330 / ЗаданКурсЖурналПолныйМПУСУ / ФлешТехнологии

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА

ФЛЭШ ПАМЯТЬ

Флэш технологии

разворачивают наступление

на НЖМД

Сергей Дронов

В статье рассматриваются типы хранения данных в современных компьютерных

системах. Описываются преимущества и недостатки как жёстких дисков,

так и NAND Flash накопителей.

Привычные всем жёсткие диски уже

го сопротивления под действием маг

ется от 2 до 16 миллисекунд, и к его зна

не одно десятилетие воспринимаются

нитного поля).

чению чувствительны операционные

как неотъемлемая составляющая персо

Современные диски могут состоять из

системы компьютеров. Самое малое вре

нального компьютера. Фактически они

одной и более пластин, на которых запи

мя поиска – у серверных жёстких дисков.

представляют собой энергонезависимое

сывается информация. Под ёмкостью

Это понятно, так как именно на серверах

перезаписываемое запоминающее уст

НЖМД подразумевается количество ин

находятся базы данных и другая инфор

ройство. Первый накопитель на жёстких

формации, способное храниться на всех

мация, с которой одновременно работает

магнитных дисках (НЖМД, или HDD)

пластинах одного устройства. У совре

множество пользователей. Следует отме

появился в одной из исследовательс

менных накопителей этот параметр мо

тить, что за последние 10 лет среднее вре

ких лабораторий IBM. Ёмкость этого

жет достигать 2 терабайт. Самый распро

мя поиска информации уменьшилось

устройства была всего около 5 Мбайт,

странённый интерфейс, соединяющий

всего в полтора раза, в то время как про

и оно состояло из 50 дисков диамет

диск с компьютером, – SATA (Serial

изводительность, к примеру, процессо

ром 24 дюйма, вращающихся с частотой

ATA). Теоретическая скорость передачи

ров увеличилась более чем в сто раз.

1200 об./мин. При этом среднее время

данных по нему составляет 300 Мбайт/с.

При всех достоинствах компьютер

поиска информации составляло около

В реальных дисковых накопителях этот

ные жёсткие диски имеют и недостатки.

1 секунды. Интересно, какой тогда была

параметр зависит от физического распо

Главный из них – наличие движущихся

площадь, занимаемая на поверхности

ложения блока данных на поверхности

частей. Головка, плывущая на воздуш

диска одним битом данных?!

диска: чем дальше от центра, тем выше

ной подушке на сверхмалой высоте от

скорость, поэтому на самом деле ско

поверхности, не должна касаться этой

ВИНЧЕСТЕРЫ:

рость интерфейса составляет порядка

поверхности. Под действием ударов и

50 ЛЕТ ЭВОЛЮЦИИ

80–110 Мбайт/с. Одним из важных па

вибрации в дисках происходят ошибки

В отличие от дискет, где носителем ин

раметров работы НЖМД является время

чтения и возрастает вероятность выхода

формации выступают гибкие магнитные

произвольного доступа (Random Access

накопителя из строя. При производстве

диски, в современных НЖМД информа

Time) – это время, в течение которого

компьютеров для минимизации этих

ция записывается на твёрдые носители –

устройство гарантированно произведёт

воздействий НЖМД крепят в специаль

один либо несколько алюминиевых или

операцию чтения/записи на произволь

ных виброгасящих корзинах с резино

керамических дисков (рис. 1). Они по

ном участке поверхности магнитного

выми амортизаторами в корпусах или

крыты слоем ферромагнитного материа

диска. В среднем этот параметр варьиру

используют специальные гелевые про

ла. Считывающая головка скользит над

Поверхность,

кладки в отсеках ноутбуков. Наиболь

поверхностью диска на микроскопичес

шее распространение виброзащита по

на которой записана информация

ком расстоянии от поверхности.

лучила в устройствах, предназначенных

Шпиндель

Запись информации происходит при

для применения в жёстких условиях

подаче электрического тока к головке и

эксплуатации. Например, в промыш

последующем изменении ориентации

ленных ноутбуках Getac все накопители

магнитного поля доменов под ней. При

на жёстких дисках упакованы в гелевую

считывании поле доменов меняет маг

оболочку для предотвращения повреж

нитный поток в магнитопроводе голов

Корпус

дения от внешних воздействий. Компь

ки, при этом в катушке возникает пере

ютеры FASTWEL AdvantiX имеют в сво

менное электромагнитное поле. Возмо

Управляющая

Считывающая

ём составе виброгасящие корзины.

жен и другой вариант – применение

Но, к сожалению, базовая конструк

электроника

головка

78

магниторезистивного метода считыва

ция и принцип работы НЖМД (магнит

ния (эффект изменения электрическо

Рис 1. Конструкция НЖМД (со снятой крышкой)

ная головка, располагающаяся на сверх

www.cta.ru

© СТА-ПРЕСС

СТА 3/2010

А П П А Р А Т Н Ы Е С Р Е Д С Т В А / Ф Л Э Ш П А М Я Т Ь

малом расстоянии от поверхности), не

Перечисленные преимущества твер

Управляющее

позволяют создать устройство, устойчи

дотельной

памяти раскрываются не

напряжение

во работающее при вибрациях более 1g

только в многодисковых серверных сис

Затвор

без применения дополнительных демп

темах, где критична скорость считыва

Плавающий затвор

фирующих приспособлений. Однако на

ния/записи, но и в традиционных мо

до понимать, что эти приспособления не

бильных компьютерах, где принципи

Исток

Сток

гарантируют полного отсутствия ошибок

ально важны низкое энергопотребление

Подложка

чтения/записи, зато существенно увели

и высокая ударостойкость. Кроме этого,

чивают конечную стоимость изделий.

твердотельная память в гораздо большей

Рис. 3. Схема ячейки микросхемы NAND

степени, чем традиционные

жёсткие

флэш памяти

ПРИШЛО ВРЕМЯ

диски, подходит для устройств, работаю

ФЛЭШ ТЕХНОЛОГИЙ

щих в неблагоприятных условиях, сохра

менения специальных контроллеров.

В настоящее время как альтернатива

няя работоспособность там, где НМЖД

В них встроены алгоритмы равномерного

винчестерам набирают популярность

выходят из строя. На сегодняшний день

износа ячеек – wear leveling, выравнива

устройства на основе твердотельной па

у флэш памяти на основе NAND техно

ющие количество циклов записи во все

мяти (Solid State Drive – SSD) – энерго

логии есть только два существенных не

ячейки микросхем NAND, из которых

независимые накопители без движущих

достатка: боYльшая стоимость по сравне

состоит SSD накопитель.

ся частей (рис. 2). Первые устройства

нию с НЖМД и ограниченное количест

Если посмотреть на статистику ис

флэш памяти (flash) на основе NAND

во циклов записи в ячейку памяти.

пользования, на накопитель компьютера

технологии были представлены в сере

Современные SSD накопители ис

пишется в среднем 20 гигабайт инфор

дине 90 х годов прошлого века компани

пользуют два типа NAND технологии:

мации за сутки эксплуатации. Твердо

ей M Systems. Они имели форм фактор

SLC (Single Level Cell) и MLC (Multilevel

тельные накопители Intel, устанавливае

3,5" или 2,5". К сожалению, их стоимость

Cell). Информация хранится в транзис

мые в промышленные

компьютеры

Микросхемы

Микросхемы

торах с плавающим затвором (рис. 3).

FASTWEL AdvantiX, гарантированно

Уровень заряда в нём определяет логи

проработают 5 лет при таком режиме

NAND Flash

NAND Flash

ческое состояние ячейки. Отличие – в

эксплуатации. Много это или мало – ре

Контроллер

количестве битов информации, храня

шать пользователю.

щихся в ячейке памяти. Технология SLC

Кроме этого, стоит добавить, что про

предполагает два уровня напряжения в

мышленный компьютер, оснащённый

ячейке: логические 0 и 1. Для MLC этих

SSD накопителем, издаёт меньше шу

уровней может быть больше, например

ма, не подвержен сбоям, причина кото

четыре: 00, 01, 10, 11. Преимущества

рых – вибрационные и температурные

SLC – высокая скорость работы и боль

нагрузки, и более производителен в

шее, чем у MLC, количество циклов за

операциях чтения/записи. В конечном

Интерфейс

Буферная

писи. Увеличение количества уровней

итоге, от всех этих преимуществ выиг

SATA

память RAM

приводит к усложнению процесса детек

рывает пользователь.

Рис. 2. Конструкция твердотельного

тирования их состояния. Высокая ско

накопителя Intel X25 M

рость чтения/записи как в SLC, так и в

ФЛЭШ ИЛИ ЖЁСТКИЙ ДИСК –

MLC достигается за счёт применения

ЧТО ВЫБРАТЬ?

была настолько высока, что они могли

многоканального контроллера флэш

SSD накопители поставляются не

применяться только в военной и аэро

памяти, который осуществляет запись

только с интерфейсом Serial ATA как за

космической отраслях. У флэш памяти

одновременно в несколько микросхем

мена традиционного жёсткого диска, но

на основе NAND технологии есть масса

NAND (по этому принципу построены

и как платы расширения для компьюте

преимуществ по сравнению с классичес

отказоустойчивые RAID массивы в тра

ров, оснащённых шиной PCI Express,

кими НЖМД. Это малое энергопотреб

диционных НЖМД).

например, изделие Z Drive e84 PCI

ление и существенно возросшая скорость

Главный недостаток SLC и MLC тех

Express SSD производства

компании

передачи данных по SATA интерфейсу

нологий – постепенное разрушение ди

OCZ (рис. 4). В таком устройстве объеди

(до 250 Мбайт/с), значительно меньшее

электрического слоя, изолирующего пла

нены производительный многоканаль

время доступа, отсутствие зависимости

вающий затвор. Основной вклад в это

ный контроллер флэш SLC памяти и вы

скорости передачи данных от их физи

вносит процедура записи информации,

сокоскоростная шина передачи данных.

ческого расположения на поверхности,

поэтому только количество этих опера

Устройство имеет 2 варианта исполне

относительно небольшие вес и размеры.

ций учитывается при расчёте ресурса ра

ния: ёмкостью 256 или 512 Гбайт. Ско

Полное отсутствие шума при работе SSD

боты SSD, состоящих из NAND микро

рость чтения/записи составляет 800 и

позволяет строить бесшумные вычисли

схем.

Допустимое

Мбайс/с, что в несколь

тельные устройства с кондуктивным теп

циклов

записи

для

раз превышает про

лоотводом, а отсутствие

движущихся

устройств

на

базе

пускную

способность

частей, подверженных механическому

SLC

на сегодняшний

интерфейса

SATA,

износу, стойкость к вибрационным и

день составляет 1 000 000

которая

в

случае

температурным воздействиям – созда

циклов, для MLC – 100 000

применения

SSD

вать защищённые решения для примене

циклов. Увеличение време

является

потенци

ния в промышленности в качестве со

ни

жизни

твердотельного

Рис. 4. SSD накопитель

альным

«бутылоч

79

ставных частей систем АСУ ТП.

диска достигается путём при

OCZ Z Drive e84 PCI Express SSD

ным

горлышком».

СТА 3/2010

© СТА-ПРЕСС

www.cta.ru

А П П А Р А Т Н Ы Е С Р Е Д С Т В А / Ф Л Э Ш П А М Я Т Ь

Таблица 1

достаток твердотельных накопителей на

Сравнение основных характеристик SSD и HDD на примере накопителей

сегодняшний день – цена. Стоимость

Intel X25 M и Seagate ST380211AS

единицы хранения информации у SSD

МОДЕЛЬ НАКОПИТЕЛЯ

INTEL X25 M

ST380211AS

накопителей в несколько раз выше, чем

Технология накопителя

Твердотельный

На магнитных дисках

у НЖМД (табл. 1).

Ёмкость, Гбайт

80

80

В заключение нужно отметить, что на

Время инициализации, с

1

10

копители на основе флэш технологий

Движущиеся части

нет

есть

хранения информации постепенно за

Чтение/запись, Мбайт/с

250/70

65/60

нимают нишу, ранее полностью оккупи

Время произвольного доступа (чтение), мс

<1

9

рованную НЖМД. С течением времени

Среднее время наработки на отказ, ч

1 200 000

50 000

ёмкость SSD устройств будет увеличи

Уровень шума, дБ

0

23

ваться, а стоимость 1 Гбайт информации

Потребляемая мощность (запись), Вт

0,1

7

снижаться. Как следствие, в будущем нас

Вибростойкость

3g

0,5g

ожидает массовый переход с жёстких

Вес, г

80

580

дисков на твердотельные накопители.

Стоимость (март 2010 г.), руб.

10 410

1400

При этом пользователи промышленных

При заказе в ПРОСОФТ промышленной

значительно возросшая скорость чте

компьютеров получат выигрыш по та

ЭВМ FASTWEL AdvantiX, оснащённой

ния/записи. В контексте промышлен

ким параметрам, как вибростойкость,

платой расширения PCI Express x8, для

ной эксплуатации проявляются такие

скорость работы подсистемы ввода

заказчика снимается ограничение по

неоспоримые преимущества, как вибро

вывода данных и расширенный диапа

скорости передачи данных 300 Мбайт/с,

ударостойкость

(следовательно, повы

зон рабочих температур. ●

которое заложено в SATA интерфейс.

шенная надёжность всей системы в усло

Автор – сотрудник фирмы

Главные достоинства SSD накопите

виях внешних механических воздей

ПРОСОФТ

лей по сравнению с традиционными

ствий) и возможность работы в широком

Телефон (495) 234 0636

HDD – низкое энергопотребление и

температурном диапазоне. Главный не

E mail: info@prosoft.ru

Новая концепция

жённых кабельных каналов, взрывобезопас

обеспечения

ных по всей длине.

искробезопасности DART

DART Power Hub обеспечивает искробезо

становится реальностью

пасное разделение для магистрали повышен

Новая концепция обеспечения искробезо

ной мощности:

пасности DART (Dynamic Arc Recognition and

● 22,5 В при токе 360 мА;

Termination – динамическое обнаружение и

● компактная конструкция;

прерывание электрического разряда) опре

● низкое значение рассеиваемого тепла;

делённо находится на пути становления об

● применение модуля расширенной диаг

щепринятой стандартной технологии в про

ностики;

Концепция DART сочетает в себе револю

мышленности. Концепция DART позволяет

● режим «горячей» замены.

ционные и эволюционные элементы. Рево

предотвратить образование разрядов. Дру

Новый модуль защиты сегмента DART

люционность новой концепции заключена в

гие технологии ограничивают эффективное

Segment Protector осуществялет соединение

предотвращении возникновения искры, что

снабжение электропитанием полевых уст

между магистралью повышенной мощности

позволяет подключать искробезопасные

ройств, установленных во взрывоопасных зо

и полевыми устройствами:

электрические цепи к полевым приборам,

нах класса 1.

● соединители для 12 кабельных отводов

требующим значительно большей мощнос

В 2010 году на Ганноверской выставке ком

(максимум);

ти, чем способны обеспечить любые извест

пания Pepperl+Fuchs представила первые ин

● максимальная длина отвода 120 м;

ные в настоящее время концепции. Эволю

терфейсные модули, обеспечивающие вид

● защита от короткого замыкания;

ция DART для полевых шин состоит в том, что

взрывозащиты искробезопасная электричес

● выходы соответствуют требованиям кон

не требуется совершенно новая техническая

кая цепь посредством DART.

цепции Entity.

инфраструктура. DART работает с традицион

DART делает магистраль промышленной

На выставке был также представлен изме

ной топологией магистрали с отводами и лю

шины, через которую осуществляется снаб

рительный прибор Protos 3400 Power I парт

бым полевым прибором, отвечающим тре

жение питанием узлов промышленной сети,

нёрской компании Knick. Он сочетает искро

бованиям Entity.

искробезопасной. Совместное использова

безопасность в соответствии с концепцией

DART защищает инвестиции в существую

ние FieldConnex DART Power Hub и модуля

DART с рядом свойств:

щие системы управления технологическими

DART Segment Protector обеспечивает защиту

● четыре измерительных канала;

процессами и в то же время открывает путь

магистрали. Кабельные отводы позволяют

● все цепи являются искробезопасными;

ко многим применениям.

осуществить подключение любого полевого

● компактная конструкция;

Пятнадцать производителей и поставщи

измерительного устройства в соответствии с

● параллельная обработка информации от

ков продукции для АСУ ТП уже объедини

концепцией Entity. Контрольно измеритель

многих источников информации;

лись с Pepperl+Fuchs, чтобы стать системны

ное оборудование с полевой шиной может

● встроенный дисплей с подсветкой;

ми партнёрами DART. Это значит, что DART

80

быть теперь установлено на производствен

● непосредственное подключение измери

определённо находится на пути становления

ных предприятиях с использованием протя

тельного оборудования.

нового мирового стандарта. ●

www.cta.ru

© СТА-ПРЕСС

СТА 3/2010