Solid State Drive (SSD)

Като Geek аз съм фен на новите технологии. От години следя как flash паметите постепенно започват да заместват хард дисковете. Това е по принцип преход към много по-добри методи и организация за запис на данните, и ще прескочи и флашовете, разчупвайки за нововъведения един от най-консервативните компоненти на съвременните компютри – постоянната памет. Някой ден дисковете може би просто ще изчезнат (не само въртящите, но дори Flash базираните).

Та искам да разкажа за Flash базираните Solid State Drive дискове. Solid State се отнася като термин за всички видове памет, които нямат нужда от механично движение за да се използват. Solid State Drive е доста общ термин, но като цяло се отнася за устройства заместващи хард дисковете, базирани на памет с постоянен запис, без механични въртящи се части.

Но в момента термина най-вече се употребява за базирани на Flash памет SATA/ATA дискове.

Тази техника – дискове базирани на флаш се промотира от години за персоналните компютри от технологичната тройка Sony, Samsung и Intel. Flash вместо дискове има в специализираните устройства от още повече години (може би вече към 25-30 години). Но с намаляването на цената на Flash паметите, и с навлизането на новите идеи за дизайн, тези дискове започват да стават по-популярни и дори консервативни производители като HP и Apple започнаха да предлагат продукти с тях (тук сега очаквам някой да опищи орталъка – Apple консервативен производител? Но за мен е факт. Apple от години едва ли не въвеждат последни новите технологии, като винаги се опитват да ги променят, в 9 от 10 случая към по-лошо, но за сметка на това успяват да проглушат ушите на всички с тях, и силата на техния маркетинг често успява да заблуди потребителите, че едва ли не те са открили топлата вода. Иновативни са само в дизайна, но дали наистина и там? http://blogs.guardian.co.uk/art/2008/01/apple_braun_ive_rams.html. Та Apple бе един от последните производители въвеждащи SSD в продуктите си, успяха да изостанат дори след HP).

За да опиша от къде идват предимствата и недостатъците на флаш базираните SSD дискове е редно да разкажа най-базовите особености на Flash паметта:

Flash-а се състои от клетки, които за разлика от класическата RAM нямат нужда от захранване за да си запазват стойностите на записите. Технически е тип EEPROM – стойност на бит може да се променя от 1-ца (по подразбиране) в нула, но не и на обратно. За разлика от EPROM-ите, Flash-овете имат вграден механизъм за изтриване. Всеки бит се реализира от транзистор имплементиран чрез ключ, който се „завърта” в активирана позиция (логическа нула) чрез електромагнитен принцип и внасяне на електрон. Изтриването е различно при различните типове Flash-ове, но жаргонно използва „искра” (flash, от където и идва името им). Поради неконтролируемостта на принципа на изтриване, изтриването трябва да се прави на блок от битове на веднъж. Четенето при NOR flash-овете е като при нормална RAM памет, а при NAND flash-овете е на блокове, като при хард дисковете. Типично повечето Flash памети разделят паметта на блокове, които се четат или записват на веднъж – като при хард дисковете. В миналото един блок можеше да има около 1000 сигурни презаписа преди да се повреди (или да повреди съсед). Съвременните Flash памети поддържат около 1000000 презаписа на блок (блокът може да е от 256, 512, 1024, 4096 байта в зависимост от реализацията).

Flash-овете са типично много бързи при четене. Те могат да бъдат бързи почти като нормалната RAM памет. Има сравнително евтини флаш чипове, които достигат скорост на четене от над 200MB/сек (достигани са скорости и по 1GB/сек). При запис са значително по-бавни, но въпреки това са по-бързи от повечето хард дискове (от 10MB/сек до 100MB/сек). По често „бавната” Flash не е проблем на технологията, а на бавния интерфейс до чипа.

Flash паметта използва малко ток, и то само тогава когато има четене или запис. В резултат на това са изключително подходящи за всякакви устройства които трябва да пестят ток (устройства с батерии – MP3 player-и, мобилни компютри, телефони, PDA-та). Flash-овете нямат и механично движение като Hard Disk-овете. Поради това не страдат от вибрации, изпускания или ускорение.

Единствения голям проблем на Flash паметите е, че искра може да повреди записа (както и при нормална RAM) или да ги повреди физически. При добре изолирани кутии (Фарадеев кафез), това не може да се случи.

Заради органичението от количество презаписи върху един блок, Flash-овете не се използваха активно от нормални операционни системи. Те често създават/използват файлове, които се променят десетки пъти в секунда (например Windows Registry, Event DB, Syslog log, Database файлове). И тогава тези 1000000 записа всъщност започват да заприличват всъщност на употреба от 2 дни.

Някой лошо проектирани операционни системи, като Windows Mobile предпочитат да ползват RAM дискове, вместо да работят директно с Flash-а. От което си имат куп други проблеми (включително и това, че заради постоянното захранване на RAM-а, WM базираните устройства харчат повече ток от конкуренцията).

Но напоследък, след голям натиск от Sony и Samsung, Flash базирани хард дискове започнаха да се появяват и в нормалните (мобилни) компютри. Samsung и Sony пуснаха за първи път серийни продукти със SSD дискове, а две години по-късно, такъв анонсира дори Apple (след Asus, Dell, HP и Lenovo) но така опищя света, че много хора решиха, че едва ли не те са ги открили. Intel пък вкара възможност за Flash в Rosetta чипсета (моят T61p има такава), която някой операционни системи (Windows Vista за сега) използват като SSD диск и кешират там нормалния хард диск, с цел да го държат по-дълго изключен и така да пестят ток.

За да направим сравнение между флаш базираните устройства, традиционните магнитно дискови е редно да спомена и няколко думи за последните:

Те работят по сравнително прост начин – метализиран диск се намагнетизирва на сегменти „домейни”, от специална глава, която лети на колкото се може по-близко разстояние над въртящия се от 2000 до 15000 оборота в минута диск (височината е важна за да поддържа размера на домейна малък). Четенето става от същата глава (която служи и за да намагнетизирва диска отново при четенето, за да не „остаряват” данните) чрез индуктираният в нея от намагнетизирването ток, който предизвиква аналогов електромагнитен сигнал и той се чете със същите кодировки използвани и в останалите електромагнитни комуникации (тоест не е просто 0 и 1) и същите кодове за отказоустойчивост и interleaving. Позиционирането на главата става на изключително аналогов принцип (например стъпков мотор поставя рамото там където се предполага, че има пътечка, а върху рамото има второ рамо, което е свободно движещо се с втора бубинка към него, която създава магнитно поле пропорционално на силата на сигнала и се отблъсква от друг магнит на първото рамо – така чрез този елементарен механизъм главата се позиционира точно там където намагнетизирването на диска е най-силно и следователно отдолу е пътечката и данните се четат най-добре. Има и други механизми – с водещи пътечки, или оптично позициониране и т.н. и т.н., но този е най-базовият. Същият механизъм се използва и принципно за позициониране на оптичната глава на CD-ROM-ите и DVD-тата. Така можем да имаме много по-гъсти пътечки със значително по прости мотори за рамената, а много реализации са напълно аналогови, без стъпкови мотори въобще). Има и особености по задвижващите двигатели, но като цяло идеята е сравнително проста, макар физиката да е по същество доста сложна. Има два базови механизма за увеличаване на количеството данни на един диск – увеличаване на гъстотата на пътечките, и следователно намаляване на размера на главата, усложнява се кодирането на сигнала и физиката (защото домейните стават значително по-малки), или увеличаването на броя на повърхностите (един диск има две повърхности – от горе и от долу, но може да се сложат на една ос много дискове, при 4 имаме вече 8 повърхности, или 4 пъти повече данни). Дисковете се въртят с постоянна скорост и следователно в зависимост от това къде се намира главата в този момент на най-външната или най-вътрешната част на диска, линейната скорост на повърхността под нея спрямо нея е различна. Поради трудности на реализацията на механиката, дисковете не могат да си променят скоростите, а домейните не могат да се правят с различна големина поради потенциални магнитно-електрически проблеми. Следователно скоростта на четене се променя в зависимост от това къде е главата и това усложнява кодировката на данните, за да се реализира синхронизация и разпознаване. Но основното, което трябва да се знае тук е, че на единица площ има сравнително равно количество информация, и понеже единца площ преминава по бързо под главата в най-външната част на диска, отколкото в най-вътрешната, скоростта на четене и писане на най-външните пътечки е по-голяма от тази на най-вътрешните, и разликата може да бъде над два пъти. Отделно главите имат нужда от физическо преместване за позициониране, и това време може да отнеме от 2 милисекунди (при съседни пътечки) до 200 милисекунди (до крайни пътечки). Скоростта на четене от дисковете е пропорционална на скоростта на въртене (линейно), на броя на повърхностите (линейно) и на размера на домейна (линейно). Така например 10000 RPM диск е точно два пъти по-бърз от еквивалентен 5000 RPM (ако има такъв). Диск с 4 повърхности е два пъти по-бърз от диск с 2 повърхности (защото понеже в дисковете има само едно рамо, ако са повече ще се блъскат, всички повърхности се четат едновременно), диск с 2 пъти по-малък домейн при равна скорост на въртене е два пъти по-бърз от еквивалентен диск но с нормален домейн (защото за единица време под главата преминават два пъти повече домейни). Обемът на данните е право пропорционален на площта на повърхността и броя повърхности, и обратно пропорционален на размера на домейна. Така един 2.5” диск има почти точно два пъти по-малка площ от 3.5” диск и при равни други показатели трябва да може да записва два пъти по-малко данни. Но ако сравним един 2.5” 120GB HDD и един 3.5” 120GB HDD то при равна скорост на въртене, заради равният обем данни, можем да предположим, че 2.5” диска е с два пъти по-малък домейн (два пъти по-голяма плътност на площ) или с два пъти повече повърхности. Или казано с други думи е точно два пъти по-бърз на четене и запис. Би бил по-бърз от 3.5” диск, дори ако се върти с 4200 оборота, вместо с 7200.

Дисковете имат и известно количество RAM за кеш. Тя е необходима за разкодиране на данните по пътечките, често заради изключително сложната кодировка. И заради това е добре да е по-голяма или поне равна на общото количество данни, които могат да се запишат на физическа пътечка (логическите пътечки, които операционната система вижда, отдавна не отговарят на физическите). Ако е по-малка или равна, реално няма никакъв кеш (изисква се механично действие свързано с разкодирането). За това 8MB и 16MB кеш на дисковете със съвременен обем може да се приравнят на нула, все едно няма кеш.

Хард дисковете имат нужда да се развъртят докато достигнат обороти и постоянство на оборотите. Това време може да отнеме до 5 секунди. Поради това дисковете работят непрестанно, и са захранени непрестанно. Само мобилните компютри се опитват ако не се ползват дълго време (малко вероятно) да ги изключват за да пестят ток.

Дисковете харчат различно количество ток в зависимост от това дали позиционират глава, четат или пишат. Често доста повече, отколкото е специфицирал производителя. Нормално един 3.5” диск харчи ток около 10-30W, а един 2.5” за мобилни компютри харчи между 1 и 10W.

Дисковете имат страхотни проблеми с вибрациите. Най-малката неочаквана вибрация може да удари главата в повърхността и да повреди едно от двете. Много дискове за мобилни компютри замерват вибрациите и се изключват при такива. Проблем има и с наклона – ако диска е наклонен, предизвиква вибрации спрямо оста на гравитацията и може (трябва) да бъде изключен.

IBM е производителя с най-малки глави, най-нисък полет, най-добър вибрационен контрол, най-малка консумация и най-напредничава физика по отношение на магнитните хард дискове. Те държат на практика и всички важни патенти в областта. Така Hitachi – производителя, който придоби заводите на IBM и правата върху патентите, има невероятен запас от технологични трикове в дисковете си. Fujitsu е другият много силен производител специално в малките по размер дискове (1.8” и 2.5”). Samsung пък е най-големият производител на евтини дискове, без особено много качество. Като цяло всяка от големите фирми си има нещо на което набляга. Така Seagate набляга на оборотите и броя повърхности. IBM/Hitachi/Fujitsu набляга на размера на домейна и главата.

И сега ако сравним Flash памет с класически диск, виждаме следните разлики:

	SSD Flash ATA устройство	2.5” класически механичен диск за мобилни компютри
Трябва да бъде захранен непрестанно	Не, само при четене и писане	Да
Време за изчакване преди да може да бъде използван при стартиране	наносекунди	2-5 секунди
Типична консумация при средна употреба	0.1-1.2W (Samsung 64GB SSD)	1-10W
Плътност на площ	500GB в размера на 2.5” диск – плътността на Flash-а е вече еквивалентна или по-добра от дисковете	200GB за 2.5” типично
Проблеми при вибрации	Не, може дори да бъде изпуснато от 100 метра и ще работи	Да, добрите модели се изключват при вибрация, но това е особено голям проблем
Типична скорост на четене и запис	50MB/сек четене, 30MB/сек запис, без значение на кой блок и коя логическа пътечка. По евтините имат 20-30MB фиксирана скорост на четене, 15MB фиксирана скорост на запис. Най-бързите правят около 100MB/сек четене и запис	50MB/сек четене и запис за най-външната пътечка, последователно, в 32MB отрязъци, и 7200RPM, 2.5HDD. 20MB/сек четене и писане при същите параметри за най-вътрешната пътечка. Данни разхвърляни на несъседни пътечки могат да намалят скоростта 1000 пъти. Най-бързите постигат 100MB/сек пикова скорост на четене
Скорост за преместван от една пътечка на друга (seek time)	Няма време за превключване	От 1 мс между съседни пътечки до 200 мс при определени ситуации. Около 10-15мс средно.
Количество презаписи	На добре направените устройства - 32 милиарда презаписа (средно 150 години употреба)	Няма ограничения
Шум и вибрации	Няма	Малък
Отделена топлина	Почти няма (пропорционално на консумацията)	Много по-голям (пропорционално на консумацията)
IO операции за секунда (IOPS)	5000-10000 типично	70-100 типично
Цена	Около 5$ на гигабайт	Около 0.5$ на гигабайт

Очевидни са предимствата на SSD flash базираните дискове спрямо нормалните дискове за мобилни компютри – те са винаги по-бързи, харчат десетки пъти по-малко ток, по-тихи, няма шум, няма вибрации, няма време за включване изключване, няма seek time, няма греене. Само дето са 10 пъти по-скъпи на GB за момента. Но цените намаляват толкова бързо, че се очаква, че ще бъдат 1/3 от всички дискове за мобилни компютри след 2 години. Мобилните компютри със SSD дискове имат толкова очевидни предимства, поради тях, че вече всеки производител (дори Apple) има модели с такива. Аз например употребявам само около 20GB на диска на моят мобилен компютър. Но се дразня от бавното Boot-ване или стартиране на програми. Знам как реагира SSD диск и само чакам да си намеря подходящ (на цена) и ще го подменя.

Как SSD дисковете решават проблема с количеството презаписи? Има два подхода. Евтините производители, не го решават и просто разчитат, че риска е малък да имаш 1000000 презаписа на един и същи блок.

Добрите производители прилагат малък трик – така или иначе при запис първо се прочита блока и после се записва. Те използват малко количество специална памет (без ограничения в броя на презаписванията), най-често RAM на кондензатори с малко флаш за защита, където се записва кой логически блок на кой физически блок се намира. Когато се презаписва логически блок, се прочита оригинала, модифицира се но се презаписва на мястото на маркиран за свободен, а стария се маркира свободен на ротационен принцип. Така е достатъчно да имаш само един екстра блок в повече, и поради ротационния механизъм (един и същи логически блок никога не попада на едно и също място, а ротацията извъртява всички блокове по равно при запис) броя на презаписите се увеличава до броя на физическите блокове * броя на презаписи, които един блок издържа. Или при 32GB SSD flash устройство с 4KB физически блок, те са около 8000 милиарда презаписа. Число повече от достатъчно за всякакви цели.

Дали операционните системи са готови за SSD дискове? Оказва се, че не. При нормалните дискове е стратегически по-добре данните, които се четат да са на една или съседни пътечки защото се четат значително по-бързо. Най-бавния процес е преместването на главата. Използват се техники като дефрагментация, която подрежда данните на файловете на една и съща или съседни пътечки, а най-използваните файлове в най-външните (най-бързите) пътечки, или техники като read-ahead, които катализират скоростта на четене на дефрагментираните файлове четейки по няколко съседни блока или дори цяла пътечка в кеш в паметта, или огромни буфери за кешове в паметта, и специални подредби на системните блокове по пътечки, за да се намалява фрагментацията или да са в най-бързите части на дисковете. Read-ahead кеша и операционната система се опитват да изчетат един файл в паметта на веднъж, дори приложението да има нужда в този момент само от една негова част, за да се спести нуждата от местене на главата евентуално по-късно. Всяка операционна система (и Linux, и Windows) прилага тези техники постоянно. При SSD дисковете обаче всички тези техники не само, че не помагат, но дори пречат на ефективността. Много по-добре за потребителя и реагирането на операционната система при SSD е файловете да се четат едновременно, и да се прилагат техники на достъп като при Fair-Queue в Networking-а. Дефрагментирането на файловете няма никакво значение. Буферите в паметта и read ahead кеша отнемат памет и увеличават закъснението за достъп до ценна информация, както и времето за употреба на флаша, което увеличава употребата на ток безсмислено. Реално най-глупавите операционни системи работят най-добре със SSD дискове. Колкото по-малко интелигентност, толкова по-добре за потребителя. За съжаление малко OS се сещат ако разпознаят такъв, да изключат това да се правят на умни, а и не всеки знае как да си го постигне сам. Все пак дори и „умна” операционна система реагира значително по-добре със SSD отколкото с нормален диск.

Други интересни хитринки са външни дискови масиви базирани изцяло на Flash или RAM памери, или със SSD дискове за кеш на нормалните дискове. Такива масиви постигат скорости на достъп над 10GB/сек, дори при малко количество обем, нещо недостижимо за класическите дискови масиви.

В момента като най-голям производител на Flash чипове в света Samsung е най-големия промоутър на SSD дисковете, защото има най-голям интерес. Но най-добрите Flash-ове идват от Intel и SSD устройства базирани на техните продукти са най-добрите, но и доста по-скъпи. Има и доста евтини и хитри производители на SSD дискове също, които паралелизират шината за достъп до чиповете и увеличават IOPS-то, въпреки че то по принцип е значително по-голямо отколкото на който и да е HDD. 16GB и 32GB SSD устройства могат да се намерят за много добри цени (под 4$ на GB), което е достатъчно за много практически цели. Възможно е човек да си сложи SSD диск, където да държи по-използваните файлове (операционната система например) и само storage-то да бъде на големи и евтини HDD-та. Така значително би повишил производителността на компютъра си, за сравнително ниска цена.