Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №2

Твердотельные накопители компании SMART Modular Technologies

Барабан Сергей  
Криночкин Роман  

В современном мире прогресс технологий, особенно в области, связанной с электроникой, достигает часто невиданных темпов. То, что вчера еще казалось последней новинкой, — сегодня безнадежно устаревает. Однако в некоторых сферах процесс модернизации касается только их технологической ипостаси и мало затрагивает фундаментальные основы. К таким технологиям можно отнести и принцип хранения данных на магнитных носителях путем разнородного намагничивания доменов вещества. Именно этот принцип уже много лет (примерно с начала 1970‑х) широко используется в жестких дисках, применяемых для хранения данных в различных вычислительных устройствах. И хотя существуют перспективные разработки в этой области, направленные на дальнейшее увеличение плотности записи (например, термонамагничивание), новой технологией, грозящей потеснить HDD, являются твердотельные накопители SSD (Solid State Drive).

Введение

Развитие SSD повторяет, в общем, историю развития энергонезависимой памяти. Вначале появился триггер и на его основе создали оперативную память (SRAM), а с помощью нехитрых манипуляций и введения схем резервного питания (так как триггеры «сбрасываются» при провалах питающего напряжения) построили и твердотельный накопитель. Характеристики его были высокими, впрочем, как и стоимость, что вкупе с относительно невысокой плотностью записи привело к крайне редкому использованию подобных устройств в реальных применениях. Потом появилась flash-технология, которая была по-настоящему энергонезависимой и при этом позволяла достичь относительно высоких емкостей хранения. Правда, flash значительно медленнее при записи, чем память, построенная на триггерах, что, однако, не помешало построить на ее основе SSD, стоимость которого к тому же оказалась в несколько раз меньше. Все это обусловило бурный рост рынка SSD, развитие новых технологических решений в этой области и появление высокопроизводительных (по сравнению с HDD), малопотребляющих и малогабаритных накопителей.

Основные преимущества твердотельных накопителей:

  • Полное отсутствие каких-либо движущихся частей. На рис. 1 — SATA модуль-накопитель на 64 Гбайт, примерно так же выглядит любой SSD без корпуса: как видите, никаких движущихся частей.
  • Значительно более высокая скорость чтения/записи, что особенно заметно при выборочном доступе.
  • Низкое потребление энергии в связи с отсутствием механических компонентов.
  • Высокая стойкость к вибрации.
  • Отсутствие шума.
  • Малый размер и вес.
  • Широкий диапазон рабочих температур.
SATA модуль XceedIOPS Slim

Рис. 1. SATA модуль XceedIOPS Slim (вид без корпуса)

Но при использовании SSD придется мириться и с недостатками. Основным из них и, к сожалению, мало устранимым на данный момент является быстрое «истощение» ячеек памяти при перезаписи или стирании. Дело в том, что при записи к ячейке приходится прикладывать довольно большое, относительно ее размеров, напряжение, что вызывает соответствующий большой ток. И хотя длительность его невелика, через определенное количество циклов изнашивается и деградирует подзатворный диэлектрик в транзисторе (ячейке). Этот процесс усугубляется тем, что при стирании электроны туннелируют через тот же диэлектрик, что приводит к дополнительным необратимым изменениям. В связи с тем, что чтение и запись производится блоками, а не отдельными битами, при необходимости изменить значение хотя бы одной ячейки приходится считывать-стирать-записывать весь блок. Все это приводит к тому, что через некоторое время ячейка становится «незаписываемой» (хотя может по-прежнему читаться).

Для ячеек, в которых можно хранить несколько бит одновременно (Multi-level cell, MLC, многоуровневые ячейки памяти), эта величина составляет не более 10 000 циклов стирания/записи. Для одноуровневых ячеек (Single-level cell, SLC) она существенно больше и достигает сотен тысяч циклов. Однако SLC обладают значительно меньшей плотностью записи, и потому хранение информации на устройствах такого типа обходится дороже.

С другой стороны, проблема «истощения» ресурса усложняется отсутствием программного обеспечения, адекватно учитывающего особенности работы с SSD, что в общем случае сводится к минимизации количества перезаписей информации на накопителе (например, должны быть отключены файл подкачки, дефрагментация и т. п.). К этому хочется добавить, что в дисках SMART такой софт встроен в модуль управления самого диска (FirmWare), и это одно из их преимуществ.

Вторым недостатком является более высокая стоимость хранения единицы информации, а следовательно, более высокие затраты на организацию системы с использованием SSD.

Компания SMART Modular Technologies разрабатывает и производит твердотельные накопители на основе флэш-памяти для встроенных, защищенных и корпоративных систем хранения данных и является одним из лидеров этого рынка.

Твердотельные накопители компании SMART разработаны для различных приложений — от простых мобильных устройств до оборонных и медицинских проектов. SSD выпускаются с интерфейсами на основе Serial ATA (SATA), Parallel ATA (PATA) и Serial-Attached SCSI (SAS) для легкой интеграции в различные решения: корпоративные сети, крупные серверы, телекоммуникации и т. п.

В зависимости от областей использования все серии накопителей Xceed разделяются на два класса — приборы, предназначенные для специальных сложных условий (XceedUltraX, XceedSecure), и высокопроизводительные устройства для бизнес-приложений (XceedIOPS, Xcel).

Следует также выделить отдельное семейство встраиваемых (Embedded) твердотельных накопителей под общим названием Flash-Based Products, в которое входят субкомпактные и бескорпусные диски со стандартными для SSD интерфейсами IDE, SATA, встраиваемые диски с интерфейсом USB, а также флэш-карточки SD и CF, в том числе и промышленного температурного диапазона.

Семейство Xceed для сложных условий эксплуатации

Серия SSD XceedUltraX (табл. 1) разработана для самых требовательных приложений, которые используются в промышленной автоматизации, аэрокосмической, транспортной, медицинской и телекоммуникационной отраслях.

Таблица 1. Технические данные XceedUltraX и XceedSecure

Характеристики XceedUltraX XceedSecure
Производительность
Скорость передачи, Мбит/с   100/74 (чтение/запись)
Время доступа, мкс   272 (SATA)
Емкость, Гбит   32–256
Надежность
Наработка на отказ   >1,3 млн часов
Ошибки в данных 1 ошибка на 1014 бит
Коррекция ошибок
Коррекция ошибок (ECC/EDC) До 6 байт на 512-байтный сектор  
Срок службы, лет >200 (при нагрузке записи 200 Гбит/день) >260 (при нагрузке записи 200 Гбит/день)
Технология flash SLC (одноуровневые ячейки)
Питание
Напряжение, В 5 ±5%
Потребление, Вт До 5,3 (SATA)
До 3,2 (PATA)
До 7 (SCSI)
До 5,3 (SATA)
До 3,2 (PATA)
Температурный диапазон, °С –40…+85 0…+70

Накопители промышленного класса семейства XceedUltra2 обеспечивают высокий уровень производительности, надежности и емкость хранения в 2,5- и 3,5-дюймовом форм-факторах. Оптимизированные для высокой пропускной способности передачи данных, XceedUltra2 подходят для применения в серверах и сложных системах хранения. XceedUltra2 SATA-II обеспечивают производительность чтения/записи вплоть до 135/105 Mбит/с и низкое энергопотребление во время работы (как правило, менее 2 Вт в активном режиме). XceedUltra2 SSD также поставляется в 3,5″ SCSI.

Разработанные для соответствия спецификациям устройств промышленного класса, XceedUltra2 используют алгоритмы обнаружения сбоев, в сочетании с равномерным распределением нагрузки на ячейки, для обеспечения многолетней и надежной эксплуатации. С помощью только одноуровневых ячеек (SLC) NAND флэш-технологии компании SMART удалось значительно увеличить надежность своих продуктов.

Особняком стоит семейство XceedSecure (табл. 1), предназначенное для оборонных, аэрокосмических и других приложений, требующих надежности и безопасности хранения данных. Эти устройства включают технологию EraSure, которая соответствует текущим оборонным стандартам хранения данных и поддерживает несколько уровней безопасных методов стирания данных. Управление энергопитанием устройства осуществляется по технологии ArrayPro, что обеспечивает устойчивую производительность в операциях чтения/записи для таких приложений, как бортовые самописцы и данные датчиков захвата информации. XceedSecure доступны в 2,5- и 3,5-дюймовом форм-факторах с SATA, PATA и SCSI интерфейсами.

Твердотельные накопители семейства Xceed компании SMART представляют собой настоящую память промышленного класса. Они обладают бóльшим объемом хранения данных и характеризируются большей производительностью. Оптимизированные для встраиваемых предложений, эти диски оптимальны для промышленной автоматизации, аэрокосмической, медицинской, транспортной, оборонной и телекоммуникационной отраслей. Выигрыш от применения «истинных» SSD-продуктов промышленного класса компании SMART очевиден ввиду их высокой надежности и долговечности. Твердотельные накопители промышленного класса не боятся самых тяжелых условий благодаря строгой проверке и тестированию — шагам, которые проводятся на всех этапах производства продукции.

Семейство Xcel и XceedIOPS для высокопроизводительных приложений

Вторую группу продуктов, предназначенных для высокопроизводительных приложений, составляют накопители XceedIOPS и Xcel (табл. 2), которые оптимизированы для серверов и систем хранения данных. Эти устройства доступны в 1,8- и 2,5 дюймовом форм-факторах, используют интерфейс SATA и обеспечивают высокую производительность и надежность, которые требуются для вычислительных корпоративных приложений, таких как высоконагруженные серверы или системы хранения данных. Твердотельные накопители семейства XceedIOPS SATA обеспечивают одно из лучших в отрасли количество циклов перезаписи, имеют усовершенствованное управление энергопотреблением, а также комплексные диагностические инструменты.

Таблица 2. Технические данные XceedIOPS и Xcel

Характеристики Xcel-10 Xcel-100 XceedIOPS
Производительность
Скорость передачи, Мбит/с 110 (чтение/запись) 250 (чтение/запись) 300 (чтение/запись)
Выборочный доступ, операций в секунду 6100 при чтении 290 при записи До 30 000 (при чтении/записи)
Емкость, Гбит 32–128 50, 100, 200 50–400
Надежность
Наработка на отказ >1,1 млн часов >2 млн часов
Ошибки в данных 1 ошибка на 1014 бит 1 ошибка на 1017 бит 1 ошибка на 1018 бит
Коррекция ошибок Двенадцать 9-битных символов для каждого сектора из 512 байт Двадцать четыре 9-битных символа для каждого сектора из 512 байт
Восстановление данных 1 флэш-блок данных 1 флэш-блок данных
Срок службы >50 лет при нагрузке записи 200 Гбит/день >135 лет при нагрузке записи 200 Гбит/день (10 000 Тбит записи) 5 лет
Технология flash SLC (одноуровневые ячейки) SLC (одноуровневые ячейки) eMLC (производительные многоуровневые ячейки)
Питание
Напряжение, В 5 ±5% 3,3 (форм-фактор 1,8″)
5 (форм-фактор 2,5″)
Потребление, Вт До 1,2 До 1,5 2,3
Защита от пропадения питания Массив конденсаторов Цепь резервного питания
Температурный диапазон, °С –40…+85 0…+70

Основной особенностью накопителей этой группы является высокое значение количества операций в секунду при случайном выборочном доступе (Random IOPS), характерном для серверов, в которых доступ к данным производится не последовательно, сектор за сектором, а, в зависимости от запросов пользователей, в любом физическом месте хранения накопителя. Именно в этом случае выбор между традиционным HDD и новыми SSD может и должен быть сделан в пользу последних, поскольку даже для самых быстродействующих носителей на магнитных дисках значение IOPS лежит в пределах 100–200, для SSD же даже средний результат может составлять тысячи и десятки тысяч.

Вторая особенность накопителей семейства — это бóльшая (в среднем) емкость доступных устройств. Причем в XceedIOPS это обусловлено использованием многоуровневых ячеек (MLC) enterprise-уровня (eMLC) — с увеличенным числом допустимых циклов перезаписи с 3000 до 6000.

Embedded Flash-Based Products

Отдельно хотелось бы упомянуть о специфической группе продуктов, особенно интересной для разработчиков электронных устройств. Это накопители промышленного класса на основе встраиваемых твердотельных микросхем памяти. Это компактные и бескорпусные диски, которые можно эффективно использовать в области встраиваемых приложений, например в автоматизации, сигнализации, системах «умный дом», телекоммуникациях, мобильных компьютерах, автомобилях, GPS и т. п. Выпускаются разновидности с интерфейсами USB (eUSB), SATA (iSATA и uSATA), мини-IDE.

Также компания SMART разрабатывает и производит различные флэш-карты: Secure Digital (SD), Compact Flash (CF), PC Card.

Встраиваемые продукты компании SMART обладают неплохими характеристиками, например, для дисков типа eUSB скорость чтения/записи составляет 35/24 Мбит/с, емкость — до 16 Гбит, напряжение питания — 5 или 3,3 В. При этом размер такого устройства составляет чуть более 4×2 см (рис. 2).

Встраиваемый модуль eUSB

Рис. 2. Встраиваемый модуль eUSB

Заключение

Фактически эра SSD уже наступила: мы наблюдаем возрастающее с каждым годом применение твердотельных накопителей в low и middle-end потребительских секторах. Кроме того, SSD определенно завоевали свою нишу в государственных и корпоративных применениях, не говоря уже о транспорте или системах с высокими механическими нагрузками: тут у них вообще практически нет конкурентов. Правда, обычный потребитель все еще колеблется. Сказываются как психологическая инерция, так и модная технофобия: «SSD быстро изнашивается, я потеряю данные». Однако рост производительности и другие преимущества SSD (вспомните о столь несовершенных к выборочному чтению HDD, а ведь это ситуация стандартная для многозадачных ОС) вместе с продолжающимся технологическим совершенствованием твердотельных устройств должны привести к преодолению этих страхов. Что подтверждает и большинство прогнозов аналитиков об экспоненциальном росте рынка SSD в 2012–2014 годах.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке