах о способах хранения информации со времени их анонса и не утихает до сих пор, тем более что, приложив некоторое количество времени и средств, можно найти и приобрести один из них. Впрочем, такой повышенный интерес к данному вопросу не случаен – как-никак, это первое серьезное посягательство на длившееся долгое время безраздельное царствование накопителей с магнитным принципом хранения информации. Ну что ж, давайте рассмотрим на примере двух твердотельных накопителей Samsung, чем же новички отличаются от привычных нам жестких дисков. Но сперва предлагаю обратиться к теоретическим основам. Все жесткие диски хранят информацию на магнитных пластинах, вращающихся с большой скоростью. Операции записи и чтения информации с этих пластин осуществляются при помощи блока головок, перемещением которых относительно поверхности пластин, а также взаимодействием с внешним интерфейсом и операциями с буферной памятью управляет микроконтроллер. Соответственно, скорость передачи данных зависит от скорости вращения пластин и плотности записи данных. Конечно, по-хорошему не стоит забывать и о пропускной способности интерфейса, по которому накопители общаются с другими устройствами, но в настоящее время у жестких дисков скорость интерфейса заведомо превосходит скорость чтения с пластин, так что пропускная способность интерфейса является важным фактором лишь для внешних накопителей, которых мы не будем касаться в данной статье. При работе с большим количеством блоков данных малого размера у жестких дисков большое влияние на быстродействие накопителя начинают оказывать заложенные в прошивку его микропроцессора алгоритмы работы с буферной памятью. От того, насколько эффективно в накопителе сортируются запросы на запись и осуществляется предварительное чтение с диска, в большой мере зависит его производительность. Это происходит из-за того, что данные могут располагаться в самых разных частях пластин, и при близком к случайному типу нагрузки (а именно такая нагрузка характерна для многих приложений, начиная от баз данных и заканчивая любыми большими коллекциями сравнительно малых файлов – как, например, кэш браузера) значительная часть времени тратится уже не на сами операции записи или чтения, а на подвод головки к нужной точке на пластине. Не менее сложной для накопителей является и ситуация со смешанной нагрузкой, когда к диску за короткое время приходит большое количество обращений, направленных к лежащим в разных частях пластин данным – диску приходится очень активно перемещать головки между разными рабочими зонами (именно "стрекот" головок мы обычно и слышим, поскольку шум от вращения пластин гораздо меньше). В твердотельных накопителях все совсем по-другому: для хранения данных они используют несколько микросхем флэш-памяти, операциями с которыми также заведует микроконтроллер. Тут необходимо вспомнить, что флэш-память относится к памяти типа EEPROM (Electronically Erased Programmable Read Only Memory – Электрически Стираемое Программируемое Постоянное Запоминающее Устройство), то есть она состоит из множества ячеек, построенных на логике "И-НЕ" (флэш-память NAND) или "ИЛИ-НЕ" (флэш-память NOR). Для этого типа запоминающих устройств характерно очень малое время чтения (для этой операции требуется лишь выбрать необходимую ячейку и считать из нее данные) и сравнительно большое время записи, поскольку перед непосредственно записью необходимо произвести стирание существующих в ячейке данных. Время доступа значительно увеличивается в случае многоуровневой организации ячеек (MLC – Multi-Level Cell): в отличие от одноуровневой организации (SLC-Single-Level Cell), при операциях записи во флэш-память с такой организацией приходится предварительно считывать все данные из ячейки, потом их модифицировать, стирать ячейку и лишь затем, собственно, писать данные. Зато MLC-память значительно дешевле в производстве и позволяет достигать больших объемов хранения. Итак, какие же плюсы и минусы твердотельных накопителей мы можем предсказать, исходя из их сущности? В достоинствах, в первую очередь, очень малое время доступа на операциях чтения. Во-вторых, непосредственным следствием этого является высокая скорость операций случайного чтения, в отличие от жестких дисков, сравнимая со скоростью линейного чтения – у флэш-памяти время доступа к произвольно расположенным ячейкам такое же, как и к последовательно расположенным. В-третьих, отсутствие движущихся механических частей должно обеспечить нам малое энергопотребление, полную бесшумность и высочайшую защиту от вибраций – привести флэш-память в нерабочее состояние можно, лишь подвергнув модуль таким нагрузкам, которые приведут к его физическому разрушению. В недостатки же попадает меньшая, по сравнению с жесткими дисками, скорость линейных операций и выход ячеек из строя по истечению некоторого времени – к сожалению, флэш-память выдерживает лишь около ста тысяч операций перезаписи для каждой ячейки. Это не так уж и мало, особенно с учетом того, что современные контроллеры умеют равномерно распределять данные по объему накопителя, тем самым уравнивая нагрузку на разные ячейки – но все же, пока нет надежных данных о сроках службы SSD-накопителей, сбрасывать со счетов этот фактор не стоит. Какие же применения можно предположить для пока еще весьма дорогих, по стоимости хранения 1 ГБ информации, твердотельных накопителей? В первую очередь, это промышленные компьютеры и мощные вычислительные комплексы. Для первых очень актуальной является высокая устойчивость к вибрациям. Кстати, именно как носители с высокой степенью устойчивости к внешним воздействиям первые накопители на флэш-памяти и были востребованы, правда, в основном в военном деле, поскольку для прочих применений их цена была тогда еще слишком высока. Однако снижение цен на флэш-память привело к тому, что этот тип носителей стал интересен и для других заказчиков и, в итоге, появился в розничной продаже. Что же касается мощных вычислительных комплексов, то тут сыграли свою роль сразу несколько факторов: высокая надежность, высокие скорости случайного чтения, обусловленные малым временем доступа, малое тепловыделение и малые габаритные размеры. Последние два пункта оказались особенно актуальны для одноюнитовых серверных платформ. Так, например, в Intel SR1550AL мы можем установить до шести 2,5 накопителей – при использовании SSD это позволяет получить великолепный RAID-массив, способный в секунду обрабатывать огромное количество операций. И все это ценой всего лишь одного слота в серверной стойке. Ну и конечно, нельзя не вспомнить о ноутбуках, а особенно о классе компактных ноутбуков, в которых размер и энергопотребление накопителя имеют огромное значение. В данном случае твердотельные накопители уже медленно, но уверенно завоевывают рынок, вытесняя оттуда малоемкие и медленные 1,8-дюймовые винчестеры. За примерами далеко ходить не надо, достаточно вспомнить уже продающиеся и популярные Apple MacBook Air и Toshiba Portege R500-10U. Впрочем, то были наши теоретические предположения – но насколько современные SSD смогут подтвердить их на практике? Давайте проверим. Со стороны твердотельных накопителей выступают два представителя от компании Samsung, выполненных в форм-факторе 2,5" и имеющих объемы 32 ГБ и 64 ГБ, в качестве же объектов для сравнения мы постарались подобрать максимально разнообразную компанию из лучших на сегодня в своем классе представителей жестких дисков:

Hitachi 7K200 - форм-фактор 2,5 дюйма, скорость вращения пластин 7200 об/мин, буферная память 16 МБ, интерфейс SATA, объем 200 ГБ; Samsung SpinPoint F1 - форм-фактор 3,5 дюйма, скорость вращения пластин 7200 об/мин, буферная память 32 МБ, интерфейс SATA, объем 1000 ГБ; Fujitsu MBA3300RC - форм-фактор 3,5 дюйма, скорость вращения пластин 15000 об/мин, буферная память16 МБ, интерфейс SAS (Serial Attached SCSI), объем 300 ГБ.

В качестве представителя совсем другой весовой категории мы привлекли Gigabyte i-RAM – устройство, позволяющее хранить данные на модулях памяти RAM, но о нем подробнее чуть ниже. Если жесткие диски нам достаточно хорошо известны, то вот новичков, в том числе и i-RAM, предлагаю перед тестами рассмотреть поподробнее.