Алгоритм - Учебный центр
Заполните форму ниже! Мы вам перезвоним!

Нажав на кнопку "Отправить", Я даю своё согласие на автоматизированную обработку указанной информации, распространяющейся на осуществление всех действий с ней, включая сбор, передачу по сетям связи общего назначения, накопление, хранение, обновление, изменение, использование, обезличивание, блокирование, уничтожение и обработку посредством внесения в электронную базу данных, систематизации, включения в списки и отчетные формы.


Особенности накопителей SSD.

Особенности накопителей SSD.

 Cокращение SSD (Solid State Drive или Solid State Disk) обозначает твердотельный накопитель - энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство без движущихся механических частей с использованием флэш-памяти. Падение SSD не должно привести к порче данных, если только точки пайки выдержат удар, а накопитель не будет физически повреждён. Кроме того, SSD не так восприимчивы к экстремальным температурам, а последнее поколение продуктов даёт намного меньшее энергопотребление по сравнению с обычными жёсткими дисками. Производительность по-прежнему является основной причиной выбора SSD (SSD часто оказываются существенно быстрее жёстких дисков). Накопители SSD полностью эмулируют работу жёсткого диска.

Преимущества SSD дисков всем хорошо известны: высокая механическая надёжность, отсутствие движущихся частей, высокая скорость чтения/записи, низкий вес, меньшее энергопотребление.
У SSD дисков сравнительно небольшой емкости отличий от USB Flash не так уж и много: по сути дела, SSD накопитель - это та же большая флэшка. Но в отличие от флэшек, в SSD дополнительно используются микросхемы DDR DRAM кеш-памяти. Это связано со спецификой работы и возросшей в несколько раз скоростью обмена данными между контроллером и интерфейсом, например, SATA.
Четвертое поколение PCIe SSD (поколение дисков серии Z-Drive R2) было построено на основе новых оригинальных решений, оно отличается повышенной производительностью и универсальностью благодаря применению оптимизированных NAND модулей. Диски Z-Drive R2 представляют собой комплексное решение, которое обеспечивает исключительно высокую производительность при работе с множеством приложений и демонстрирует лучшие характеристики процессора ввода/вывода и высокую пропускную способность. Кроме того, это были единственные самозагружаемые PCIe SSD, которые обеспечиваются выездным сервисным обслуживанием, и благодаря инновационной конструкции со сменными модулями позволяют с минимальными затратами производить модернизацию и увеличивать емкость, что дает беспрецедентные возможности разработчикам архитектуры памяти (вместо постоянных NAND модулей с поверхностным монтажом в R2 используются сменные модули). Диски Z-Drive R2 не только более производительные и надежные, чем обычные накопительные устройства, они также значительно сокращают затраты на обслуживание и общие расходы владения. Кроме того, OCZ предоставляет производителям оборудования уникальные возможности для индивидуальных заказов, если требуется специальная аппаратура или встроенные программы.
Диски Z-Drive R2 оптимально подходят для использования в сетях хранения данных, рабочих станциях и серверах. Скорость передачи данных Z-Drive R2 достигает 1,4 Гбайт/с, при этом надежность и долговечность выше, чем у механических жестких дисков.
В настоящее время SSD накопители практически догнали традиционные жесткие диски в плане емкости. SSD накопитель OCZ IBIS XL был выполнен в форм-факторе 5,25 дюйма, а его емкость достигала 4 Тбайт (причем, это значение могло доходить и до 8 Тбайт). Для подключения к системе в твердотельном накопителе OCZ IBIS XL присутствует фирменный запатентованный интерфейс High Speed Data Link (HSDL), обладающий очень высокой пропускной способностью. Кроме того, можно было организовать подключение четырех таких накопителей через единую HSDL карту с шиной PCIe х8, что позволяет создавать RAID массив объемом в 32 Тбайт. Каждый SSD накопитель OCZ IBIS XL был способен обеспечить производительность на уровне 200 000 операций ввода-вывода в секунду, а в упомянутом RAID массиве этот показатель превышал 750 000 операций ввода-вывода в секунду. Естественно, решения такого рода предназначены для корпоративного рынка и вряд ли заинтересуют кого-то из рядовых потребителей.
SSD диски с меньшей емкостью, например, 3,5-дюймовые SSD диски OCZ IBIS в 720 Гбайт. С новым интерфейсом HSDL (High-Speed Data Link) они обеспечивали передачу данных со скоростью до 740 Мбайт/с (при чтении) и до 720 Мбайт/с (при записи).
SSD-контроллер твердотельного диска обеспечивает выполнение операций чтения/записи, и управление структурой размещения данных. Основываясь на матрице размещения блоков, в какие ячейки уже проводилась запись, а в какие еще нет, контроллер должен оптимизировать скорость записи и обеспечить максимально длительный срок службы SSD-диска. Вследствие особенностей построения NAND-памяти, работать с ее каждой ячейкой отдельно нельзя. Ячейки объединены в страницы объемом по 4 Кбайта, и записать информацию можно, только полностью заняв страницу. Стирать данные можно по блокам, которые равны 512 Кбайт. Все эти ограничения накладывают определенные обязанности на правильный интеллектуальный алгоритм работы контроллера. Поэтому, правильно настроенные и оптимизированные алгоритмы контролера могут существенно повысить производительность и долговечность работы SSD-диска.
В контроллер входят следующие основные элементы:
- Processor - как правило, 16-ти или 32-х разрядный микроконтроллер. Выполняет инструкции микропрограммы, отвечает за перемешивание и выравнивание данных на Flash, диагностику SMART, кеширование и безопасность.
- Error Correction (ECC) - блок контроля и коррекции ошибок ECC; - Flash Controller - включает адресацию, шину данных и контроль управления микросхемами Flash памяти;
- DRAM Controller - адресация, шина данных и управление DDR/DDR2/SDRAM кэш памятью;
- I/O interface - отвечает за интерфейс передачи данных на внешние интерфейсы SATA, USB или SAS;
- Controller Memory - состоит из ROM памяти и буфера. Память используется процессором для выполнения микропрограммы и как буфер для временного хранения данных. При отсутствии внешней микросхемы RAM памяти выступает в роли единственного буфера данных SSD.
В SSD различных производителей применяются модели контроллеров ряда известных фирм:
- Indilinx "Barefoot ECO" IDX110MO1;
- Indilinx "Barefoot" IDX110M00;
- Intel PC29AS21BA0;
- JMicron JMF602;
- JMicron JMF612;
- Marvel 88SS9174-BJP2;
- Samsung S3C29RBB01-YK40;
- SandForce SF-1200;
- SandForce SF-1500;
- Toshiba T6UG1XBG.
Флэш-память - это одна из разновидностей энергонезависимой памяти (nonvolatile memory). В основе работы запоминающей ячейки данного типа памяти лежит физический эффект связанный с лавинной инжекцией зарядов в полевых транзисторах (эффект Фаули-Нордхайма). Как и в случае EEPROM, содержимое флэш-памяти программируется электрическим способом, однако по сравнению с той же EEPROM она обладает более высокой скоростью доступа и довольно быстрым процессом стирания информации.
Существуют две основные архитектуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (логическая функция ИЛИ-НЕ) и NAND (логическая функция И-НЕ). При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR.
Особенности и различия в организации структуры между памятью NOR и NAND, обуславливают серьезные различия их технических характеристик, и определяют область их применения. Флэш-память типа NAND используется для хранения и работы со сравнительно большими массивами данных, процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее, чем в памяти NOR.
Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, т. е. блоками по 512 байт, что соответствует размеру блока данных секторов накопителей на магнитных дисках.
В SSD, как и в USB Flash, используются три типа памяти NAND: SLC (Single Level Cell), MLC (Multi Level Cell) и TLC (Three Level Cell). Отличие только в том, что SLC позволяет хранить в каждой ячейке только один бит информации, MLC - два, а TLC - три за счет использование разных уровней электрического заряда на плавающем затворе транзистора, что делает память MLC и TLC более дешёвой относительно стоимости единицы ёмкости. Однако память MLC/TLC обладает меньшим ресурсом (100 000 циклов стирания у SLC, в среднем 10 000 для MLC, а для TLC до 5 000) и худшим быстродействием. С каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознавания уровня сигнала, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается вероятность ошибок.
MLC/TLC память активно развивается и по скоростным характеристикам приближается к SLC.
Компании Intel и Micron совместными усилиями разработали чип флэш-памяти MLC NAND, изготавливаемый по нормам 20-нанометрового технологического процесса. Новинка имеет емкость 64 Гбайт (8 Гбайт). Intel и Micron представи 20-нанометровый флеш-чип MLC NAND емкостью 16 Гбайт.
Появление SSD-накопителей нового поколения Intel Optane на базе памяти 3D Xpoint увеличит в 1000 раз быстродействие SSD. Компании Intel и Micron совместными усилиями создали новый тип системы хранения данных, который в одну тысячу раз быстрее самой передовой памяти NAND Flash. Новый тип памяти, получивший название 3D XPoint, показывает скорости чтения и записи в тысячу раз превышающие скорость обычной памяти NAND, а также обладает высокой степенью прочности и плотности. Новая память в 10 раз плотнее чипов NAND и позволяет на той же физической площади сохранять больше данных и при этом потребляет меньше питания.

Intel и Micron заявляют, что их новый тип памяти может использоваться как в качестве системной, так и в качестве энергозависимой памяти, то есть, другими словами, ее можно использовать в качестве замены как оперативной RAM-памяти, так и SSD. В настоящий момент компьютеры могут взаимодействовать с новым типом памяти через интерфейс PCI Express, однако Intel говорит, что такой тип подключения не сможет раскрыть весь потенциал скоростей новой памяти, поэтому для максимальной эффективности памяти XPoint придется разработать новую архитектуру материнской платы. Благодаря новой технологии 3DXpoint (кросс-поинт) ячейка памяти меняет сопротивление для различения между нулем и единицей. Поскольку ячейка памяти Optane не одержит транзистора, плотность хранения данных в памяти Optane превышает в 10 раз показатели NAND Flash. Доступ к индивидуальной ячейке обеспечивает сочетание определенных напряжений на пересекающихся линиях проводников. Аббревиатура 3D введена поскольку ячейки в памяти расположены в несколько слоев. Уже в 2016 году технология получила широкое применение и использовалась как в аналогах флеш-карт, так и в модулях оперативной памяти и жестких дисках. Intel заявляет о 1000-кратном превосходстве нового типа памяти, по сравнению с привычными нам флеш-картами и жесткими дисками. Устройства под брендом Optane будет производить компания Micron с использованием 20-нм техпроцесса. В первую очередь будет произведен выпуск 2.5 дюймовых твердотельных накопителей SSD, но также выйдут диски SSD с другими типоразмерами, дополнительно компания выпустит модули оперативной памяти Оптейн DDR4 для серверных платформ Интел.

Одним из лидеров в производстве NAND-флэш микросхем является фирма Hynix. Все микросхемы NAND-флэш от Hynix характеризуются типичным временем стирания блока 2 мс , имеют аппаратную защиту данных при переходных процессах по питанию и позволяют выполнять 100000 циклов записи/стирания. Гарантированное время сохранности данных составляет 10 лет. Важной особенностью микросхем памяти Hynix является их повыводная совместимость вне зависимости от емкости. Это позволяет очень легко улучшать потребительские характеристики конечного изделия.
Помимо Hynix микросхемы NAND-памяти выпускаются еще несколькими производителями, среди которых весьма большую номенклатуру и объем продаж изделий имеет компания Samsung. Ассортимент выпускаемых компанией Samsung изделий более широк, чем у Hynix. Высокое быстродействие при считывании последовательных потоков данных предопределяет широкую сферу применимости NAND-флэш. Очень перспективным для памяти такого типа является рынок твердотельных накопителей.
Крупнейшими производителями микросхем флэш-памяти считаются и корпорации Toshiba, Samsung Electronics, Spansion (AMD-Fujitsu), STMicroelectronics, Intel. Все они усиленно работают по совершенствованию своей продукции в направлении уменьшения энергопотребления, размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия флэш-памяти. Производители флэш-памяти серьезно намерены расширить область применения своих микросхем и заменить ими (в различных устройствах) жесткие диски и память других типов.
Самый большой источник проблем в SSD-накопителях - это контроллер и его прошивка. По причине того, что контроллер физически расположен между интерфейсом и микросхемами памяти, вероятность его повреждения в результате сбоя или проблем с питанием очень велика. С низким ресурсом MLC-чипов успешно борются: коррекцией ошибок с помощью ECC-контроля, резервированием, контролем за износом и перемешиванием блоков данных. При этом сами данные, в большинстве случаев сохраняются.

Помимо физических повреждений, при которых доступ к данным пользователя невозможен, существуют логические повреждения, при которых также нарушается доступ к содержимому микросхем памяти. Любая, даже незначительная ошибка в прошивке, может привести к полной потере данных. Структуры данных очень сложные, информация "размазывается" по нескольким чипам, плюс еще чередование, все это делает процесс восстановления данных довольно сложной задачей. Обычно в таких случаях восстановить накопитель помогает прошивка контроллера с низкоуровневым форматированием, когда заново создаются служебные структуры данных. Производители стараются постоянно дорабатывать микропрограмму, исправлять ошибки, оптимизировать работу контроллера. По этому, рекомендуется периодически обновлять прошивку накопителя для исключения возможных сбоев.

 


Лицензия