SSD disky: nastal již jejich čas?

Poslední dobou se o SSD discích opět začíná hovořit, objevují se testy i studie o tom, jak je na tom tato technologie dnes. I my jsme chtěli zjistit na vlastní kůži, zda jsou SSD disky použitelnou alternativou standardních pevných disků. V dnešním článku vám přinášíme nahlédnutí do jejich historie a pokusíme se jednoduše popsat technologii flash SSD disků. Na konci článku naleznete porovnávací test soudobých SSD disků v cenovém rozpětí od 4 000 Kč do 6 000 Kč.

 

Počátky SSD disků

Přestože pro mnoho lidí může být SSD disk naprostou novinkou, první použití technologie flash disků sahá do sedmdesátých let. Společnosti IBM, Amdahl a Cray zavádějí tento druh paměti, ale vzhledem k neúměrně vysoké ceně se flash nedočká většího rozšíření. Až v roce 1978 uvedla společnost Texas Memory Systems moderní SSD paměti v podobě, jak je známe dnes. Jde o 16kB RAM SSD, které použily ropné společnosti pro jejich vysokou odolnost vůči vysokým teplotám a otřesům. V polovině osmdesátých let představila společnost Santa Clara BatRam 1MB DIP (Dual In-line Package) RAM čip s vlastním řadičem, který napodobil pevný disk. Balení zahrnovalo dobíjecí baterii pro uchování obsahu paměti v okamžicích, kdy paměť nebyla napájena systémem. Sharp PC-5000 s kapacitou 128 kB, zavedený v roce 1983, používá technologii paměťových bublin. Tento název je odvozen od tvaru tenké vrstvy magneticky citlivého materiálu, který obsahuje malé oblasti, známé jako bubliny nebo domény. V roce 1987 vstupuje na trh EMC Corporation s SSD diskem použitým u minipočítačů. RAM paměti byly populární jako zaváděcí média v roce 1980, protože pevné disky byly drahé a disketové mechaniky pomalé. Několik počítačových systémů, například Amiga či Apple s počítačem Macintosh Portable, jich využívá coby bootovací paměť.

 

Nedávná historie

V roce 1995 představuje společnost M-Systems, kterou v listopadu 2006 získal SanDisk, SSD disk založený na technologii flash. Od té doby byly SSD úspěšně používány jako náhrady pevných disků armádou a leteckým průmyslem, podobně jako v jiných vysoce náročných provozech. Tyto provozy mají vysoké požadavky na MTBF. MTBF lze jednoduše popsat jako střední dobu mezi poruchami nebo výpadky systému či komponentu.

 

Současnost

Rok 2008 odstartoval používání SSD v levných netboocích a od roku 2009 jej výrobci začali používat i v noteboocích. Na veletrhu CeBIT 2009 demonstruje OCZ 1TB SSD flash s PCIe rozhraním. Tento disk dosahuje maximální rychlosti zápisu 654 MB/s a čtení 712 MB/s.

Dnešní trh nabízí SSD disky s kapacitou použitelnou pro hlavní disk v počítačích. Velká síla SSD je v rychlém sekvenčním zápisu a čtení, proto jsou vhodné jako systémové disky. Cena 64GB disků kolem 4 000 Kč umožňuje uvažovat o jejich použití i běžnými uživateteli. Dostupné jsou již i objemnější disky, a to s kapacitami 256 GB i 512 GB. Společnosti Toshiba a již zmíněná OCZ mají v nabídce 1TB SSD. V tuto chvíli se ale jedná spíše o teoretickou záležitost. Cena 1TB disku okolo 80 000 Kč jej vymezuje převážně pro podnikovou oblast.

Jak to funguje, MLC, SLC, DRAM, rychlost, výhody a nevýhody

Jak to funguje

SSD disk je pro uživatele v podstatě shodným komponentem jako standardní pevný disk, a to včetně způsobu připojení do systému přes SATA, případně PCIe konektor. Při prvním setkání zaujme nižší hmotností. Většina výrobců používá SSD disky pro jejich robustnost a kompaktnost. SSD disky založené na flash pamětích nepotřebují baterie. Díky rozměrům samostatných flash čipů jsou nabízeny ve standardních rozměrech 1,8", 2,5" a 3,5". Kromě toho SSD non-volatility umožňuje flash diskům zachovat paměť i při náhlém výpadku napájení a tím zamezit ztrátě dat. Hlavní rozdíl SSD oproti HDD je nulový hluk, velmi malá spotřeba energie, nízká hmotnost, několikanásobná rychlost zápisů i čtení, téměř nulová latence, vysoká odolnost proti vysokým teplotám, nárazům a vibracím, ale bohužel i prozatím vysoká cena a nízká kapacita. Nejčastěji se setkáme s disky pracujícími s flash typem paměti. Nalezneme ale i disky s DDRAM či hybridní disky, kombinující dva druhy NAND pamětí. Ty se liší podle programovatelných buněk, a to MLC (Multi Level Cell) a SLC (Single Level Cell). Rychlost samostatných NAND čipů není vysoká, ale díky velkému počtu těchto čipů v rámci jednoho SSD a rozložení operací mezi všechny čipy, se jejich nízká rychlost eliminuje. Intel pro své ultrarychlé SSD flash disky používá Striping (obdoba RAID) a prokládání. Tím zajistí velmi rychlý a efektivní zápis až 250 MB/s.

 

MLC vs. SLC technologie

Klasické SSD nejvíce využívají posledně zmíněné technologie MLC a SLC. Obě mají své výhody i nevýhody. SLC umožňují zápis jednoho bitu, tedy dvou stavů (1 nebo 0). MLC dokáží zapsat dva bity, tedy čtyři stavy. Možné jsou ale i tři bity, které odpovídají osmi stavům. Díky tomu nabízí SLC sice vyšší rychlost, ale bohužel nižší kapacitu oproti MLC.

DRAM technologie

SSD disky využívají i paměti DRAM. Tyto disky charakterizuje ultra rychlý přístup k datům, obvykle menší než 10 ms. Jsou používány především k urychlení aplikací, které jinak brzdí latence flash SSD nebo tradičních HDD. DRAM SSD mají buď vlastní napájení z interní baterie, nebo jsou napájeny externě z nezávislého zdroje, aby nedošlo ke ztrátě dat při výpadku napájení. Baterie zajistí napájení disku do doby, než se zazálohují data z DRAM. Po obnovení standardního napájení se zkopírují všechna data ze zálohy zpět a SSD obnoví normální provoz. DRAM SSD jsou obzvláště užitečné v počítačích, které mají již maximální množství podporované operační paměti. Například některé počítačové systémy postavené na architektuře x86-32 lze efektivně rozšířit nad 4GB limit tím, že se použije DRAM SSD pro swapovací soubor. I když DRAM SSD není tak rychlý jako hlavní RAM, je stále mnohem rychlejší než mechanický pevný disk. Proto toto řešení významně navyšuje výkon.

 

Rychlost a její stabilita

Princip zápisu dat na SSD má velikou výhodu oproti dosavadním pevným diskům. Vše probíhá pouze na elektronické bázi. Není třeba pohybu ploten a hlaviček. Z toho vyplývá jejich rychlost a menší náchylnost na poškození. Prakticky to znamená přístupové doby kolem 0,1 až 0,2 ms, což jsou neporovnatelně kratší časy než u klasických HDD a zhruba jen 2 - 3 krát delší čas než u DDR3 RAM paměti. Podobná situace je i při zápisu a čtení dat. I když současné SSD disponují rychlostmi zápisu od 80 MB/s do 160 MB/s a čtení od 150 MB/s do 250 MB/s, je teoretická rychlost výrazně vyšší. Špičkové modely jsou schopny překonávat rychlosti přes 600 MB/s při zápisu a přes 700 MB/s při čtení. To jsou naprosto úžasné hodnoty. Bohužel to není tak ideální, jak by se na první pohled mohlo zdát. SSD disky trpí nepříjemnou vlastností. V okamžiku, kdy disk zapisuje data na prázdná místa, vše probíhá v uváděných rychlostech. Bohužel pouze do okamžiku, kdy je potřeba na buňky označené jako vymazané zapsat nová data. To není tak jednoduché, jako u standardních pevných disků. Systém má sice informaci o tom, že daný blok paměťových buněk lze použít pro zápis dat, ale pro SSD disk to znamená, že musí nejprve provést vyčištění buněk, upravit je pro zápis a teprve potom provést zápis nových dat. Navíc data, která mají být zapsána na toto místo, musí být do doby, než je lze zapsat, uchovány v cache. Cyklus čtení-smazání-upravení-zapsání pak rychlost celé operace zápisu dat výrazně snižuje. Tento jev je známý jako write amplification (zesilování zápisu). Popsaný fenomén se projevuje hlavně při zápisu malých souborů dat.

Výrobci SSD disků používají řadu nástrojů, kterými potlačují tuto nepříjemnost. Za prvé samotnou správou vyváženého zápisu dat po celé kapacitě paměti. To zároveň zajistí rovnoměrné stárnutí všech paměťových buněk. Dalším způsobem potlačujícím zmíněné zpomalení zápisu, je TRIM. TRIM příkaz informuje systém o tom, které buňky jsou volné a mohou být připraveny k zápisu již předem interně. Většina operačních systémů na této úrovni se správcem paměťového média nekomunikuje. TRIM tedy zajišťuje přípravu buněk s již nepotřebnými daty na nový zápis ještě dříve, než tento zápis bude potřeba provést. Nicméně účinnost těchto technik do značné míry závisí na správné komunikaci mezi operačním systémem a SSD řadičem. V OS Windows 7 je příkaz TRIM již implementován, nicméně u OS, které TRIM neobsahují, je lze díky různým utilitám doplnit.

 

Výhody SSD

• nízká latence
• tichý provoz díky absenci pohyblivých částí
• nízká spotřeba energie a díky tomu i minimální zahřívání
• vysoká mechanická odolnost díky absenci pohyblivých částí, která téměř eliminuje riziko mechanického selhání
• schopnost snášet silné nárazy a vibrace, vysokou nadmořskou výšku, extrémní teploty
• malá velikost, ale hlavně nízká hmotnost - poměr kapacita vs. hmotnost je od roku 2008 výhodnější u SSD disků než u pevných disků
• hustota zápisu dat je u flash disků dvakrát vyšší, a tak lze na menší ploše zaznamenat více informací
• flash disky mají mnohem menší poruchovost a tím se snižuje pravděpodobnost ztráty dat
• defragmentace SSD je zbytečná vzhledem k možnosti paralelního čtení dat

 

 

Nevýhody

• flash paměti mají omezenou životnost - MLC typ umožňuje 1 000 000 až 2 000 000 cyklů (1 000 až 10 000 cyklů pro jednu buňku), SLC typ umožňuje až 5 000 000 cyklů (100 000 cyklů pro jednu buňku) - to v praxi může vypadat například tak, že pokud na 80GB disk denně zapíšete 100 GB dat, začne disk hlásit chyby zhruba po šesti letech provozu
• v současné době je stále 1 GB kapacity SSD disku dražší než na standardním pevném disku
• kapacita SSD disků je nižší než u pevných disků, nicméně se předpokládá, že rychle poroste - 1TB disky jsou již k dispozici pro podnikové a průmyslové aplikace
• asymetrický poměr mezi zápisem a čtením, což může způsobit problémy u některých funkcí, kdy zápis i čtení mají být dokončeny v podobném časovém rámci
• v důsledku opotřebení se degraduje výkon SSD
• SSD disky využívající SATA rozhraní obecně vykazují pomalejší rychlost zápisu - tento problém řeší PCIe rozhraní

[pagebreak title=Studie, slovo analytika, zajímavý SW]

 

Pevné disky svou vládu ještě nějaký čas nepředají

Ačkoli se to poslední dobou hemží zprávami o SSD a jejich nasazování v enterprise segmentech, čerstvá studie IDC říká, že pevným diskům ještě zdaleka nezvoní hrana. SSD jsou sice rychlé, ale když dojde na kapacitu, jsou příliš drahé a navíc jsou na ukládání velkého množství dat pořád lepší staré dobré kotoučky pevných disků. Jestliže se v roce 2009 prodalo do enterprise segmentu 40,5 miliónu HDD, v roce 2014 toto číslo podle IDC vzroste na 52,6 miliónu. Není to nějaký dramatický nárůst, ale pořád jde o nárůst a navzdory snaze výrobců přesvědčit trh, že SSD je tou správnou cestou, plánuje IDC, že HDD budou mít vzestupnou tendenci ještě poměrně dlouhou dobu. Do enterprise segmentu prý výrobci pevných disků napěchují během příštích dvou let více kapacity než za poslední dvě dekády. IDC tento trend zdůvodňuje rostoucím trhem s online úložišti coby službou pro uživatele, navíc bude potřeba poměrně velkou kapacitou podpořit cloud computing a internetová datová centra obecně.

Růst poptávky po pevných discích v enterprise segmentu je a bude navíc způsoben ještě jedním zajímavým trendem: odklonem od drahých high-endových SSD k levnějším řešením a situacím, kde bude hrát kapacita prim. I přes potřeby velkých kapacit dojde k přechodu z 3,5‚Ä≥ na 2,5‚Ä≥ pevné disky, pořád půjde o výhodnější směr než k výkonným SSD. Očekává se, že cena za jednotku kapacity bude i přes přechod na 2,5‚Ä≥ HDD klesat, a to přibližně o 25 až 30 % ročně.

 

Budoucnost SSD dle analytika z Objects Analysis

Společnost IDC vydala výše uvedenou studii o pevných discích. Podle jejich odhadu pevné disky své pozice SSD ještě tak rychle neuvolní. Ruský Computerworld vyzpovídal Jima Handyho na téma blízké budoucnosti SSD disků.

Jim Handy se analýzou IT zabývá už déle než 30 let, 14 roků působil v Dataquestu (nyní Gartner) a Semico Research. Dnes pracuje v Objective Analysis. Ruští novináři se ho ptali na situaci kolem SSD. Ani Handy to s jeho nástupem nevidí tak žhavé, jak se nám to mnozí výrobci snaží vnutit. V mnohých statistikách se navíc k SSD diskům počítají i Compact Flash a DOM (DiscOnModule) jednotky, což údaj o 11 miliónech prodaných SSD v loňském roce poněkud zkresluje. Handy připomíná celkem opomíjenou technologii Braidwood společnosti Intel, která má být nástupcem jejich Turbo Memory. Tato technologie bude využívat SSD datová úložiště přímo na desce. Už vloni některé informace naznačovaly, že první kvartál tohoto roku přinese kapacity 4 GB, 8 GB a 16 GB. Bohužel Intel Braidwood zatím pozastavil a není jasné, kdy se objeví na trhu. Ovšem stane-li se tak, určitě to v prodeji a nasazení SSD udělá rozruch. SSD se totiž většinou používá pro systém a často používané soubory pro jeho rychlost. Malá rychlá datová úložiště přímo na desce by prodej samostatných SSD disků určitě přibrzdila. SSD se často objevují jako levnější náhrady rychlých pevných disků ve výkonnějších podnikových řešeních. Jim Handy odhaduje, že se zde dočkáme jistého pročištění trhu. V souvislosti s integrací SSD na základní desky se redaktoři také ptali, jak to vidí s koexistencí PCIe a klasického SATA (nebo jiného) rozhraní pro SSD. Velmi rychlá SSD na PCIe nenahrazují přímo enterprise disky ale spíše HBA (Host Bus Adapter) a RAID řadiče s mnoha HDD. PCIe SSD budou i nadále pro rychlé systémy hodně populární, avšak SSD se standardním rozhraním nenahradí. SSD na PCIe a se SATA prý budou vedle sebe existovat velmi dlouho.

 

FlashFire urychluje netbooky s pomalými disky

FlashFire je dílem Hyojun Kim z Georgia Institute of Technology. Na programu FlashFire pracuje přibližně od roku 2008. SSD úložištím a zejména jejich častým používáním se zabývá už dlouho. Do roku 2008 pracoval zhruba 9 let ve společnosti Samsung Electronics na pozici Embedded System Software Engineer, a tak má s flash paměťmi rozsáhlé zkušenosti. Jeho jméno je uvedeno na šesti v USA registrovaných patentech týkajících se flash pamětí.

Samotný program FlashFire má od července roku 2009 svoji doménu flashfire.org. Program se instaluje jako lower filter driver pro pevný disk. Nenahrazuje tedy žádný ovladač řadiče, ale v podstatě se jen připojí jako další soubor k ovladačům. Tím pádem není důležité jaký souborový systém na SSD je, protože s SSD pracuje na nižší úrovni, právě tak nízké, aby se dalo říci, že pro ně slouží jako jejich vlastní cache. Standardně je to 32 MB, ale novější verze se dají konfigurovat na vyšší hodnoty.

FlashFire je určen pro low-endové SSD, jaké se vyskytují v netboocích z důvodu snížení výrobních nákladů a spotřeby zároveň. Tyto SSD mají stále celkem ucházející přístupové časy a rychlosti čtení, ale už poněkud horší přístupové doby a rychlosti zápisu, kde se jim vyrovná lepší pevný disk. Na tomto místě vstupuje do hry FlashFire, coby softwarová cache pro zápis, která výrazně zvyšuje rychlost operačního systému způsobem vyrážející dech. FlashFire zkrátil čas startu Windows XP a spuštění Internet Exploreru na 30 % hodnoty standardního spuštění.

Test a výsledky

Teorie v praxi

Zkusili jsme porovnat několik soudobých SSD disků. Jedná se o dostupné varianty, které připadají v úvahu jako alternativa pevných disků pro levné a relativně méně výkonné notebooky. Při testu jsme použili notebook Packard Bell EasyNote TJ75 s procesorem Intel Core i3 2,13 GHz, operační pamětí 4 GB a operačním systémem Windows 7 v 64bitové verzi.

 

Abychom zajistili stejné podmínky pro všechny testované disky, včetně nakonfigurování a updatů systému, nainstalovali jsme Windows 7 na první z SSD disků, nechali proběhnout veškeré dostupné aktualizace a ten pak přenesli pomocí zálohovací aplikace Acronis True Image na ostatní disky. Výkony jsme zjišťovali obvyklými benchmark programy, ale i měřením rychlosti startu, restartu a vypnutí systému. Dalším testem pak bylo kopírování 5GB složky se 60 menšími soubory v rámci hlavního disku a komprimování do ZIPu totožných dat. Jak jsou na tom SSD disky v cenovém rozpětí zhruba od 4 000 Kč do 6 000 Kč, můžete podle následujících tabulek posoudit sami.

Za zapůjčení SSD disků děkujeme společnosti Alza.cz