Глава 11. Внешняя память на твердотельных накопителях

11.1. Актуальность перехода на твердотельные накопители

Производительность ядер современных процессоров, определяющих вычислительные возможности компьютеров, существенно превосходит производительность традиционных НЖМД. В результате именно подсистемы хранения данных во многих случаях становятся «узким» местом, сдерживающим рост производительности компьютеров в целом. Использование дорогостоящих решений на основе RAID-массивов лишь отчасти позволяет решить проблему дисбаланса в производительности ядер процессоров и подсистем хранения данных на основе НЖМД.

В дальнейшем дисбаланс производительности ядер процессоров и НЖМД будет только увеличиваться, и производительность компьютера во многих приложениях уже перестанет определяться производительностью ядер процессора, а будет упираться в самое слабое звено — подсистему хранения данных.

Сегодня единственным способом решения этой проблемы является переход от НЖМД к твердотельным накопителям (Solid State Drive). В настоящее время твердотельный накопитель – это энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство без движущихся механических частей с использованием флэш-памяти. Однако к твердотельным накопителям относятся не только те, которые используют для хранения информации флэш-память. Современная трактовка этого термина подразумевает любой накопитель, в котором отсутствуют движущиеся элементы.

Твердотельные накопители способны обеспечить уровень производительности, который в значительной мере отвечает производительности современных многоядерных процессоров.

В литературе устройства этого типа часто называют SSD-диски. Термин диск используется по той причине, что твердотельный накопитель полностью эмулирует работу НЖМД. Впрочем, высокая производительность — это не единственное преимущество твердотельных накопителей. Они также абсолютно бесшумны, поскольку не содержат движущихся частей, и, потребляют гораздо меньше электроэнергии по сравнению с НЖМД.

Казалось бы, если преимущества твердотельных накопителей настолько очевидны, почему они до сих пор не вытеснили НЖМД? Увы, но у твердотельных накопителей есть и серьезные недостатки. Прежде всего, современные твердотельные накопители не сопоставимы с НЖМД по емкости и стоимости. Стоимость 1Г байта твердотельных накопителей почти в 10 раз больше стоимости аналогичной емкости НЖМД.

11.2. Устройство твердотельных накопителей

Устройство микросхем флэш-памяти

В твердотельных накопителях используются три типа памяти NAND:

SLC (Single Level Cell) - в каждой ячейке хранится один разряд (бит) информации;

MLC (Multi Level Cell) - в каждой ячейке хранится два разряда информации;

TLC (Three Level Cell) - в каждой ячейке хранится три разряда информации.

Соответственно, памяти MLC и TLC более дешёвые по сравнению с памятью SLC при одинаковой емкости. Однако памяти MLC и TLC обладает меньшим ресурсом циклов стирания (100000 у SLC, 10000 - для MLC, до 5000 – для TLC) и худшим быстродействием. С каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознавания уровня сигнала, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается вероятность ошибок. Так как SLC-микросхемы намного дороже и объем их меньше, то для массовых решений применяют в основном MLC и TLC-микросхемы. На данный момент MLC- и TLC-память активно развивается и по скоростным характеристикам приближается к SLC-памяти. Меньшую скорость MLC- и TLC-микросхем производители твердотельных накопителей компенсируют алгоритмами чередования блоков данных между микросхемами памяти (одновременная запись/чтение в две микросхемы флэш-памяти, по байту в каждую) по аналогии с RAID 0, а низкий ресурс - перемешиванием и слежением за равномерным использованием ячеек. Плюс к этому в твердотельных накопителях резервируется часть объёма памяти (до 20%). Это недоступная память для стандартных операций записи/чтения. Она необходима как резерв в случае износа ячеек, по аналогии с НЖМД, которые имеет резерв для замены «плохих» кластеров. Дополнительный резерв ячеек используется динамически, и по мере физического изнашивания основных ячеек предоставляются резервные ячейки на замену.