Зачем и для кого нужны новые SSD диски

Если вы пристально наблюдаете за развитием компьютерных технологий, разумеется знаете, с какой скоростью происходит тенденция развития технологии магнитной записи, и создания жестких дисков. Уж эта область точно на месте не стоит.
Производителям жестких дисков удается запихивать в каждый квадратный сантиметр все больше и больше байт данных, при этом повышая надежность, и снабжая дисковые устройства акселерометрами. Тем не менее с таким темпом увеличения скоростей чтения/записи HDD, не все дела настолько радужны. На сайте также имеется авторская статья, в которой изложен личный опыт работы на ссд дисках.

Рассмотрим график отображающий разрыв роста производительности центрального процессора и магнитных жестких дисков.

Из которого видим, что с 1996г. Физическая производительность магнитных дисков выросла только в 1,3 раза.  Достаточно неожиданная статистика – каждый кто давно имеет дело с компьютеров, помнит, как ранее компьютеры работали значительно медленнее, дольше происходил процесс записи на диск.
В данном приросте, многое достигнуто благодаря использованию кеш памяти, и оптимизации в процессах записи и чтения с диска. Тем не менее факт остается фактом – несмотря на глобальное увеличение обьемов носителей, производительность жестких дисков увеличилась лишь незначительно. А процессоры, как видим, разогнались в мощностях аж в 60 раз, а многоядерных вообще в 175 раз!
Очевидно, использование твердотельных накопителей, просто напрашивается, особенно для приложений имеющих высокие требования к скорости случайного чтения. Напомним что производительность любого современного жесткого диска имеет ограничение в 300 операций ввода - вывода в одну секунду (что касается дисков с частотой вращения 7200 об/мин это значение еще ниже).

Вот тут и выходят на сцену современные твердотельные носители (SSD), которые способны обеспечить около 35000 операций ввода – вывода. Данная цифра актуальна именно для быстрых серверных SSD накопителей, но даже и в случае с обычными, десктопными SSD дисками перед магнитными жесткими дисками у них в сотни раз.

Преимущества перехода с HDD на SSD

Теперь о самом главном недостатке HDD, точнее о его больном месте. Это низкая отказоустойчивость использования его в полевых условиях. Процент отказа составил 8,6 % за 3 года (по исследованиям самых авторитетных опросов), что есть достаточно высокое значение, в этой цифре лишь исследование собственных массивов стационарных дисков, а если включить статистику вышедших из строя ноутбуков, и стационарных компьютеров.
А ведь два три года назад, говорить о замене жестких дисков на твердотельные накопители, было фантастикой. В 2007г. Максимум что выпускали производили NAND памяти, это одно гигабайтные чипы, путем не сложных вычислений, чтобы сделать диск  аналогичный объему жесткого диска, нужно было использовать слишком большое количество элементов.
И надежность их к тому же, была не на высоте, и оставляла желать только лучшего (достаточно вспомнить первые Acer Aspire One – на сегодняшний день выжила в лучшем случае половина этих первых нетбуков с SSD.
Естественно, не последнюю роль в этих проблемах первых твердотельников были связаны с драйверами, несовершенными на тот момент. Сейчас ситуация уже намного лучше.
Начиная с 2010г., в массовое производство выпущены чипы обьемом 32Гб. Что позволило гораздо проще собрать хранилище данных со значительными обьемами.

18 мая 2010г.  Intel объявила о переходе на новую технологию производства NAND флеши 25нм – что позволило удвоить вместимость чипа, и следовательно, снизить стоимость на SSD накопители.

Еще один главный плюс флеш дисков в том, что они  стали более живучими, не только благодаря повышенному количеству циклов перезаписи в NAND микросхемах, а также  снижения требований к ячейкам за счет оптимизации, интеллектуальным процессам записи и чтения.

Способы оптимизации работы с SSD, применяемые Intel

Для того чтобы понять тенденции изменения в индустрии развития флеш памяти с 2007г., нужно в общих чертах иметь представление, о том как работают эти диски.
Разумеется, никаких дисков во флеш памяти нету, вместо них – есть ячейки, которые запоминают состояние. Фактически, флеш чип имеет большее сходство с традиционной оперативной памятью RAM, чем с HDD, разница в том что RAM рассчитана на быстродействие, а флеш память - на максимальный объем, невысокую стоимость и энерго-независимость.
Главное отличие твердотельного диска от жесткого в том, что у него порисходит износ при записи не зависимо от того в какую ячейку она производится, и практически не изнашивается в процессе чтения. Быстродействие флеш не зависит от того, в какой последовательности происходит запись данных (здесь следует напомнить, что в случае с HDD, для минимизации перемещения головки, а следовательно и скорости последующего считывания, важно записывать данные максимально близко друг к другу).
В связи с этим, для работы с твердотельными дисками используется технология непрямой записи, либо как она еще называется система перенаправлений - Indirection System.
Эта система записи ассоциирует логические блоки (LBA) с физическими в NAND памяти.
В отличие от HDD, при этом, ассоциация LBA с физическим адресом меняется при каждой записи.

Технология записи Indirection System

Для чего понадобилась такая непростая система?
Ее потребность вызвана тремя особенностями SSD накопителей.
Данные записывается в SSD крупными фрагментами. Для записи информации в какой-либо определенный сегмент SSD, его предварительно нужно очестить, на что затрачивается время. Особенно много времени расходуется в случае, когда блоком информация занят не весь сегмент полностью, этот блок нужно считать, переместить в другую область, и только после этого очистить предназначенный для новой записи сегмент в памяти. 

И третий аргумент, как упоминалось ранее, каждый сегмент SSD чипа имеет ограниченное количество перезаписей, после чего этот сегмент деградирует.
Таким образом, оптимизированный алгоритм работы твердотельного диска ускоряет работу, и сохраняет его, снижая требования к числу перезаписей.
Современные SSD еще имеют технологию свободной области  - Spare Area.
Это технология подразумевает определенную зарезервированную часть диска, в которой данные пользователя не записываются. Так сказать это виртуальная часть диска (т.е. не имеет непосредственной привязки к каким либо физическим адресам). Ее назначение – резерв для процесса записи - на нее размещается новая информация. За счет наличия свободной области исчезает потребность в переносе фрагментированных данных каждый раз во время новой записи.
Что дает понять, чем больше размер такой постоянно стертой области, тем меньше происходит износ диска, тем быстрее скорость записи на него.

Графики зависимости производительности и времени работы дисков Intel X25-M в зависимости от размера их свободной области. Современные операционные системы максимально оптимизируются для того, чтобы процесс износа SSD дисков сводился к минимуму.

Дело вот в чем. Изначально в  стандарте IDE не было команды о предварительной очистке кластера – (рассматривая случай с магнитной поверхностью), в этом не было потребности, , кластеру ставилась отметка о том что он свободный в таблице FAT. С приходом SSD такая потребность появилась, и стало нужным физически очищать высвобождаемую область для новой записи (производить перенос фрагментированных данных, не стирая, в свободный блок).
Эти технологии поддерживаются системами основанными на ядре Windows 7 (с Intel RST выше 9.6). Что касается WindowsXP и старенькой Vista, для поддержания данных технологий требуется установка драйвера, и регулярный запуск программы Intel SSD Optimizer. Она производит анализ таблицы размещения файлов, находит данные, помеченные как удаленные, очищает кластеры, в которых содержаться эти данные, и переносит оставшиеся данные в свободную область.

Изменение производительности работы SSD при периодическом запуске программы Intel SSD Optimizer Таким образом, после того как программную часть доработают, SSD диски можно будет рекомендовать всем.

Исследования Intel, диска размером 160Гб модели X-25M, при использовании 144Гб  под размещение информации пользователя, сможет работать на скорости в 3500 операций ввода вывода в секунду. Что на уровень быстрее самого быстрого жесткого диска. Обьем суммарной записи при этом, составит 68 Терабайт, этого хватит для использования его в течении нескольких лет, даже интенсивного использования.