Диски будущего

версия для печати

Леонид Черняк

19.09.2005

Твердотельные диски (solid state disk, SSD) электрически и программно совместимы, имеют такие же посадочные размеры, что и традиционные магнитные диски, но не имеют подвижных частей. Они могут быть выполнены как обычная оперативная или флэш-память, а также по другим технологиям, характеризуются большими производительностью, надежностью и устойчивостью к внешним воздействиям. Вместе с тем им присущ один существенный недостаток — высокая стоимость.

К высокой стоимости твердотельных дисков следует отнестись спокойно, ведь SSD — это полупроводниковый прибор, и их развитие подчиняется так называемому «закону Мура». И если полупроводниковые системы хранения, подобно процессорам и памяти, тоже станут твердотельными, то рано или поздно их стоимость окажется вполне доступной для массового потребителя. Это вопрос времени, но уже сейчас аналитики не сомневаются в том, что сегмент рынка SSD в ближайшие годы будет стремительно расти. По оценке Gartner, к 2007 году объем продаж SSD приблизится к 10 млрд долл.

А пока вращающиеся диски не уступают своих позиций, и их выпускают миллионными тиражами. Когда-то они были весьма почитаемыми и тщательно обслуживаемыми устройствами, но с появлением персональных компьютеров превратились в предмет массового спроса. За такой метаморфозой стоит колоссальный объем научной и инженерной работы, благодаря которой механическая природа накопителей оказалась практически невидимой для пользователя. Однако это отнюдь не означает, что она изменилась. Современные диски кардинально отличаются от первых моделей, но неизменным остался основной принцип их действия, в соответствии с которым доступ к данным осуществляется посредством перемещения считывающей головки над поверхностью вращающегося диска.

Если отбросить стереотипы, придется признать малоприятную истину: сочетание механики и электроники роднит современные компьютеры с их предшественниками 40-50-х годов гораздо сильнее, чем можно было бы предположить. Механика в век нанотехнологий — невероятно, но факт. Скорости механических процессов по сравнению с электронными процессами находятся на принципиально иной временной шкале и, как следствие, сохраняется непреодолимый разрыв между производительностью электронных и механических устройств. Так, Fibre Channel, адаптер порта, поддерживающий скорость передачи данных 1 Гбит/с (существуют и более производительные, до 4 Гбит/с), обеспечивает интенсивность обмена данными 15–30 тыс. операций обмена в секунду (IOPS). Скорость обмена варьируется в зависимости от размеров блока: чем больше длина блока, тем она выше. В то же время один диск, вращающийся со скоростью 10 тыс. оборотов в минуту, поддерживает интенсивность обмена всего 130 IOPS, а повышение скорости вращения до 15 тыс. оборотов доводит интенсивность обмена до 180 IOPS. Другими словами, налицо разрыв на порядки.

По оценкам IBM Research, с 1992-го по 2002 год производительность процессоров возросла в 30 раз, а производительность дисков — в среднем всего в два с половиной — три раза. Критически важно то, что скорость обмена увеличивалась на 40% в год, а интенсивность, выраженная в IOPS, — всего на 16%. Если же отнести емкость новых дисков к интенсивности, то можно сделать вывод, что последняя и вовсе уменьшилась. Последний показатель просто тревожен. Диски со значительным объемом хранения становятся менее эффективными, просматривается потолок роста объемов единичного диска. Попытки создания более сложных механических систем (скажем, с большим количеством головок), направленные на устранение «врожденного» дефекта, не дают положительных результатов. И для поддержки жадных до данных приложений, таких как крупные СУБД, обычно остается лишь собирать отдельные диски в массивы, виртуализировать их и представлять как единый быстродействующий диск. Увеличение числа дисков в RAID-массивах повышает интенсивность обмена, которая определяется по простой формуле

I=N*i*k,

где I — суммарная интенсивность, N — число дисков, i — интенсивность обмена одного диска, k — коэффициент, учитывающий издержки RAID (для RAID 5 он равен 0,57, а для RAID 1 составляет 0,8).

Отсюда следует, что эффективно нагрузить HBA удастся, подключив к нему массив, насчитывающий минимум сотню дисков. Существует еще несколько способов уменьшения дисбаланса между процессорной мощностью и скоростью обмена с дисками. Например, можно увеличивать размер используемой оперативной памяти, как делается в СУБД, и тем самым минимизировать количество обращений к внешней памяти или создавать кэш-память большого объема.

Радикальным решением проблемы «бутылочного горла» между серверами и накопителями является создание твердотельных дисков. Они имеют несравненно большую скорость обмена, причем самые хорошие результаты демонстрируют изделия компании Texas Memory Systems. Помимо производительности, SSD отличаются, что вполне естественно для электронных устройств, более высокими показателями надежности. Модель RamSan-400, выпущенная в нынешнем году, способна выполнять 400 тыс. случайных операций ввода/вывода в секунду. Показатели младшей модели RamSan-325c скромнее: «всего» 112491 IOPS. Эти и все остальные члены семейства накопителей RamSan построены на основе памяти SDRAM (Synchronous Dynamic RAM).

Несомненным достоинством накопителей является быстродействие, но оно обеспечивается по очень высокой цене. Так, RamSan-325 при емкости всего 16 Гбайт стоит больше 36 тыс. долл., то есть удельная стоимость превышает 2 тыс. долл. за 1 Гбайт. Причем можно сказать, что это недорого, ведь совсем недавно удельная стоимость гигабайта превышала 6 тыс. долл. Нет ничего удивительного в том, что SSD-накопителями комплектуют лишь системы специального назначения, для которых цена является не самым важным фактором.

Цена даже самого совершенного вращающегося диска аналогичной емкости на порядки меньше, но прямое сравнение с «голым» диском неправомерно, поскольку необходимо сравнивать стоимость аналогичных систем. Например, 655-гигабайтный Sun StorEdge T3 Array стоит несколько меньше 100 тыс. долл., а равный ему по емкости RamSan-520 — примерно в 10-12 раз дороже. В этом случае различие в цене ограничивается одним порядком, но использованный для сравнения RAID-массив обеспечивает всего 5 тыс., а RamSan-520 — 750 тыс. IOPS, что в 150 раз больше. Кроме того, SSD повышает эффективность использования серверов, что косвенно влияет на снижение общесистемной стоимости. В ответственных приложениях, для которых нужна реальная производительность, за нее приходится платить. И те, кто могут, платят. Известно, скажем, что Texas Memory Systems осуществила поставку накопителя емкостью 2,5 Тбайт, и нетрудно представить, во что он обошелся.

Но цена не единственный недостаток дисков SSD, базирующихся на модулях динамической памяти. Следует учитывать их энергозависимость: в отличие от магнитной памяти, они теряют свое содержимое при отключении питания. Поэтому в конструкции Texas Memory Systems уделяется большое внимание обеспечению резервного питания и созданию резервных копий. По всей видимости, SSD так и остались бы атрибутами систем специального назначения, если бы не появились накопители на основе флэш-памяти, хорошо известной по картам памяти в мобильных устройствах и по «убившим» дискеты «флэшкам».

Технология флэш-памяти была предложена корпорацией Intel в 1988 году. Оставив за скобками сущность разработанных полупроводниковых процессов, ограничимся тем, что приведем название этой разновидности флэш-технологии — NOR. Она хорошо работает совместно с оперативной памятью RAM, поэтому чаще всего использовалась для BIOS, но были и карты памяти Compact Flash. Конкурирующая с ней более дешевая разновидность флэш-технологии NAND выведена на рынок компаниями Samsung и Toshiba в 1989 году. NAND имеет больше ограничений на ввод/ввод, а потому применялась в разного рода картах памяти, к тому же не может использоваться для совместной работы с компьютерной оперативной памятью. Известно множество типов карт памяти, в том числе, SmartMedia, MMC, Memory Stick и др.

Базируясь на NAND, с середины 90-х годов несколько небольших производителей (Adtron, Bitmicro Networks, Memtech, M-Systems и ряд других) начали поставлять диски SDD, выполненные по флэш-технологии в формате 2,5 и 3,5 дюйма и предназначенные преимущественно для систем оборонного назначения. Их достоинство заключается в том, что не существует предела для емкости единичного диска — ее рост не влияет на эффективность обмена. В качестве интерфейсов используются обычные SATA или SCSI. Хотя по скорости работы флэш-диски уступают SDRAM-дискам, они существенно превосходят по этому показателю механические диски. Для сравнения укажем среднее время доступа:

• SDRAM — 10-50 мкс;
• Flash — 50-100 мкс;
• вращающиеся диски — 5-10 мс (т.е. 5-10 тыс. мкс).

Интенсивность обмена, поддерживаемая флэш-дисками, измеряется десятками тысяч IOPS, то есть она на порядок меньше, чем у SDRAM-дисков, и на два порядка больше, чем у вращающихся дисков. К недостаткам флэш-дисков следует отнести то, что, в отличие от SDRAM, они подвержены физическому разрушению. Правда, это разрушение практически не влияет на жизнеспособность диска: в лучших образцах после 1 млн. циклов чтения/записи разрушаются не более 0,02% емкости. Производители предусматривают специальные средства мониторинга испорченных блоков и кэширования, обеспечивающие фактически неограниченный срок эксплуатации дисков. Для поддержки целостности данных внедряются алгоритмы проверки и исправления ошибок, а в выключенном состоянии эти диски сохраняют данные более десяти лет.

Настоящим прорывом на фронте SSD стало заявление корпорации Samsung, сделанное в мае текущего года. Компания намеревается поставлять диски SSD емкостью 16 Гбайт с параллельным интерфейсом ATA. Диск будет состоять из 16 микросхем стоимостью около 55 долл. каждая, так что общая стоимость диска достигнет примерно 900 долл. Основные преимущества новых дисков, предназначенных для ноутбуков, — низкое энергопотребление и устойчивость к внешним воздействиям. Начало поставок таких накопителей и дисков меньшей емкости (4 и 8 Гбайт) запланировано на нынешнюю осень. Предполагаемая цена вполне реальна для массовых промышленных и военных приложений, но, разумеется, еще слишком велика для массовых пользователей. Однако если учесть, что обычная внешняя память дешевеет за год на 20%, а флэш-память, как минимум, будет дешеветь вдвое быстрее, то рано или поздно эти диски станут конкурентоспособными по цене.

Тем временем Samsung Electronics вместе с Microsoft готовит промежуточный, гибридный вариант. В минувшем апреле компании сообщили, что технология OneNAND Flash будет встроена в прототип устройства Hybrid Hard Drive — новый диск, готовящийся для будущей операционной системы Longhorn. Все это напоминает популярный в Кремниевой Долине гибридный автомобиль с бензиновым и электрическим двигателями. Пока нет необходимости в работе основного диска, обмен данными осуществляется с помощью флэш-диска, играющего роль кэш-памяти, а шпиндель основного диска не вращается. По мере надобности он запускается, и происходит подкачка данных. Преимущества диска Hybrid Hard Drive все те же: повышенная скорость работы и пониженное энергопотребление.

Можно предположить, что когда-нибудь вращающиеся диски уйдут в небытие, но само слово, предназначенное для обозначения внешней памяти, наверняка останется и будет вызывать недоумение у наших потомков.