Можно ли долго хранить данные на SSD?

Автор

Евгений Рудометов

Можно ли долго хранить данные на SSD?

Увы, накопители SSD (и USB-флешки, и флеш-карточки) не предназначены для долгого хранения данных «на полке». Эти устройства целесообразно периодически подключать к компьютерным системам, чтобы встроенные контроллеры могли выполнить свои функции и при необходимости провести восстановление содержимого ячеек памяти.

В процессе обработки информации важную роль играют носители – от их возможностей зависят скоростные возможности систем, обеспечивающих запись и чтение программ и данных, а также надежность хранения информации. Универсальным и перспективным вариантом считаются твердотельные накопители (SSD), но обеспечивают ли они требуемые скорость и надежность? Попробуем разобраться.

Первым массовым носителем информации стала бумага: она использовалась для печатания картин, книг, альбомов и т. п., а с появлением механических и электронных устройств с помощью рулонов бумажных перфолент и пачек перфокарт осуществлялось кодирование информации. Бумага обладает многими достоинствами, однако не лишена и ряда всем известных недостатков. Среди них уязвимость к внешним воздействиям, а также проблемы, связанные с хранением. Поэтому нет ничего удивительного, что с повсеместным внедрением компьютерных средств обработки информации потребовались более удобные и надежные носители цифровых данных.

Одной из главных целей этой замены является, например, повышение информационной плотности записи информации. Действительно, объем и масса оптимального цифрового носителя существенно меньше, чем у бумажного эквивалента. Замена позволяет упростить и улучшить хранение, копирование и передачу и, как результат, сделать ее более доступной для пользователей.

Оставляя в стороне организационные проблемы, необходимо отметить, что на роль оптимальных носителей претендовали различные устройства. Например, практически сразу после появления персональных компьютеров стали использоваться пятидюймовые (5¼″) гибкие магнитные диски (floppy disk) информационной емкостью 360 Кбайт (разработка 1978 г.). Так, если один символ требует 1 байта, то 360 Кбайт вполне достаточно для хранения, например, текстовой части диссертации, небольшой книги или части большой. Правда, для иллюстраций и фотографий места уже недостаточно. Не решили этой проблемы и пятидюймовые диски двойной емкости — 720 Кбайт (1982 г.). В дальнейшем прогресс сравнительно быстро привел к появлению трехдюймовых (3½″) гибких дисков емкостью 720 Кбайт (1984 г.), 1,44 Мбайт (1987 г.), а также 2,88 Мбайт — более дорогих и потому менее распространенных (1991 г.).

Например, чтобы инсталлировать простейшую операционную систему MS-DOS, управляемую вводом посредством клавиатуры соответствующих команд в режиме диалога, требовалось порядка десятка дисков 1,44 Мбайт. Хранить такие диски рекомендовалось в сухом и прохладном месте, иначе возникала проблема с чтением записанной информации. Не шло им на пользу и интенсивное использование, так как рабочий слой с них постепенно стирался головкой, осуществляющей запись/считывание. А еще такие носители были подвержены попаданию пыли: при вставке их в дисковод она могла проникнуть под магнитную головку и вызвать необратимое повреждение магнитного покрытия. Словом, жизненный срок гибких магнитных дисков часто составлял всего несколько недель, а иногда и дней.

На альтернативу им претендовали несколько разработок, в частности дискеты Iomega Zip (по сути, модернизация 3,5-дюймовой дискеты), но их стоимость, как и соответствующих дисководов, была сравнительно высокой, а емкостные и эксплуатационные характеристики оказались недостаточными для длительного доминирования в отрасли. По тем же причинам не смогли на долгое время закрепиться на рынке и магнитные диски с лазерным позиционированием головок, например LS-120 емкостью до 120 Мбайт.

Можно ли долго хранить данные на SSD?

Рис. 1. Гибкие диски 3½″ и 5¼″

Конечно, есть еще магнитные ленты, которые остаются востребованными в крупных центрах обработки и хранения информации. Следует отметить, что современные устройства, использующие компактные кассеты (картриджи), по эксплуатационным параметрам выгодно отличаются от своих предшественников эры огромных ЭВМ: емкость достигает уже десятков терабайт, сравнительно низкая стоимость, а также умеренное энергопотребление. Но есть существенный недостаток – низкая скорость произвольных запросов к данным из-за последовательного доступа, так как лента должна прокрутиться к нужному месту, что иногда требует десятков секунд. При этом производительность существенно падает при увеличении количества одновременных запросов, особенно к неактивным кассетам. Кроме того, к недостаткам относятся высокая стоимость устройства записи/чтения, а также весьма жесткие требованиях к условиям эксплуатации системы и хранения носителей. Но все это важно для крупных центров и практически неактуально для небольших компаний и частных пользователей. Революционным прорывом многие считали появление в 1980 году дешевых оптических дисков. Их емкость быстро достигла 700 Мбайт для CD (1982 г.), нескольких гигабайт для DVD (1996 г.), а в случае BD (Blu-ray Disc, 2006 г.) — 100 Гбайт. Конечно, появились разнообразные улучшенные варианты, были созданы модели, как для одноразовой записи, так и для многоразовой. Многие специалисты до сих пор рассматривают оптические диски в качестве оптимальных средств длительного хранения оцифрованной информации.

Но, как оказалось, не всё так безоблачно. Дело в том, что оптические диски, особенно семейств CD и DVD, имеют ряд значительных ограничений. Так, производители этих носителей в стремлении уменьшить свои расходы настолько модифицировали технологии и материалы, что надежность хранения информации снизилась весьма существенно. Более того, сроки надежного хранения часто не дотягивают даже до года: пористая структура дешевого пластика не препятствует проникновению влаги, которая разрушает металлическую пленку информационного слоя. Процесс коррозии ускоряется под воздействием высокой температуры и яркого света, особенно ультрафиолета.

Параллельно с указанными средствами развивались накопители на жестких магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD). Модели ПК архитектуры IBM PC, появившиеся в начале 80-х годов, комплектовались HDD емкостью 5 Мбайт, а позже число мегабайт увеличилось до 10, 20 и т. д. Но вскоре появились очень серьезные исследования, в ходе которых рост емкости 3,5-дюймовых HDD ограничивался значениями 120–150 Мбайт. Объяснялось это существованием парамагнитного предела: с уменьшением размеров магнитных доменов в условиях увеличения плотности магнитных дорожек на дисках возрастала вероятность произвольного изменения их состояния (размагничивание, перемагничивание и т. п.).

Однако благодаря новым открытиям, материалам, элементам и технологиям указанный предел все время отодвигается. В результате появляются все более совершенные модели HDD, доступ к записанным данным осуществляется менее чем за 20 мс, а емкость указывается уже в терабайтах даже в потребительском секторе. Расстояние же между головками и быстро вращающимися магнитными дисками исчисляются уже нанометрами. Управление осуществляется с помощью высокоточной механики, а также сложной электроники, которая, по сути, является встроенным миниатюрным компьютером со сложным чипом, выполняющим функции процессора (с ОЗУ, прошивкой в ПЗУ и т. п.). К сожалению, эти совершенные, но сложные накопители уязвимы для ударных нагрузок и вибраций: выход из строя (вместе с потерей накопленной информации) менее 1% HDD за пять лет считается еще очень хорошим результатом. Увы, хотя этот тип накопителей очень востребован, он явно неидеален.

Именно поэтому конструкторы и пользователи с энтузиазмом восприняли разработку чипов (1988 г.) и устройств на основе технологии флеш (1984 г.) – они не нуждаются в сложных механических узлах, состоят из печатной платы с набором напаянных на ней микросхем. Такая конструкция обещает высокие показатели быстродействия, энергоэкономичности, надежности.

Но насколько оправданны эти надежды? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала немного о технологии флеш, которая является разновидностью полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти. Звучит страшновато, но по сути всё очень просто. Не вдаваясь в тонкости реализации разных вариантов технологии флеш, можно сказать (конечно, сильно упрощая), что биты данных хранятся в миниатюрных конденсаторах с очень низким саморазрядом. Считывание же значений осуществляют схемы на основе транзисторов с изолированными затворами (рис. 2).

Можно ли долго хранить данные на SSD?

Рис. 2. Хранение бита

В такой схеме установка «нуля» осуществляется подключением конденсатора к «земле», а «единицы» — к шине питания. А как реализовано собственно хранение заряда — это, вообще говоря, не так и важно. По сути, это конденсатор и цепь считывания, формирующие ячейку хранения. Остается добавить, что для хранения байта потребуется восемь таких ячеек. Можно сказать, что такой подход лежит в основе USB-флеш-накопителей (USB-флешки), флеш-карт (SD, SDHC, SDXC) и твердотельных накопителей (Solid-State Drive, SSD), как впрочем, и чипов флеш, используемых в различных электронных устройствах. Очевидно, что время сохранения информации зависит от времени сохранения заряда – точнее, пока «единица» устойчиво считывается именно как «единица», а не как «ноль». Для повышения надежности в архитектуре предусмотрены дополнительные ячейки, используемые для контроля и восстановления информации.

А теперь о некоторых тонкостях. Дело в том, что указанная эквивалентная схема 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 достигает 10 лет.

С целью повышения информационной емкости накопителей были разработаны технологии хранения нескольких бит в каждой ячейке: двух битов, что достигается хранением четырех уровней напряжения на конденсаторе (Multi-Level Cell, MLC), трех битов за счет хранения восьми уровней (Triple-Level Cell, TLC), четырех битов за счет хранения шестнадцати уровней (Quad-Level Cell, QLC). Анонсирована разработка накопителей с сохранением в каждой ячейке пяти бит (Penta-Level Cell, PLC). Многоуровневое хранение требует наличия в составе архитектуры накопителя скоростных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Однако указанные методы сокращают время надежного хранения информации. Конечно, используются дополнительные ячейки для контроля и восстановления информации, но в целом достигнуты высокие показатели емкости при относительно небольших затратах.

Данный тип накопителей заметно ускоряет работу дисковой подсистемы настольных и мобильных компьютеров: время доступа менее – 1 мс, скорость считывания зависит от особенностей интерфейса и значительно превышает аналогичные параметры HDD (в десятки раз в случае лучших моделей SSD).

Высокие параметры обеспечили популярность SSD, хотя по такому параметру, как стоимость за 1 Гбайт, они заметно уступают классическим жестким дискам. Однако SSD практически не боятся вибраций и ударных нагрузок, потребляют меньше энергии, более надежны. Правда, как выясняется, SSD (и USB-флэш-накопители, карты и чипы) имеют ограниченный ресурс перезаписи/стирания информации. Для его повышения конструкторы используют различные методы: 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 перезаписи для SSD потребительского сектора оценивается в десятках, а для высокоемких моделей нередко и в сотнях терабайт. Для серверных SSD этот показатель оценивается уже в тысячах терабайт. При этом речь идет о ресурсах, гарантированных производителями, реальные же показатели значительно выше.

А теперь о времени хранения информации. Очевидно, что для длительного сохранения требуется периодическая проверка ячеек и последующее восстановление уровней. Нахождение флеш-накопителей в течение долгого времени в выключенном состоянии может привести к безвозвратной потере данных. В некоторых случаях это могут быть месяцы и недели, а то и дни. Особенно обостряется проблема в случае накопителей, созданных на основе многоуровневых ячеек типа QLC и тем более PLC. Организация JEDEC, занимающаяся стандартизацией и сертификацией, не рекомендует на долгий срок оставлять SSD без электропитания. В нормальных условиях эксплуатации для потребительских SSD время сохранения информации обычно составляет около года, а для корпоративных моделей, согласно требованиям JEDEC, должно составлять не менее трех месяцев. Кстати, это не означает, что корпоративные менее надежны, просто требования к ним существенно выше и допустимая вероятность ошибок ниже.

Следует добавить, что на время сохранения информации влияет температура окружающей среды: как показывают исследования, превышение всего на 5 градусов может сократить этот срок вдвое, а дальнейший подъем ухудшает ситуацию еще сильнее.

И какие же выводы следуют из всего этого? Увы, накопители SSD (и USB-флешки, и флеш-карточки) не предназначены для долгого хранения данных «на полке». Эти устройства целесообразно периодически подключать к компьютерным системам, чтобы встроенные контроллеры могли выполнить свои функции и при необходимости провести восстановление содержимого ячеек памяти.

Следует добавить, что предпочтительнее продукция именитых производителей: из моделей MLC, TLC, QLC лучше выбрать первые два типа и заполнять их информацией не на 100%, оставляя часть пространства незанятым. Кроме того, целесообразно периодически контролировать состояние накопителей с помощью фирменных утилит. Следование этим рекомендациям обеспечит высокую производительность при надежной работе флеш-накопителей.

Итак, получается, что и SSD не является идеальным выбором? Пожалуй, что так. Однако технологии продолжают развиваться. Как считают инженеры Intel, следующий этап эволюции связан с переходом на флеш-память нового типа, получившую наименование 3D XPoint. Эта разработка, как и предшественница, 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 утверждают, что работа флеш-памяти 3D XPoint основана на использовании эффектов фазовых переходов применяемых полупроводниковых материалов, вызывающих изменение их проводимости, что может быть выявлено соответствующими электронными схемами.

Можно ли долго хранить данные на SSD?

Созданные на основе флеш-памяти этого типа накопители получили наименование Optane. По производительности они находятся между оперативной памятью и твердотельными накопителями, при этом значительно дешевле DRAM и в то же время значительно надежнее традиционных SSD, обладают более высокими скоростными возможностями и обеспечивают побайтную адресацию.

Выпущенные серверные накопители демонстрируют очень высокие показатели: на операциях чтения/записи блоками 4 Кбайт производительность достигает 550 000 IOPS, выносливость — 30 DWPD (перезаписей всего информационного объема накопителя в день), что примерно втрое больше лучших альтернативных моделей твердотельных накопителей. По сравнению с традиционными SSD у Intel Optane SSD DC P4800X задержки доступа меньше более чем в 10 раз. А еще эти устройства в 5-8 раз быстрее на низких очередях, а при 99% QoS преимущество может достигать 60-кратного увеличения. 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.

Всё это позволило существенно изменить архитектуру мощных систем обработки данных. Главным же недостатком остается высокая стоимость, но, как ожидается, она будет снижаться по мере совершенствования подобных технологий и архитектуры созданных на их основе накопителей. Вряд ли эти твердотельные накопители являются идеальными, но, как говорится, процесс идет. Без сомнения, будущее будет интересным!

Источник

Оригинал статьи размещен в Высокие технологии Litehack.ru

Высокие технологии ‒ это не только про компьютеры и смартфоны, но и про другие вещи, которые окружают нас каждый день.

Например в Litehack.ru вы узнаете о том, какими бывают нанороботы, и о том, как они могут изменить жизнь людей уже в ближайшем будущем.

Также это и роботы, и беспилотники, и многое другое. В общем, всё то, что делает нашу жизнь легче, лучше и веселее.

Нанороботы ― это микроскопические роботы, состоящие из одного или нескольких атомов.

Такие роботы могут выполнять различные функции в зависимости от того, как их запрограммировал человек: это могут быть маленькие манипуляторы или крошечные двигатели.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Высокие технологии - Litehack.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: