`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Альтернативы жестким дискам: SSD и H-HDD

Статья опубликована в №19 (636) от 20 мая

0 
 

О перспективных технологиях, гипотетически являющихся преемниками традиционных жестких дисков, таких как твердотельные (Solid State Disk, SSD) и гибридные (Hybrid HDD, H-HDD), наверняка слышали все. Утверждается, что по сравнению с обычными HDD у них есть масса преимуществ, однако же продукты, в которых бы они использовались, пока что представлены на рынке не слишком широко. Попробуем разобраться в причинах такой ситуации, а также сформулировать несколько прогнозов не только на ближайшее время, но и на будущее.

Странное дело – в маркетинговых материалах практически каждого производителя систем хранения данных то и дело встречаются красочные презентации, повествующие о том, как твердотельные и гибридные накопители по сравнению с традиционными жесткими дисками могут повысить быстродействие ПК и снизить его энергопотребление. Да вот только от их просмотра остается двойственное ощущение – с одной стороны, технологии на самом деле обещают быть интересными и полезными, но с другой – где же они, в конце-концов?

Действительно, попытки обнаружить в розничной продаже как накопители SSD, так и H-HDD вряд ли увенчаются успехом. Более того, получить образцы этих продуктов на тестирование также может оказаться безрезультатной затеей – производители начинают мяться и обещать предоставить их «несколько позже», «когда выйдет новое поколение», «когда это будет более актуально» и т. д. Создается такое впечатление, что они и сами не слишком-то горят желанием показывать плоды своих усилий широкой публике, но почему? Ведь ноутбуки с использованием как той, так и другой технологии уже давно доступны даже на локальном рынке!

Настала пора наконец выяснить этот вопрос, пусть и не совсем традиционным путем. И получив на тестирование два ноутбука VAIO производства компании Sony, которая славится интенсивным использованием самых передовых наработок в своих моделях, мы несказанно обрадовались, обнаружив в одном из них SSD, а в другом, соответственно, – H-HDD. Однако для начала имеет смысл рассмотреть их по отдельности, как явление, и лишь потом говорить об их работе в составе данных портативных ПК.

SSD: на вес золота

Твердотельные диски не являются чем-то совершенно новым, так как представляют собой аналоги всем известных карт-памяти и «флэшек», только оснащенных контроллером со специальным интерфейсом – часто SATA либо PATA. Для того чтобы успешно конкурировать с HDD по емкости, необходим достаточно большой объем флэш-памяти – десятки гигабайт, поэтому в составе SSD используются микросхемы NAND-флэш с так называемой крупноблочной структурой (Large Block Structure; как увидим позже, это довольно важное замечание). А чтобы не отставать от традиционных жестких дисков по скорости работы, производителям SSD-устройств приходится применять в их составе быстродействующие SLC (Single Level Cell) микросхемы, в противоположность массово применяющимся в других областях MLC-чипам (Multi Level Cell, т. е. хранящим в одной ячейке несколько уровней заряда и, следовательно, более одного бита информации). В настоящее время MLC является более прогрессивной, высокоемкой и дешевой технологией, однако по производительности и надежности такие микросхемы пока что не могут сравниться с SLC-аналогами.

В результате можно выделить три ключевых взаимосвязанных фактора, в наибольшей степени влияющих на использование SSD-накопителей в реальных продуктах: объем, быстродействие, цена. Как в известном анекдоте, на сегодня производители могут выполнить одновременную оптимизацию лишь двух из них, причем это неизбежно скажется на третьем в негативном ключе. Так, емкие и быстрые SSD будут баснословно дорогими, емкие и дешевые – довольно медлительными, а быстрые и доступные по стоимости не смогут похвастать сколь-нибудь существенным по современным меркам объемом. И на данный момент поводов для действительно серьезных изменений ситуации здесь не наблюдается – по крайней мере, до выхода на рынок новых перспективных типов флэш-памяти, такой как PCM (Phase Change Memory).

Как уже говорилось, в качестве основных преимуществ используемых в ноутбуках современных SSD упоминаются высокая производительность и низкое энергопотребление. Компенсацией за это служат нерекордные объемы и довольно высокая цена. Давайте же посмотрим, что мы имеем на практике.

SSD vs. HDD: кто быстрее?

Альтернативы жестким дискам SSD и H-HDD
Альтернативы жестким дискам SSD и H-HDD
Графики линейного чтения и времени доступа для SSD и H-HDD

Для примера возьмем SSD-накопитель, установленный в VAIO TZ195N. Эта модель MCBQE48GKMPQ-M1A производства Samsung обладает объемом 48 ГБ, выполнена в формфакторе 1,8 дюйма, оснащена интерфейсом SATA-2 и построена на базе микросхем NAND-флэш этой же компании (48 чипов по 16 Гб), использующих крупноблочную структуру. Последнее, по сути, говорит нам о том, что к памяти такого типа возможен лишь страничный доступ, и размер страницы довольно большой даже по меркам дисковой подсистемы – так, типичными являются блоки по 128 КБ. К сожалению, выяснить номенклатуру применяемых чипов не удалось, так как для этого необходимо вскрывать корпус накопителя, однако в каталоге Samsung Semiconductor можно без труда обнаружить все микросхемы, которые могли бы использоваться в этом SSD. Вся полезная информация, которую можно о них узнать, заключается в следующем: напряжение питания составляет 3,3 В, а время доступа – 25 нс.

Спецификации самого SSD более содержательны. Здесь, в частности, упоминаются такие параметры, как максимальные скорости последовательного и случайного чтения и записи, и с точки зрения повышения быстродействия системы именно они и представляют наибольший интерес:

  • 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.

Как видно, при переходе от последовательного чтения к случайному быстродействие накопителя понижается всего на 20%, из чего можно сделать вывод, что скорость считывания информации любого объема здесь действительно высока. Но совсем иначе обстоит дело с записью. Взгляните: если при потоковой записи достигается цифра, сравнимая со скоростью чтения, – 80 МБ/с, то при переходе к случайному характеру этого процесса данный показатель падает более чем вдвое – до 30 МБ/с! Это прямое следствие крупноблочной организации применяемой флэш-памяти: ведь для записи нескольких байтов информации по конкретному адресу накопителю приходится сначала считать весь блок данных, потом выполнить операцию стирания (erase) флэш-памяти и лишь затем вновь его записать.

Таким образом, выводы о производительности такого SSD-накопителя на практике можно сделать даже просто глядя на его спецификации. При считывании информации он как минимум не отстанет от современных HDD (и при этом, возможно, даже превзойдет 2,5- и 1,8-дюймовые устройства), а вот при записи его быстродействие будет всецело определяться характером этой операции – для потоков и крупных файлов оно окажется вполне адекватным, но вот с файлами малых объемов и при множественных операциях со случайным образом расположенными блоками размером в несколько килобайтов будет ощущаться серьезное замедление работы.

Тестирование лишь подверждает наши предварительные выводы. График последовательного чтения, построенный HD Tune, еще никогда не выглядел столь красиво – практически постоянные 53 МБ/с при среднем времени доступа всего 0,3 мс! Сравните с результатами 2,5-дюймового жесткого диска – кривая на графике спадает от внутренних дорожек к внешним, поэтому при максимальной скорости считывания 50 МБ/с средняя окажется намного меньше – всего порядка 40 МБ/с, да и время доступа совсем иное: 16 мс. Ну а для 1,8-дюймовых накопителей, альтернативой которым и является эта модель SSD от Samsung, эти показатели еще хуже.

Теперь что касается записи. К сожалению, ввиду того что накопитель был установлен в ноутбуке, провести низкоуровневые тесты быстродействия нам не удалось, и мы ограничились операциями на файловом уровне. Пакет FC Test создавал набор файлов на накопителе по нескольким заранее определенным шаблонам. Programs представляет собой набор множества небольших файлов до 1 МБ, MP3 – файлов среднего размера от 2 до 10 МБ и ISO – крупных файлов объемом от 500 МБ. Сравнение с жестким диском, подключенным к настольной системе, подтверждает сделанные ранее прогнозы: отставание SSD в два и более раз. Справедливости ради нужно отметить, что быстродействие ноутбучного жесткого диска при записи файлов малого объема также существенно падает, однако для SSD это падение выражено еще сильнее.

Sony VAIO TZ/SZ и энергосбережение

Альтернативы жестким дискам SSD и H-HDD
12-дюймовый Sony VAIO TZ195N работает от батареи до 9 ч

Ультрапортативные лэптопы VAIO, к которым относятся рассматриваемые модели, помимо массы других положительных моментов, характеризуются одной выдающейся особенностью – рекордными по индустрии показателями времени автономной работы. Почему это так, становится понятно, когда начинаешь анализировать пути, которыми были достигнуты столь высокие показатели, и остается лишь аплодировать инженерному мастерству разработчиков Sony.

Возьмем, к примеру, самую компактную модель – TZ195N, аналоги которой уже неоднократно бывали в нашей Тестовой лаборатории. Помимо очевидных путей повышения времени автономной работы, таких как использование экономичного процессора Core 2 Duo класса ULV и высокоэффективной светодиодной подсветки ЖК-экрана, здесь применяются и менее распространенные, а в чем-то и уникальные методы. Так, для максимального снижения энергопотребления пользователю предоставляется возможность отключать питание не только беспроводных адаптеров Wi-Fi и Bluetooth, но и оптического привода, адаптера Ethernet и портов расширения. Производится это программным путем, непосредственно с помощью Windows-утилиты, причем устройства действительно отключаются полностью, так как они пропадают из списка оборудования Device Manager, а при включении система заново выполняет их обнаружение и установку.

Альтернативы жестким дискам SSD и H-HDD
Sony VAIO SZ6RXN с диагонаью экрана 13 дюймов оснащен H-HDD

Более габаритная 13-дюймовая модель VAIO SZ6RXN отличается наличием сразу двух видеоадаптеров – интегрированного и дискретного. Первый задействуется при необходимости максимальной экономии энергии, второй – для достижения повышенного быстродействия в 3D-графике либо же при просмотре видео высокой четкости, причем пользователь волен выбирать между ними самостоятельно, с помощью механического переключателя.

И наконец, новым словом в деле повышения энергоэффективности стали твердотельный и гибридный накопители в TZ195N и SZ6RXN соответственно. О результатах, продемонстрированных оснащенными ими ноутбуками, читайте в основном тексте статьи.

SSD и энергопотребление

Еще одним важным аргументом в пользу применения SSD в ноутбуках называется их экономичность по питанию. Считается, что типичный твердотельный накопитель способен существенно продлить время автономной работы мобильного ПК. Но так ли это?

Электрические параметры рассматриваемого SSD согласно спецификации таковы: напряжение питания 3,3 В, а потребляемая мощность зависит от режима работы устройства:

  • Read/Write: 0,34/0,35 Вт;
  • Idle: 0,19 Вт;
  • Standby: 0,1 Вт;
  • Sleep: 0,1 Вт.

Действительно, казалось бы, совсем немного, доли ватта. Но справедливости ради давайте сравним их с показателями для жесткого диска, например 1,8-дюймовой модели Samsung Spinpoint N2 60 ГБ (с частотой вращения 3600 об/мин): напряжение питания 3,3 В, пиковый ток при старте шпинделя 0,4А (т. е. пиковое потребление мощности 1,32 Вт), а также:

  • Seek: 0,8 Вт;
  • Read/Write: 0,9 Вт;
  • Idle 0,30 Вт;
  • Standby 0,07 Вт;
  • Sleep 0,07 Вт.

С одной стороны, потребление выше в два и более раз. С другой – речь все также идет о долях ватта! Так будет ли вообще заметна разница в энергопотреблении этих устройств на фоне всей системы? А ведь по стоимости и по емкости 1,8-дюймовые диски выигрывают у SSD очень даже существенно...

Как обычно, на практике все оказывается гораздо интереснее по сравнению с теоретическими измышлениями. Тестирование с помощью Battery Eater показало, что ноутбук VAIO TZ195N, оснащенный твердотельным диском, после активации всех функций энергосбережения способен проработать более 5 ч при ощутимой нагрузке на CPU и видеоподсистему, и более 9 ч (!) – в режиме чтения. К сожалению, ввиду отсутствия в нашем распоряжении аналогичной модели, оборудованной традиционным жестким диском, довольно сложно сказать, насколько велик вклад самого накопителя в достижение столь рекордных результатов. Поэтому мы все же очень надеемся со временем заполучить на тестирование модуль SSD, так сказать, в «чистом виде», чтобы оценить порядок предоставляемого им энергетического преимущества более точно.

Ну а если сравнивать SSD с более «прожорливым» 2,5-дюймовым HDD, то выгода от применения твердотельного диска становится очевидной, так как потребление первого будет ниже уже раз в четыре-пять. С другой стороны, и разрыв между технологиями по емкости и стоимости также существенно увеличивается. Есть ли у SSD для уверенного преимущества еще какие-нибудь козыри в рукаве?

Надежность и срок службы

Оказывается есть, причем немалые. По статистике почти каждый второй пользователь мобильного жесткого диска в конце-концов сталкивается с его выходом из строя – в результате падения, удара или других механических воздействий на точную механику HDD. Ничего не поделаешь – жесткие диски вообще довольно «нежные» устройства, а уж мобильные 2,5- и 1,8-дюймовые – и подавно.

А вот SSD, в отличие от них, практически не подвержены проблемам механических воздействий – по крайней мере, пока они не превышают ударные 1500 g (в течение 0,5 мс) или же 20 g постоянных вибраций на частотах от 10 Гц до 2 кГц. Для сравнения, как обстоит дело с 1,8-дюймовыми жесткими дисками: ударные нагрузки в работающем состоянии до 600 g (2 мс), вибрации же всего до 0,67 g. К тому же высота над уровнем моря, на которой HDD-накопитель сохраняет работоспособность, ограничена от –300 до 3000 м.

Наконец, столь основополагающий параметр для систем хранения, как MTBF (Mean Time Between Failure, время бессбойной работы) – для SSD он составляет 2 000 000 ч. Для жестких дисков он нормируется иначе – производители гарантируют выполнение 600 тыс. операций парковки/распарковки головок, поэтому сопоставить эти показатели напрямую не удалось.

И самое интересное – проблема «износа» NAND-флэш, которой когда-то уделялось много внимания. Заключалась она в том, что после проведения множества циклов операций стирания и записи значения в ячейку надежность хранения данных значительно снижалась, и через некоторое время ячейка становилась сбойной и из дальнейшей работы исключалась. По заявлению производителей, сегодня за счет совершенствования технологии, а также применения комплексных алгоритмов распределения циклов записи по всему массиву памяти эта проблема с повестки дня снята, и современным SSD можно пользоваться точно так же, как обычным HDD. Со временем, конечно, определенное «старение» устройства происходить будет, однако оно будет выражаться не в появлении сбойных блоков, а в небольшом, практически незаметном уменьшении объема доступной памяти.

Немного разобравшись с SSD, попробуем проанализировать еще одну технологию, призванную усовершенствовать системы хранения данных.

H-HDD: о пользе и вреде компромиссов

Разговоры о широком применении гибридных жестких дисков (H-HDD), причем как в мобильных, так и в настольных системах, начались одновременно с популяризацией флэш-памяти. Собственно, положенная в основу идея довольно очевидна – создать устройство, сочетающее в себе достоинства жесткого диска, с одной стороны, и энергонезависимой твердотельной памяти – с другой. Все было бы хорошо, если бы вместе с достоинствами обеих технологий каким-то образом удалось компенсировать их недостатки – однако, как это часто случается, получилось наоборот.

К тому же на практике выяснилось, что смонтировать на плате электроники HDD дополнительный набор микросхем NAND Flash особой технической трудности не представляет. Гораздо сложнее придумать, что потом с ним делать, т. е. найти пути наиболее эффективного использования такого гибридного решения. Вот тут-то и оказалось, что столь же очевидного решения в данном случае нет, поскольку вступают в силу все те же ограничения современной флэш-памяти, что и для SSD. Производители не могут оснащать жесткие диски флэш-буфером большого объема, так как это слишком их удорожит; с другой стороны, данный буфер должен быть также и весьма быстродействующим – как минимум быстрее самого жесткого диска, что также сказывается на конечной стоимости. В результате современные гибридные диски, подобные установленному в Sony VAIO SZ6RXN (Seagate Momentus 5400 PSD ST91608220AS), оснащаются буферной флэш-памятью... всего в 256 МБ (а также традиционной кэш-памятью 8 МБ). Возможна ли вообще эффективная работа такого решения?

Загадочный ReadyDrive

Альтернативы жестким дискам SSD и H-HDD
Альтернативы жестким дискам SSD и H-HDD
Технология Vista Ready Drive для своей работы не требует какого-либо вмешательства пользователя

Работой с гибридными дисками под Windows Vista управляет технология Vista ReadyDrive, но алгоритмы ее функционирования как минимум неочевидны. Так, в настройках гибридного накопителя в диспетчере устройств появляется вкладка «Сохраняемый кэш», где говорится о наличии на диске флэш-буфера и о том, что использование его по назначению может улучшить производительность системы – однако нигде не отображается, включена поддержка ReadyDrive этого накопителя или нет? Вместо этого нам предлагают воспользоваться редактором групповой политики (gpedit.msc), где можно в явном виде запретить пользоваться ReadyDrive (пункт «Отключить функцию "Энергонезависимый кэш"»), но опять-таки абсолютно непонятно, включена ли она по умолчанию и работает ли в данный момент.

После небольшого исследования выяснилось, что уже само наличие вкладки «Сохраняемый кэш» в свойствах накопителя говорит о том, что ReadyDrive для него задействована. Тем не менее возможность управлять ее работой или каким бы то ни было образом настраивать ее в Vista попросту не предусмотрена. Несколько раз попытавшись измерить время сворачивания/разворачивания системы в Stand-by и Hibernate при включенной и отключенной опции в панели gpedit.msc, мы не выявили ровным счетом никакой разницы, выходящей за рамки погрешности измерений. Да и в обычной работе наличие 256 МБ энергонезависимой кэш-памяти никак себя не проявило. Как оказалось впоследствии, для того чтобы ReadyDrive поместила определенную область данных в сохраняемый кэш, необходимы регулярные обращения к ней, причем перемежаемые периодическими перезагрузками ПК – только тогда ReadyDrive наконец «сообразит» разместить требуемые данные в кэш-памяти.

Как повысить эффективность H-HDD

Альтернативы жестким дискам SSD и H-HDD

Поразмыслив, можно сделать следующие выводы. Сохраняемый кэш в гибридном накопителе будет эффективен лишь тогда, когда по объему он сравняется либо превзойдет оперативную память ПК. Тогда при необходимости перехода в режимы Stand-by, Hibernate, а также при неинтенсивной работе, например с документами, ReadyDrive сможет выключить шпиндель накопителя и пользоваться для работы с ними и файлом подкачки исключительно флэш-памятью, что благотворно скажется на времени автономного функционирования ноутбука. Что же касается производительности, то при сегодняшних скоростях чипов MLC NAND выигрыш здесь если и будет, то весьма незначительный, да и то заметный лишь при операциях чтения данных.

Опытным пользователям также весьма пригодилась бы возможность ручного управления энергонезависимым кэш-буфером или по крайней мере его частью. Зная заранее, с какими файлами и программами вам предстоит работать, их можно было бы загодя разметить в этой области, тем самым избавив алгоритм ReadyDrive от необходимости «угадывать» нужные файлы.

Таким образом, пока на рынок не выйдет следующее поколение гибридных жестких дисков, предоставляющих пользователям значительно больший объем энергонезависимой буферной памяти, а технология Vista ReadyDrive не обзаведется «человеческим лицом», т. е. хоть какими-то возможностями ручного управления и контроля, польза от применения H-HDD даже в мобильных системах, к сожалению, стремится к нулю. Что уж говорить о настольных ПК, где экономия электроэнергии – далеко не первоочередная задача...

Выводы

Обе альтернативные технологии уже довольно долгое время носят звание «перспективных» и, по большому счету, еще не скоро его лишатся. Первой и пока практически единственной сферой, где возможно их эффективное использование, являются мобильные вычисления. Твердотельные диски действительно обладают рядом преимуществ перед традиционными «нотбучными» HDD, такими как высокая скорость считывания, повышенная надежность, отсутствие движущихся частей, экономичность в энергопотреблении. Однако на данном этапе развития флэш-памяти у SSD есть и существенные недостатки – высокая стоимость, небольшие объемы, слабая производительность при записи данных. Тем не менее в ряде случаев плюсы от применения SSD уже сейчас смогут перевесить минусы, поэтому ноутбуки с опцией замены HDD на SSD наверняка будут пользоваться определенной популярностью.

Что же касается H-HDD, то на текущий момент смысл этой технологии не очевиден, так как при столь малых объемах кэш-памяти говорить о каком-либо выигрыше в производительности либо в энергопотреблении не приходится. Это может измениться, если на рынке появятся гибридные диски следующего поколения, оснащенные сохраняемым кэш-буфером на порядок большего объема.

Ну а нам с вами остается лишь... следить за ценами на флэш-память. Обе альтернативные технологии смогут преуспеть на рынке при одном очень важном условии – если стоимость чипов NAND-флэш продолжит снижаться, а их объемы и производительность – расти. И хотя в последние годы этот процесс выглядел именно так, но веских причин быть уверенными в том, что в будущем данная тенденция сохранится, к сожалению, нет.

Редакция благодарит компанию «ДКТ»
за предоставленные ноутбуки Sony VAIO TZ195N и SZ6RXN.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT