Робота із жорсткими дисками. SSD накопичувачі
Альтернативи жорстким дискам: SSD і H-HDD
Про перспективні технології, традиційних жорстких дисків, що гіпотетично є наступниками, таких як твердотільні (Solid State Disk, SSD) і гібридні (Hybrid HDD, H-HDD), напевно чули всі. Затверджується, що в порівнянні із звичайними HDD у них є маса переваг, проте ж продукти, в яких би вони використовувалися, поки що представлені на ринку не дуже широко. Спробуємо знатися на причинах такої ситуації, а також сформулювати декілька прогнозів не тільки на найближчий час, але і на майбутнє.
Дивна справа – в маркетингових матеріалах практично кожного виробника систем зберігання даних раз у раз зустрічаються барвисті презентації, що оповідають про те, як твердотільні і гібридні накопичувачі в порівнянні з традиційними жорсткими дисками можуть підвищити швидкодію ПК і понизити його енергоспоживання. Та ось тільки від їх перегляду залишається подвійне відчуття – з одного боку, технології насправді обіцяють бути цікавими і корисними, але з іншої – де ж вони, в конце-концов?
Дійсно, спроби виявити в роздрібному продажі як накопичувачі SSD, так і H-HDD навряд чи увінчаються успіхом. Більш того, отримати зразки цих продуктів на тестування також може виявитися безрезультатною затією – виробники починають м'яти і обіцяти надати їх «декілька пізніше», «коли вийде нове покоління», «коли це буде актуальніше» і так далі Створюється таке враження, що вони і самі не дуже-то горять бажанням показувати плоди своїх зусиль широкій публіці, але чому? Адже ноутбуки з використанням як тій, так і іншій технології вже давно доступні навіть на локальному ринку!
Настала пора нарешті з'ясувати це питання, хай і не зовсім традиційним шляхом. І отримавши на тестування два ноутбуки VAIO виробництва компанії Sony, яка славиться інтенсивним використанням самих передових напрацювань в своїх моделях, ми невимовно зраділи, виявивши в одному з них SSD, а в іншому, відповідно, – H-HDD. Проте спершу має сенс розглянути їх окремо, як явище, і лише потім говорити про їх роботу у складі даних портативних ПК. SSD: на вагу золота
Твердотільні диски не є чимось абсолютно новим, оскільки є аналогами всім відомих карт-памяті і «флешек», тільки оснащених контроллером із спеціальним інтерфейсом – часто SATA або PATA. Для того, щоб успішно конкурувати з HDD по ємкості, необхідний достатньо великий об'єм флэш-памяти – десятки гігабайт, тому у складі SSD використовуються мікросхеми Nand-флеш з так званою великоблочною структурою (Large Block Structure; як побачимо пізніше, це досить важливе зауваження). А щоб не відставати від традиційних жорстких дисків за швидкістю роботи, виробникам SSD-устройств доводиться застосовувати в їх складі швидкодіючі мікросхеми SLC (Single Level Cell), в протилежність масовим MLC-чипам, що застосовуються в інших областях (Multi Level Cell, тобто що зберігає в одному осередку декілька рівнів заряду і, отже, більш за один біт інформації). В даний час MLC є прогресивнішою, високоємкою і дешевою технологією, проте по проїзводітельності і надійності такі мікросхеми поки що не можуть порівнятися з SLC-аналогами.
В результаті можна виділити три ключові взаємозв'язані чинники, SSD-накопителей, що найбільшою мірою впливають на використання, в реальних продуктах: об'єм, швидкодія, ціна. Як у відомому анекдоті, на сьогодні виробники можуть виконати одночасну оптимізацію лише два з них, причому це неминуче позначиться на третьому в негативному ключі. Так, ємкі і швидкі SSD будуть нечувано дорогими, ємкі і дешеві – досить повільними, а швидкі і доступні за вартістю не зможуть похвастати скільки-небудь істотним по сучасних мірках об'ємом. І на даний момент приводів для дійсно серйозних змін ситуації тут не спостерігається – принаймні, до виходу на ринок нових перспективних типів флэш-памяти, такий як PCM (Phase Change Memory).
Як вже мовилося, як основні переваги використовуваних в ноутбуках сучасних SSD згадуються висока продуктивність і низьке енергоспоживання. Компенсацією за це служать нерекордні об'єми і досить висока ціна. Давайте ж подивимося, що ми маємо на практиці. SSD vs. HDD: хто швидший?
Графіки лінійного читання і часу доступу для SSD і H-HDD
Для прикладу візьмемо SSD-накопитель, встановлений в VAIO Tz195n. Ця модель Mcbqe48gkmpq-m1a виробництва Samsung володіє об'ємом 48 ГБ, виконана у формфакторі 1,8 дюйма, оснащена інтерфейсом Sata-2 і побудована на базі мікросхем Nand-флеш цієї ж компанії (48 чіпів по 16 Гб), що використовують великоблочну структуру. Останнє, по суті, говорить нам про те, що до пам'яті такого типу можливий лише сторінковий доступ, і розмір сторінки досить великий навіть по мірках дискової підсистеми – так, типовими є блоки по 128 КБ. На жаль, з'ясувати номенклатуру вживаних чіпів не вдалося, оскільки для цього необхідно розкривати корпус накопичувача, проте в каталозі Samsung Semiconductor можна без зусиль виявити всі мікросхеми, які могли б використовуватися в цьому SSD. Вся корисна інформація, яку можна про них дізнатися, полягає в наступному: напруга живлення складає 3,3 В, а час доступу – 25 нс.
Специфікації самого SSD змістовніші. Тут, зокрема, згадуються такі параметри, як максимальні швидкості послідовного і випадкового читання і запису, і з погляду підвищення швидкодії системи саме вони і представляють найбільший інтерес: Maximum Sequential Read Rate: 100 МБ/С; Maximum Sequential Write Rate: 80 МБ/С; Maximum Random Read Rate: 80 МБ/С; Maximum Random Write Rate: 30 МБ/С.
Як видно, при переході від послідовного читання до випадкового швидкодія накопичувача знижується всього на 20%, з чого можна зробити вивід, що швидкість прочитування інформації будь-якого об'єму тут дійсно висока. Але зовсім інакше йде справа із записом. Погляньте: якщо при потоковому записі досягається цифра, порівнянна із швидкістю читання, – 80 МБ/С, то при переході до випадкового характеру цього процесу даний показник падає більш ніж удвічі – до 30 МБ/С! Це прямий наслідок великоблочної організації вживаної флэш-памяти: адже для запису декількох байтів інформації за конкретною адресою накопичувачу доводиться спочатку рахувати весь блок даних, потім виконати операцію стирання (erase) флэш-памяти і лише потім знов його записати.
Таким чином, виводи про продуктивність такого SSD-накопителя на практиці можна зробити навіть просто дивлячись на його специфікації. При прочитуванні інформації він як мінімум не відстане від сучасних HDD (і при цьому, можливо, навіть перевершить 2,5- і 1,8-дюймові пристрої), а ось при записі його швидкодія цілком визначатиметься характером цієї операції – для потоків і крупних файлів воно виявиться цілком адекватним, але з файлами малих об'ємів і при множинних операціях з випадковим чином розташованими блоками розміром в декілька кілобайт відчуватиметься серйозне уповільнення роботи.
Тестування лише подверждаєт наші попередні виводи. Графік послідовного читання, побудований HD Tune, ще ніколи не виглядав так красиво – практично постійні 53 МБ/С при середньому часі доступу всього 0,3 мс! Порівняєте з результатами 2,5-дюймового жорсткого диска – крива на графіці спадає від внутрішніх доріжок до зовнішніх, тому при максимальній швидкості прочитування 50 МБ/С середня опиниться набагато менше – всього близько 40 МБ/С, та і час доступу зовсім інше: 16 мс. Ну а для 1,8-дюймових накопичувачів, альтернативою яким і є ця модель SSD від Samsung, ці показники ще гірші.
Тепер що стосується запису. На жаль, зважаючи на те що накопичувач був встановлений в ноутбуку, провести низькорівневі тести швидкодії нам не вдалося, і ми обмежилися операціями на файловому рівні. Пакет FC Test створював набір файлів на накопичувачі по декількох заздалегідь визначених шаблонах. Programs є набором безлічі невеликих файлів до 1 МБ, Mp3 – файлів середнього розміру від 2 до 10 МБ і ISO – крупних файлів об'ємом від 500 МБ. Порівняння з жорстким диском, підключеним до настільної системи, підтверджує зроблені раніше прогнози: відставання SSD в два і більше разів. Справедливості ради потрібно відзначити, що швидкодія ноутбучного жорсткого диска при записі файлів малого об'єму також істотно падає, проте для SSD це падіння виражене ще сильніше. Sony VAIO Tz/sz і енергозбереження 12-дюймовий Sony VAIO Tz195n працює від батареї до 9 ч
Ультрапортатівниє лептопи VAIO, до яких відносяться дані моделі, окрім маси інших позитивних моментів, характеризуються однією видатною особливістю – рекордними по індустрії показниками часу автономної роботи. Чому це так, стає зрозуміло, коли починаєш аналізувати шляхи, якими були досягнуті такі високі показники, і залишається лише аплодувати інженерній майстерності розробників Sony.
im Візьмемо, наприклад, найкомпактнішу модель – Tz195n, аналоги якої вже неодноразово бували в нашій Тестовій лабораторії. Окрім очевидних шляхів підвищення часу автономної роботи, таких як використання економічного процесора Core 2 Duo класу ULV і високоефективного світлодіодного підсвічування ЖК-экрана, тут застосовуються і менш поширені, а в чомусь і унікальні методи. Так, для максимального зниження енергоспоживання користувачеві надається можливість відключати живлення не тільки безпровідних адаптерів Wi-fi і Bluetooth, але і оптичного привотак, адаптера Ethernet і портів розширення. Проводиться це програмним шляхом, безпосередньо за допомогою Windows-утилиты, причому пристрої дійсно відключаються повністю, оскільки вони пропадають із списку устаткування Device Manager, а при включенні система наново виконує їх виявлення і установку. Sony VAIO Sz6rxn з діагонаью екрану 13 дюймів оснащений H-HDD
Більш габаритна 13-дюймова модель VAIO Sz6rxn відрізняється наявністю відразу двох відеоадаптерів – інтегрованого і дискретного. Перший задіюється при необхідності максимальної економії енергії, другої, – для досягнення підвищеної швидкодії в 3D-графике або ж при прогляданні відео високої чіткості, причому користувач вольний вибирати між ними самостійно, за допомогою механічного перемикача.
І нарешті, новим словом в справі підвищення енергоефективності стали твердотільний і гібридний накопичувачі в Tz195n і Sz6rxn відповідно. Про результати, продемонстровані оснащеними ними ноутбуками, читайте в основному тексті статті. SSD і енергоспоживання
Ще одним важливим аргументом на користь застосування SSD в ноутбуках називається їх економічність по живленню. Вважається, що типовий твердотільний накопичувач здатний істотно продовжити час автономної роботи мобільного ПК. Але чи так це?
Електричні параметри даного SSD згідно специфікації такі: напруга живлення 3,3 В, а споживана потужність залежить від режиму роботи пристрою: Read/write: 0,34/0,35 Вт; Idle: 0,19 Вт; Standby: 0,1 Вт; Sleep: 0,1 Вт.
Дійсно, здавалося б, зовсім небагато, долі вата. Але справедливості ради давайте порівняємо їх з показниками для жорсткого диска, наприклад 1,8-дюймовій моделі Samsung Spinpoint N2 60 ГБ (з частотою обертання 3600 об/мін): напруга живлення 3,3 В, піковий струм при старті шпінделя 0,4а (тобто пікове споживання потужності 1,32 Вт), а також: Seek: 0,8 Вт; Read/write: 0,9 Вт; Idle 0,30 Вт; Standby 0,07 Вт; Sleep 0,07 Вт.
З одного боку, споживання вище в два і більше разів. З іншої – мова все також йде про долі вата! Так чи буде взагалі помітна різниця в енергоспоживанні цих пристроїв на тлі всієї системи? Адже за вартістю і по ємкості 1,8-дюймові диски виграють у SSD дуже навіть істотно...
Як завжди, на практиці все виявляється набагато цікавішим в порівнянні з теоретичними вигадками. Тестування за допомогою Battery Eater показало, що ноутбук VAIO Tz195n, оснащений твердотільним диском, після активації всіх функцій енергозбереження здатний пропрацювати більше 5 ч при відчутному навантаженні на CPU і відеопідсистемі, і більше 9 ч (!) – в режимі читання. На жаль, зважаючи на відсутність в нашому розпорядженні аналогічної моделі, обладнаної традиційним жорстким диском, досить складно сказати, наскільки великий внесок самого накопичувача в досягнення таких рекордних результатів. Тому ми все ж таки дуже сподіваємося з часом дістати на тестування модуль SSD, так би мовити, в «чистому вигляді», щоб оцінити порядок що надається їм енергетичної переваги точніше.
Ну а якщо порівнювати SSD більш «ненажерливим» 2,5-дюймовим HDD, то вигода від застосування твердотільного диска стає очевидною, оскільки споживання першого буде нижче вже раз в чотири-п'ять. З іншого боку, і розривши між технологіями по ємкості і вартості також істотно збільшується. Чи є у SSD для упевненої переваги ще які-небудь козирі в рукаві? Надійність і термін служби
Виявляється є, причому чималі. За статистикою майже кожен другий користувач мобільного жорсткого диска в конце-концов стикається з його виходом з ладу – в результаті падіння, удару або інших механічних дій на точну механіку HDD. Нічого не поробиш – жорсткі диски взагалі досить «ніжні» пристрої, а вже мобільні 2,5- і 1,8-дюймові – і поготів.
А ось SSD, на відміну від них, практично не схильні до проблем механічних дій – принаймні, поки вони не перевищують ударні 1500 g (протягом 0,5 мс) або ж 20 g постійних вібрацій на частотах від 10 Гц до 2 кгц. Для порівняння, як йде справа з 1,8-дюймовими жорсткими дисками: ударні навантаження в працюючому стані до 600 g (2 мс), вібрації ж всього до 0,67 g. До того ж висота над рівнем морить, на якій HDD-накопитель зберігає працездатність, обмежена від –300 до 3000 м.
Нарешті, такий основоположний параметр для систем зберігання, як MTBF (Mean Time Between Failure, час бессбойной роботи) – для SSD він складає 2 000 000 ч. Для жорстких дисків він нормується інакше – виробники гарантують виконання 600 тис. операцій парковки/распарковки головок, тому зіставити ці показники безпосередньо не вдалося.
І найцікавіше – проблема «зносу» Nand-флеш, якій колись приділялася багато уваги. Полягала вона в тому, що після проведення безлічі циклів операцій стирання і запису значення в осередок надійність зберігання даних значно знижувалася, і через деякий час осередок ставав збійним і з подальшої роботи виключалася. За заявою виробників, сьогодні за рахунок вдосконалення технології, а також застосування комплексних алгоритмів розподілу циклів запису по всьому масиву пам'яті ця проблема з порядку денного знята, і сучасному SSD можна користуватися точно так, як і звичайним HDD. З часом, звичайно, певне «старіння» пристрою відбуватися буде, проте воно виражатиметься не в появі збійних блоків, а в невеликому, практично непомітному зменшенні об'єму доступної пам'яті.
Трохи розібравшись з SSD, спробуємо проаналізувати ще одну технологію, покликану удосконалити системи зберігання даних. H-HDD: про користь і шкоду компромісів
Розмови про широке застосування гібридних жорстких дисків (H-HDD), причому як в мобільних, так і в настільних системах, почалися одночасно з популяризацією флэш-памяти. Власне, покладена в основу ідея досить очевидна – створити пристрій, що поєднує в собі достоїнства жорсткого диска, з одного боку, і незалежній твердотільній пам'яті – з іншою. Все було б добре, якби разом з достоїнствами обох технологій якимсь чином вдалося компенсувати їх недоліки – проте, як це часто трапляється, вийшло навпаки.
До того ж на практиці з'ясувалося, що змонтувати на платі електроніки HDD додатковий набір мікросхем NAND Flash особливої технічної трудності не представляє. Набагато складніше придумати, що потім з ним робити, тобто знайти шляхи найбільш ефективного використання такого гібридного рішення. Ось тут-то і виявилось, що такого ж очевидного рішення в даному випадку немає, оскільки набувають чинності все ті ж обмеження сучасної флэш-памяти, що і для SSD. Виробники не можуть оснащувати жорсткі диски флэш-буфером великого об'єму, оскільки це дуже їх здорожить; з іншого боку, даний буфер має бути також і вельми швидкодіючим – як мінімум швидше за найжорсткіший диск, що також позначається на кінцевій вартості. В результаті сучасні гібридні диски, подібні встановленому в Sony VAIO Sz6rxn (Seagate Momentus 5400 PSD St91608220as), оснащуються буферною флэш-памятью... всього у 256 МБ (а також традиційною кеш-пам'яттю 8 МБ). Чи можлива взагалі ефективна робота такого решенія? Загадковий Readydrive
Технологія Vista Ready Drive для своєї роботи не вимагає якого-небудь втручання користувача
Роботою з гібридними дисками під Windows Vista управляє технологія Vista Readydrive, але алгоритми її функціонування як мінімум неочевидні. Так, в налаштуваннях гібридного накопичувача в диспетчерові пристроїв з'являється вкладка кеш», що «Зберігається, де мовиться про наявність на диску флэш-буфера і про те, що використання його за призначенням може поліпшити продуктивність системи – проте ніде не відображається, включена підтримка Readydrive цього накопичувача чи ні? Замість цього нам пропонують скористатися редактором групової політики (gpedit.msc), де можна в явному вигляді заборонити користуватися Readydrive (пункт «Відключити функцію "Незалежний кеш"»), але знову-таки абсолютно незрозуміло, чи включена вона за умовчанням і чи працює в даний момент.
Після невеликого дослідження з'ясувалося, що вже само наявність вкладки кеш», що «Зберігається, у властивостях накопичувача говорить про те, що Readydrive для нього задіяна. Проте можливість управляти її роботою або яким би то не було чином настроювати її в Vista просто не передбачена. Кілька разів спробувавши зміряти час згортання/розгортання системи в Stand-by і Hibernate при включеній і відключеній опції в панелі gpedit.msc, ми не виявили зовсім ніякої різниці, що виходить за рамки погрішності вимірювань. Та і в звичайній роботі наявність 256 МБ незалежної кеш-пам'яті ніяк себе не проявило. Як виявився згодом, для того, щоб Readydrive помістила певну область даних в кеш, що зберігався, необхідні регулярні звернення до неї, причому перемежані періодичними перезавантаженнями ПК – тільки тоді Readydrive нарешті «зміркує» розмістити необхідні дані в кеш-пам'яті.
Як підвищити ефективність H-HDD
Розміркувавши, можна зробити наступні виводи. Кеш, що зберігається, в гібридному накопичувачі буде ефективний лише тоді, коли за об'ємом він порівняється або перевершить оперативну пам'ять ПК. Тоді при необхідності переходу в режими Stand-by, Hibernate, а також при неінтенсивній роботі, наприклад з документами, Readydrive зможе вимкнути шпіндель накопичувача і користуватися для роботи з ними і файлом підкачки виключно флэш-памятью, що благотворно позначиться на часі автономного функціонування ноутбука. Що ж до продуктивності, то при сьогоднішніх швидкостях чіпів MLC NAND виграш тут якщо і буде, то вельми незначний, да і то помітний лише при операціях читання даних.
Досвідченим користувачам також вельми стала в нагоді б можливість ручного управління незалежним кеш-буфером або принаймні його частиною. Знаючи заздалегідь, з якими файлами і програмами вам належить працювати, їх можна було б заздалегідь розмітити в цій області, тим самим позбавивши алгоритм Readydrive від необхідності «вгадувати» потрібні файли.
Таким чином, поки на ринок не вийде наступне покоління гібридних жорстких дисків, що надають користувачам значно більший об'єм незалежної буферної пам'яті, а технологія Vista Readydrive не обзаведеться «людською особою», тобто хоч якимись можливостями ручного управління і контролю, користь від застосування H-HDD навіть в мобільних системах, на жаль, прагне до нуля. Що вже говорити про настольних ПК, де економія електроенергії – далеко не першочергове завдання...
Висновки
Обидві альтернативні технології вже досить довгий час носять звання «перспективних» і, за великим рахунком, ще не скоро його позбудуться. Першою і поки практично єдиною сферою, де можливе їх ефективне використання, є мобільні обчислення. Твердотільні диски дійсно володіють рядом переваг перед традиційними «нотбучнимі» HDD, такими як висока швидкість прочитування, підвищена надійність, відсутність рухомих частин, економічність в енергоспоживанні. Проте на даному етапі розвитку флэш-памяти у SSD є і істотні недоліки – висока вартість, невеликі об'єми, слабка продуктивність при записі даних. Проте у ряді випадків плюси від застосування SSD вже зараз зможуть переважити мінуси, тому ноутбуки з опцією заміни HDD на SSD напевно користуватимуться певною популярністю.
Що ж до H-HDD, то на даний момент сенс цієї технології не очевидний, оскільки при таких малих об'ємах кеш-пам'яті говорити про який-небудь виграш в продуктивності або в енергоспоживанні не доводиться. Це може змінитися, якщо на ринку з'являться гібридні диски наступного покоління, оснащені кеш-буфером, що зберігається, на порядок більшого об'єму.
Ну а нам з вами залишається лише... стежити за цінами на флэш-память. Обидві альтернативні технології зможуть досягти успіху на ринку за однієї дуже важливої умови – якщо вартість чіпів Nand-флеш продовжить знижуватися, а їх об'єми і продуктивність – рости. І хоча останніми роками цей процес виглядав саме так, але вагомих причин бути упевненими в тому, що в майбутньому дана тенденція збережеться, на жаль, немає.
