Твердотельные накопители компании Smart Modular Technologies

Твердотельные накопители

компании

SMART Modular Technologies

Роман КРИНОЧКИН Сергей БАРАБАН

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

Рис. 1. SATA модуль XceedIOPS Slim

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. 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

Таблица 1. Технические данные XceedUltraX и XceedSecure

Характеристики XceedUltraX XceedSecure

Производительность

Скорость передачи, Мбит/с 100/74

Время доступа, мкс 272

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

Технология flash SLC

Питание

Напряжение, В 5 ±5%

Потребление, Вт До 5,3

Температурный диапазон, °С -40...+85 0...+70

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.

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 Мбит/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 большим 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 дюй-

Таблица 2. Технические данные XceedIOPS и Xcel

Характеристики Xcel-10 Xcel-100 XceedIOPS

Производительность

Скорость передачи, Мбит/с 110

Выборочный доступ, операций в секунду 6100 при чтении 290 при записи До 30 000

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

Питание

Напряжение, В 5 ±5% 3,3

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

мовом форм-факторах, используют интерфейс SATA и обеспечивают высокую производительность и надежность, которые требуются для вычислительных корпоративных приложений, таких как высокона-груженные серверы или системы хранения данных. Твердотельные накопители семейства XceedlOPS SATA обеспечивают одно из лучших в отрасли количество циклов перезаписи, имеют усовершенствованное управление энергопотреблением, а также комплексные диагностические инструменты.

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 большая (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 4x2 см (рис. 2).

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

Рис. 2. Встраиваемый модуль eUSB

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.