Hlavní stránka Hardware Disky /CD /DVD /BR Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků
Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků
autor: Jan Černý , publikováno 20.10.2010
Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků

Největší inovací posledních let nejsou procesory, či grafické karty, nýbrž pevné disky. Kotouče s magnetickým povrchem nahradily čipy podobné těm z flashdisků. Projdeme si základní termíny jako trim, wear level, SLC a MLC a další fakta o SSD. Příště nás už pak čekají testy – nejprve malých 40GB a potom i větších 64GB modelů.


Přehled jednotlivých dílů našeho seriálu o SSD discích:

Pevné disky patří spolu s optickými CD a DVD mechanikami k posledním mechanickým součástkám uvnitř počítače. Díky větší hustotě zápisu se jejich kapacita stejně jako rychlost díky kolmému zápisu výrazně zvýšila. Průměrný domácí uživatel si bohatě vystačí s kapacitou 500 GB, stahovač filmů však potřebuje 1 TB. Jediné na čem to stále opravdu vázne je přístupová doba. Stále se však jedná, jak napovídá samotný název, o rotující kotouč s magnetickými vlastnostmi, na kterém jsou data uložena v soustředěných kružnicích. Svět opravdu není ideální, a tak jsou data rozházena po různých místech – jednou u okrajů, jiná uprostřed. Je tedy pochopitelné, že čtecí hlavičce nějakou chvíli trvá přemístění z jednoho místa na druhé. Průměrná přístupová doba dnešních disků rotujících 7 200 RPM (otáčkami za minutu) se pohybuje mezi 10-12 ms. Doba jde samozřejmě zkrátit zvýšením rychlosti otáčení na 10 000 nebo 15 000 otáček. Nevýhodou je mnohem vyšší hlučnost, ale také vyšší náročnost provedení, která je vykoupena vyšší cenou. A přes to všechno není možné snížit přístup na zanedbatelnou hodnotu, ale na nějakých 5 ms.

Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků

Mnohem jednodušší je však aplikovat slovíčko RAM i do praxe pevných disků. Asociace se slovem RAMka je na místě. Zkratka Random Access Memory totiž znamená paměť s přístupem na libovolné místo v paměti ve stejný čas. Na tomto principu jsou totiž založeny všechny elektronické paměti, a tak stačilo najít moduly, které jsou schopny uchovat data i při odpojení od napájení s dostatečně velkou kapacitou. Nejschůdnější cestou se staly NAND Flash čipy používané v paměťových kartách fotoaparátů a flashdiscích. Rychlosti zápisu nebyly původně příliš velké (okolo 10 MB/s), a tak bylo potřeba na čipech trochu zapracovat. V roce 2006 uvedl Samsung na trh první komerční disk na bázi NAND Flash čipů pro rozhraní ATA66 s kapacitou 32 GB a rychlostí 53/28 MB/s (sekvenční čtení a zápis). Protože tento typ úložných zařízení neobsahuje žádné mechanické části, říkáme těmto diskům Solid State Disk. Někdo používá označení Solid State Drive, což je ale nesprávné označení – takto se říká řadiči uvnitř disku, který komunikuje s datovým rozhraním, vyrovnávací pamětí a jednotlivými buňkami.

NAND Flash má omezený počet přepisů

Čím více se tyto disky vyvíjely, tím více lidí si všímalo výhod, ale i nedostatků. Jedním z nich je omezený počet zápisů do buňky uvnitř jednotlivých čipů. Buňky se skládají z unipolárních (MOS) tranzistorů s plovoucími hradly (gate) ležících nad sebou a vzájemně oddělených vrstvičkou nevodivého oxidu. Při nabíjení na jednotlivé napěťové úrovně (logická 1 nebo logická 0) dochází k mírnému opotřebení oxidu, a tím pádem ke změně vodivosti a s ní spojenému posunu napěťové logické úrovně, kterou řídící elektronika chápe jako logickou jedničku nebo nulu. Základní druh paměťových buněk se nazývá SLC (Single Level Cell) a jde do něho zapsat pouze hodnota jednoho bitu (průřez je velmi podobný obrázku). Do této struktury se však vejde málo dat, a tak výrobci polovodičů přišli na to, že pro zvýšení kapacity stačí počet plovoucích hradel zdvojnásobit a výsledek nazvali MLC (Multi Level Cell). Buňka tak dosahuje čtyř logických úrovní. Velikou nevýhodou je, že při čtení nebo zápisu musíme zkoumat úroveň až čtyřikrát a to vždy jinou logickou hodnotu. To zabere mnohem více času. Přitom dochází mnohem častěji k chybám, které musí algoritmus pro kontrolu chyb (ECC) opravit. Ve výsledku tak jsou MLC buňky mnohem pomalejší než původní SLC. Více naleznete v tomto a tomto článku.

Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků
Takto vypadá zjednodušený průřez SLC buňkou, MLC má o další dvě hradla více

Aby nedocházelo k nadměrnému opotřebení buněk, obsahují moderní SSD disky různá vylepšení a hlavně algoritmy pro automatickou správu paměti (Garbage collection). Ve spolupráci s rozumně velkou vyrovnávací pamětí (cache) je možné provádět Write Amplification, statický nebo dynamický wear leveling či automaticky aktivovat příkaz trim. A co že to ten výčet nic neříkajících termínů znamená? Velmi podrobně jsou tato témata zpracována na Wikipedii nebo Memory-Card-Recovery.

  • Write Amplification je důsledkem nedokonalosti souborového (file) systému. Protože disk umí zapisovat data pouze po celých stránkách (page = 512 kB), a pokud dostane k dispozici méně dat (třeba 12 kB), prostě tuto stránku obsadí a zůstane na ní nevyužitý prostor. Díky větší cache, optimalizacím a různým kompresním algoritmům však moderní disky zapisují do buněk nepatrně více dat, než jim odeslal operační systém. Výpočet této hodnoty se provede poměrem zapsaných dat na disk a těch přijatých od systému. Disky Intelu se drží okolo hodnoty 1,1 momentální špička od SandForce zvládá kompresní poměr až 0,5. Pro čtenáře disponující kvalitním překladačem z čínštiny nebo rodilým mluvčím doporučuji tento článek, těm zbývajícím radím text, který na svém serveru publikoval Anand Lal Shimpi.

Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků

  • Wear Leveling zajišťuje menší a rovnoměrné opotřebení buněk tak, že se snaží rozkládat počet zápisů mezi jednotlivé buňky. Pokud by se data zapisovala neustále na jedno místo, došlo by po několika tisících přepisů ke změně vlastností buňky (posunutí logické úrovně atd.). Firmware disku proto obsahuje optimalizace, aby prováděl zápis vždy na jiné místo v NAND Flash čipu. Rozlišujme dva, respektive tři druhy wear levelingu – žádný, dynamický a statický. Wear leveling obsahují snad všechna zařízení na bázi NAND Flash vyrobená od roku 2006 včetně paměťových karet (vyjma nejlevnějšího čínského odpadu za „čičapade“). Zatímco dynamický wear leveling střídá zápis pouze u neobsazeného prostoru, statický počítá celkový počet zápisů do všech buněk a přesouvá na disku i dříve pevně stojící data, se kterými není tak často manipulováno. Pro optimální chod wear levelingu se doporučuje mít na SSD disku volných okolo 30-40 % celkové kapacity. Podrobně je wear leveling vysvětlený na serveru Storage resarch a Memory-Card-Recovery.
  • Spare area – takzvaný náhradní prostor, obsahuje paritní informace a slouží jako náhrada v případě nečitelnosti obsahu buňky nebo špatného zápisu dat. V roce 2005 stanovil Samsung NAND Flash Spare Area Assignement Standard, ve kterém ke každým 512 B počítá s dalšími 16 B navíc. U dnešních disků může velikost tohoto prostoru do značné míry ovlivnit řadič. Logická velikost kapacity se tak může lišit okolo 7 % směrem dolů, u SandForce dokonce o 13-28 % (předpokládám, že je to z důvodu zálohy před chybnou kompresí)

Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků
Na pevném disku najdete okolo 75% dat, které nemění svoji pozici, zbývajících 25 % mění neustále svůj obsah

  • trim mezi nedokonalosti komunikace SSD řadičů a operačního systému patří skutečnost, že při mazání nedochází k fyzickému mazání dat (označení za nuly), ale fakt, že řadič uloží do své tabulky informaci, že byla oblast smazána. Data však zůstávají v buňce fyzicky uložená, a tak před dalším zápisem musí řadič buňku smazat (provádí de facto dva zápisy po sobě). Tím dochází ke zpomalení celého zápisu. Příkaz trim, při nečinnosti disku prochází všechny buňky, které byly v tabulce disku zaznamenány jako smazané a nuluje je. Více detailů je popsáno v článku na Anandtechu a BeHardware. I když byl příkaz definován již v roce 2007, uvedení do praxe se dočkal až koncem loňského spolu uvedením Windows 7 na trh. V Linuxu je příkaz podporován od jádra v2.6.33, Apple jej do svého Mac OS X stále nebyl schopen implementovat. Pokud váš starší SSD disk trim nepodporuje, můžete k nulování použít wiping utilitu (OCZ Wiper, CCleaner, Active Kill Disk) nebo v krajním případě provést na vlastní nebezpečí low-level formát (nedoporučujeme).

Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků Solidní budoucnost pevných disků – úvod k velkému testu SSD disků
Správnou funkci příkazu trim ověříte ve Windows 7 spuštěním příkazového řádku (cmd) jako správce a zadáním příkazu „fsutil behavior query DisableDeleteNotify“. Pokud je vše správně nastaveno, vrátí vám příkazový řádek hodnotu 0

Jako optimální se dnes díky relativně nízké ceně jeví kombinace 64GB SSD disku a klasického mechanického disku o kapacitě 640 GB až 1,5 TB. Zajímavou alternativou je použití levného SSD disku jako rychlého odkladiště (tempu) při stříhání videa nebo editaci fotografií (nezáleží zde na rychlosti zápisu, nýbrž čtení a přístupové době). Pokud často stahujete filmy a máte pořádnou sbírku hudby ve FLACu, bude vám bohatě stačit disk o rychlosti 5400 ot./min. V následující kapitole se podíváme na to, jaké součástky najdeme uvnitř SSD disku a stručné informace o 30 nejrozšířenějších řadičích a jejich parametrech.



 
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
91 čtenářů navrhlo autorovi prémii: 44.7Kč Prémie tohoto článku jsou již uzavřené, děkujeme za váš zájem.
Tento web používá k poskytování služeb soubory cookie.