Устройства за постоянно съхранение на данни: HDD и SSD

Тази тема замества друга важна: Какъв твърд диск ни е необходим

С уважение за положеният труд от страна на dragozow: Благодарим ти!

Здравейте колеги. Във връзка с обновяването на важните теми и тяхната актуализация, публикувам първо тук темата за дисковете с идеята да я разгледаме и да я обсъдим и съответно одобрим, преди да се пусне официално в съответния раздел. Темата за дисковете е адски обширна и въпреки, че се опитвах да не изпадам в подробности и да не я натоварвам с излишна информация, стана дългичка. Ще се радвам на всякакви мнения, коментари, критики и препоръки, за да я направим максимално полезна за всички във форума, защото това е крайната цел. Включил съм общо взето всички важни елементи и характеристики, дори някои реших да не ги засягам, отново с цел да се съкрати темата. Такива например са 10,000 и 15,000 оборотните дискове, които само съм споменал, за TRIM функцията пък изобщо не съм писал. Така че ще се радвам на вашето мнение. Предварително благодаря на всички.

Темата:

Съхранението на информация в съвременните (а и не само) компютри, независимо дали въпросната машина се използва за домашна или професионална употреба, играе важна роля в елементите на компютърната система. И докато до преди няколко години диска за съхранение на данни трудно можеше да се вземе предвид при бързодействието на компютъра, тъй като твърдотелните устройства (SSD) не бяха така широко разпространени, те вече са много по-достъпни и играят важна роля в цялостната система не само като надеждност, а и като скорост на обработка на данните.

Твърдият диск (Hard Disk Drive – HDD), наричан още хард диск или просто хард, е енергонезависима компютърна памет. Информацията се съхранява по магнитен път върху покрити със специален слой плочи. Плочите са подредени около една обща ос в т.нар. дисков пакет. Информацията върху плочите се записва и чете от магнитна глава. Данните се записват върху концентрични окръжности по плочите, които се наричат „пътечки” (писти).

Основните характеристики на твърдите дискове са:

Капцитет – количеството данни, които могат да се запишат на него. Съвременните твърди дискове достигат до обем от 4000GB (4TB) и 1ТВ на плоча.

Интерфейс – съвкупността от връзки, сигнали, технически средства и поддръжка на връзките, както и начин на обмен. Съвременните твърди дискове използват интерфейса АТА (AT Attachment) интегриран като SATA (Serial ATA); този интерфейс замени стария РАТА (Parallel ATA) и позволява много по-високи скорости на обмен на данни, както и по-компактни кабели:

PATA (IDE – Integrated Drive Electronic)

Информационен (1) и захранващ (2) кабел:

1 2

Конектори:

SATA (Serial AT Attachment):

Информационен (1) и захранващ (2) кабел:

1 2

Конектори:

Двата стандарта са твърде различни в начина си на свързване, за да бъдат объркани. Специално внимание и към захранващите конектори на двата вида стандарта:

Други характеристики на твърдите дискове включват:

Време за произволен (случаен) достъп (random access time) – средно от 3 до 15 милисекунди

Скорост на въртене (rpm, RPM, r/min – Revolutions Per Minute) – мярка за честота на въртене. Посочва броя пълни завъртания, извършени за една минута около фиксирана ос. Използва се за измерване на скоростта на въртене на механични компоненти, в нашия случай – в твърдия диск. Чрез нея се определя времето за достъп до данните, записани на плочите, както и скоростта на тяхното предаване. Съвременните твърди дискове се произвеждат със скорости на въртене от 5400 и 7200 rpm. Специализирани дискове (сървърни и за работни станции), както и такива, насочени към ентусиасти, се произвеждат със скорости от 10 000 и 15 000 rpm.

Надеждност (reliability, MTBF – Мean Time Before Failures) – средно време до амортизация (до първия отказ)

Количество входно-изходни операции за секунда (IOPS – Input/Output Operations Per Second) – всякакви операции по четене и писане, измервани чрез комбинация от последователно и случайно четене/писане.

Ниво на шум – шумът при работа на диска, измерен най-често в децибели (dB).

Устойчивост на удари (G-shock rating) – допустимото натоварване се измерва в единици g.

Скорост на предаване на данни (Transfer rate) – говори само за себе си и темата е дълга, затова няма да се спирам подробно на нея. Искам само да спомена, че средната скорост на предаване на данни в съвременните твърди дискове, използващи стандарт SATA 6 Gbit/s и 7200 rpm е около 100-140 MB/s.

Твърдотелните устройства (SSD – Solid-State Drive) са устройства за съхранение на данни, използващи (основно от 2010-та г. насам) NAND-базирани флаш чипове за съхраняване на информация. Този начин на съхранение на данни е енергонезависим (не изисква постоянен източник на енергия, за да запазва съхранените данни в паметта) и наподобява начина, по който USB памети съхраняват информацията, с тази забележка, че видът на използваните чипове се различава като вид и скорост на паметта. По същия начин, тези устройства нямат движещи се части, за разлика от традиционните твърди дискове. Тази основна характеристика на твърдотелните дискове е основната, която допринася за значителното бързодействие на SSD. (Ако трябва да издребнявам, бих казал, че SSD диск е тафтология, както и RAM памет. Но да не издребняваме )

Тъй като твърдотелните устройства нямат механични части за четене и писане на данните, те разчитат на вграден в тях процесор, наречен контролер, чрез който се изпълняват операциите по четене и писане от паметта. Контролерът е много важен (може би най-важният) фактор за определяне скоростта на SSD, като от него зависи разпределянето и начина на съхранение, прочитане, кеширане и разчистване на данните – процеси, които са определящи за бързодействието на устройството за съхранение на данни. Добрият контролер може да се окаже ключовият фактор, правещ разликата между „добър SSD” и „изключителен SSD”.

Основните характеристики на твърдотелните устройства до голяма степен се припокриват с тези на твърдите дискове:

Капацитет – вече има твърдотелни устройства с капацитет от 2ТВ, въпреки, че най-масовите SSD на пазара са в диапазона между 64GB и 240GB. Това се дължи най-вече на голямата разлика в цените, на което ще обърнем внимание след малко.

Интерфейс – всички налични на пазара SSD и използват SATA (3 Gbit/s, 6 Gbit/s) стандарт за захранване и комуникация със системата, същият, който видяхме и при твърдите дискове.

Време за произволен (случаен) достъп (random access time) – около 0.1 ms: много по-бързо от твърдите дискове, тъй като данните се достъпват директно от флаш паметта.

Скорост на въртене – няма, тъй като в твърдотелните устройства няма движещи се части.

Надеждност (reliability, MTBF – Мean Time Before Failures) – Всъщност, този термин (английския му, и съответно по-точен вариант) може коректно да се отнесе само към твърдите дискове, притежаващи движещи се части. При SSD говорим за MTTF (Mean Time To Failure). Разликата е там, че при MTBF говорим за време до повреда на елемент, който може да се поправи, а при MTTF става въпрос за време до повреда на компонент, който след това трябва да бъде заменен с друг, т.е. не подлежи на поправка. Това се отнася до SSD, затова не е коректно да се бърка с MTBF. Производителите дават за този показател средно между 1,000,000 и 2,000,000 часа, но това не трябва да се превръща автоматично в месеци, седмици или години, за да се определи средната продължителност на живота на твърдотелното устройство, а и, както е известно, производителите обичат да преувеличават. Този показател е важен и поради нарасналите спекулации в последно време относно продължителността на живот на твърдотелните устройства. Разпространено и често срещано мнение е, че продължителността на живот на тези устройства може значително да намалее при по-голямо натоварване, т.е. операции четене/писане. Факт е, че NAND флаш паметите имат определен брой цикли на четене/писане, след което стават неизползваеми, но истината е, че този период не е никак кратък и не е по-малък от този на механичните твърди дискове. MTTF данните за флаш NAND-базирани SSD-та сочат продължителност на живота на тези устройства от около 10 години при сравнително високо натоварване.

Количество входно-изходни операции за секунда (IOPS – Input/Output Operations Per Second) – това е друг показател при SSD, на който производителите наблягат, защото отразява очевидната преднина на твърдотелните устройства пред механичните дискове и съответно е добър повод за реклама. Тук резултатите при различните видове SSD могат да варират и съответният интерфейс играе много по-значителна роля от стандартните твърди дискове.

SSD, използващи стандарт SATA 3 Gbit/s обикновено достигат стойност на този показател до около 20,000 IOPS. За сравнение, стандартен HDD 7,200 rpm варира в границите на ~75-100 IOPS. Твърдотелни дискове, използващи SATA 6 Gbit/s се възползват доста пълноценно от повишената пропускателна способност и демонстрират значително по-впечатляващи резултати със стойности средно между 60,000 и 120,000 IOPS, в зависимост от фърмуера, контролера и т.н.

Наскоро различни производители започнаха да представят SSD, използващи PCIe интерфейс за комуникация със системата.

Няма да се спираме подробно на тях, само ще споменем, че достигат стойности на IOPS в изключително широк диапазон от 120,000 до 1,200,000 в зависимост от много показатели. Цените им, за съжаление, са твърде високи и надвишават тези на обикновените SSD понякога дори и в пъти.

Ниво на шум – няма, отново поради факта, че твърдотелните устройства нямат движещи се части.

Скорост на предаване на данни (Transfer rate) – още един показател за значителното предимство на твърдотелните устройства, което всъщност е до голяма степен следствие на всичко, което споменахме за тях дотук. По принцип тук скоростите за предаване на данни са по-постоянни, като максималните скорости варират между 200 MB/s до около 600 MB/s. Специализирани сървърни твърдотелни устройства могат да достигат и надвишават скорости от 1 GB/s.

Фрагментиране (Fragmentation) – Поради овалните си записващи повърхности, традиционните твърди дискове работят по-добре с по-големи файлове, разположени в последователни блокове. По този начин, главата на диска може да започне и да завърши движението си за прочитане на файла с едно движение. Когато твърдият диск се запълва, големите файлове могат да бъдат разхвърляни по магнитната плоча, което е известно като фрагментация. И въпреки, че алгоритмите за четене/писане са претърпели значителни оптимизации през годините и този ефект е донякъде минимизиран, той все още съществува и с течение на времето това може да доведе до значителен спад в бързодействието на HDD, тъй като главата трябва да извърши повече движения за повече време, за да прочете информацията. Този проблем отсъства при твърдотелните устройства, тъй като информацията се съхранява в чиповете памет и при тях няма движеща се глава.

Всичко казано дотук нагледно демонстрира предимствата и недостатъците и на двата типа устройства. Да, HDD все още си имат своите предимства, независимо, че SSD ги изпреварват по някои показатели. Цената е основният елемент, който все още успява да откаже немалко потребители от покупката на SSD. И въпреки, че цените на тези устройства значително паднаха и продължават да падат в последните години, разликата между тях и традиционните HDD е все още значителна. Средната цена на GB за традиционен твърд диск варира около $0,08 и $0,10, докато тази за твърдотелен диск, въпреки техния осезаем спад е около $1 на GB.

За ценовия спад при SSD значителна роля играят начина на организация (и по-точно на записване на информацията) на NAND flash клетките. Те биват SLC (single-level cell), MLC (multi-level cell) и TLC (triple-level cell). Най-общо казано, самите клетки/чипове са едни и същи, разликата е начина по който информацията се чете/записва. Flash паметта се чете и пише чрез прилагане на определен волтаж на клетката и се вижда по какъв начин тя отговаря на него. Чрез постепенно увеличаване на волтажа се извличат данните за нея. Всичко това се прави автоматично от самия диск, разбира се. На практика при използване на SLC в една клетка се съхранява един бит информация, при MLC има 2 бита информация, докато при TLC се съхраняват 3 бита информация. Така за едно и също количество флаш чипове, дисковете използващи SLC, MLC, или TLC позволяват съхранение на различно количество данни.

Има известни спорове относно експлоатационния живот на чиповете, използващи MLC и TLC, както и за влиянието на този тип съхранение върху качествата на диска, но ефекта от това не е толкова голям, колкото е този в понижението в цената на крайния продукт, което в крайна сметка оказва най-голямо влияние върху решението на потребителите.

В заключение – и от практиката и от теорията се вижда, че, поне към настоящия момент, SSD не измества HDD по никакъв начин от мястото им. Странно или не, изглежда, че и двата вида устройства имат своето място в съвременните компютърни системи, или поне засега, докато цените на SSD са все още достатъчно високи. Традиционният хард диск е най-доброто решение за съхранение на големи количества информация поради ниската цена и големият обем на твърдите дискове, налични на пазара, а и оптимизациите, които се въвеждат постоянно от производителите им са подобрили качествата на твърдите дискове значително. SSD обаче в момента представлява най-големият скок в производителността на който и да било компонент в компютърната система и все повече ентусиасти, професионалисти и почитатели на бързодействието на машините си добавят твърдотелен диск към системите си.

Накратко, ако:

• Се нуждаете от повече място за съхранение, над 500GB
• Не искате да отделяте толкова средства за диск
• Не сте твърде претенциозен към това колко бързо зарежда системата или за колко време зареждат програмите на компютъра,

Можете спокойно да запазите традиционния си твърд диск и да инвестирате в допълнителен такъв, ако дисковото пространство не ви е достатъчно. Ако, обаче:

• Склонни сте да платите повече за по-бърза производителност
• Не ви притеснява известното ограничение в капацитета
• Искате да получите възможно най-бърза система,

То тогава закупуването и добавянето на SSD устройство към системата ви представлява един от най-добрите варианти за ъпгрейд и повишаване бързодействието на всеки един компютър.

Редактирано 30 ноември 201213 г. от quickJO (преглед на промените)