Samara Portal Technology, Computers

Самарский портал "Технологии, компьютеры"

Желаешь двигаться вперёд –
Пожалуйста!
В.С.Высоцкий, 1973 г.

14 июля 2010 года в подмосковном Foresta Tropicana Hotel состоялось очередное заседание Клуба Экспертов Intel, посвященное обсуждению продуктовой линейки корпорации. Так была обозначена тема в приглашении, и я ожидал обзора процессорных технологий с позиционированием каждой из них, может быть, «ответу iPad`у» в виде чего-нибудь «атомного».

Но тема оказалась совсем неожиданной и оттого особенно интересной: «Intel® Solid-State Drives - Будущее технологий хранения». Директор пресс-службы Intel Михаил Рыбаков представил нам специально приехавшего по этому случаю из Фолсома (США) Артёма Даниелова, инженера по внедрению Intel NAND Solutions Group.

Михаил Рыбаков, директор пресс-службы Intel (Россия и СНГ); Артём Даниелов, инженер по внедрению Intel NAND Solutions Group. Заседание Клуба Экспертов Intel, посвященное обсуждению продуктовой линейки корпорации. 14 июля 2010 г. Фото: Владислав Бояров.

Как пояснил Артём, он работает с наиболее крупными заказчиками, и его специализация – использование SSD (на русский обычно переводится как твердотельный накопитель) в серверах, однако он готов обсуждать и другие варианты использования SSD, в частности, в ноутбуках и десктопах.

SSD - твердотельный накопитель.

Первый и главный вопрос, который изложил Артём: почему SSD и почему Intel. В первую очередь потому, что SSD прошли этап лабораторных образцов и опытного внедрения: цены на них подошли к уровню, который можно считать интересным для потребителя, объём хранимых данных и надёжность работы – достаточно высокая. И в отличие от большинства презентаций здесь Intel сообщает не столько о появлении новой технологии, сколько о том, что технология уже готова к употреблению.

Об этом говорит и взрывной рост объёмов продаж/использований твердотельных накопителей. Причин здесь, как мне кажется, две. Первая – объективная.

График, который привёл Артём, наглядно показывает, что за то время, как производительность процессоров выросла в 175 раз (в том числе и за счёт многоядерности и распараллеливания процессов), жёсткие диски прибавили скромные 30%, то есть разрыв рос и продолжает увеличиваться. Плотности хранения информации и объёмы носителей (терабайтным винчестером уже никого не удивишь) продолжали расти, но сам механизм – вращающийся диск и радиально перемещающаяся по нему головка – остались прежними. Конечно, сервера используют диски со скоростью вращения в 2-3 раза превосходящей ноутбучные, однако это не тот порядок величин, который соответствует динамики ИТ-отрасли. Интерфейс SATA не столько помог увеличить быстродействие традиционных жёстких дисков, узким местом которых так и осталась механическая часть, сколько создал задел для накопителей, основанных на иных физических принципах.

Вторая – субъективная – причина, заключается в том, что энергонезависимые носители информации большого объёма с отсутствующими подвижными частями промышленность научилась выпускать, и растущие потребности пользователей теперь могут быть удовлетворены. При использовании SSD обращение к «диску» за новой порцией данных уже не тормозит рабочий процесс, резко ускоряется загрузка ОС и запуск приложений.

Однако SSD – это не просто изменение внутренностей «чёрного ящика» при полной идентичности его работы с внешним миром, и об этом была бОльшая честь доклада Артёма. Но прежде всего – почему Intel участвует в этом бизнесе. Дело в том, что технология производства процессоров и микросхем NAND не так уж далеки друг от друга – в обоих случаях присутствуют эти самые нанометры. Производство микросхем памяти даже немного проще, поскольку они, в отличие от процессоров, имеют регулярную структуру, и уже сейчас Intel перевёл их производство с технологических норм 34-нм на 25-нм. Сами микросхемы уже продаются, вскоре появятся и SSD с 25-нм «начинкой».

Для корпорации Intel выгодно быть производителем микросхем для SSD, поскольку львиная доля стоимости готовых накопителей как раз и приходится на микросхемы. И не только стоимости, но и сложности. Есть ещё и стратегический интерес: собственная разработка и производство SSD позволяет с одной стороны лучше вписать их в существующую стандартную компьютерную архитектуру, а с другой - даёт возможность оптимизировать и другие компоненты с учётом применения новых видов накопителей.

В настоящий момент Intel с большим отрывом лидирует на канальном рынке SSD в США, и в абсолютном мировом зачёте занимает второе место.

Теперь, собственно, о работе SSD. По скорости записи нынешние твердотельные накопители превосходят традиционные жёсткие диски на порядок, по скорости чтения – на два порядка. Очевидным преимуществом, особенно для мобильных устройств, является отсутствие подвижных частей, то есть из самого уязвимого компонента устройства он превратился в один из самых неуязвимых. Энергопотребление SSD также значительно меньше, чем у винчестеров. Кроме отсутствия затрат энергии на обеспечение вращения шпинделя и перемещения головок, здесь вступает в действие один существенный момент. Поскольку винчестер для приведения в боевую готовность требуется раскрутить, то и выключается он не сразу после отсутствия пользовательской либо сетевой активности. У SSD нет такой проблемы, и он «впадает в сон» практически мгновенно (стандартное время засыпания – 25 миллисекунд, потребление в режиме сна – 75 милливатт), мгновенно и «просыпается», что позволяет ему «спать» в общей сложности значительно больше жёсткого диска. Среднее энергопотребление при выполнении теста MobileMark 2007 составляет всего 150 мВт. Однако дополнительная экономия энергии возникает только в случае правильной настройки системы. Это первый пример того, что SSD нельзя использовать точно так же, как винчестер. И здесь надо в первый раз сказать, что умение SSD «притворяться» винчестером с одной стороны позволяет ему работать с операционными системами, не знающими, что такое SSD, а с другой – гарантирует неэффективность такой работы без специальных настроек.

Что касается общей стоимости владения (TCO), то, если частному пользователю сложно оценить потери от сбоев накопителей, для корпоративных клиентов это серьёзная статья затрат (или убытков, если учитывать простой пользователя). И в случае использования SSD только расходы на обслуживание корпоративных ноутбуков снижаются на порядок, поскольку одна из главных причин компьютерных сбоев – жёсткие диски. По статистике сервисной службы Intel 5% находящихся в эксплуатации ноутбуков выходили из строя по причине неисправностей жёстких дисков. Выход из строя SSD составляет 0,5% в год. Цена SSD пропорциональна их объёму: если 40-гигабайтный «диск» стоит в розницу около $170, то цена 160-гигабайтного SSD составляет почти $500. Это при том, что, например, нетбук Acer Aspire One D260 с двухъядерным процессором Intel Atom N450, винчестером на те же 160 гигабайт и всеми остальными компонентами стоит менее $400. Поэтому хотя и существует техническая возможность производства более ёмких SSD, пока в Intel ограничились объёмом в 160Гб.

Весь перечень выигрышей от использования SSD приведён в таблице:

На мой вопрос о том, существует ли различие между серверными и ноутбучными SSD, Артём ответил: «И да, и нет». SSD серии «M» разрабатывались для ноутбуков, однако большая часть поставок твердотельных накопителей на серверный рынок приходится не на «серверные» (серии «E»), а на «ноутбучные накопители серии M». Дело в том, что цена ноутбучных SSD вдвое ниже, чем серверных (серверные SSD с технологией SLC допускают более 100 000 циклов перезаписи, ноутбучные с технологией MLC – только 10 000 раз), но для большинства серверных приложений ресурса и производительности серии «M» уже достаточно. Здесь ещё следует учесть прогнозируемое снижение цен на SSD, которое произойдёт за время эксплуатации. Вполне целесообразным может оказаться купить диски с меньшим ресурсом, окупить их, а через год-два заменить более дешёвыми, ёмкими и надёжными. Главным же критерием является соотношение интенсивности записи и чтения: если доминирует чтение, то вполне можно использовать MLC, если доля операция записи достаточно велика – придётся потратиться на SLC.

Ещё одно различие с жёсткими дисками, обусловленное бОльшим интеллектом SSD: существуют два варианта настройки режима энергосбережения. В одном случае энергосбережение традиционно контролирует ОС, во втором она самоустраняется из этого процесса и полагается исключительно на софт SSD.

Ещё один мой вопрос касался целесообразности применения SSD в десктопах: там нет таких жёстких требований к энергопотреблению и «неубиваемости» как в ноутбуках и не столь критично время доступа как в серверах. Кроме того, десктопы на сегодня являются наиболее бюджетным из всех компьютерных семейств. Оказывается, своя выгода есть и здесь. SSD небольших объёмов (80 или даже 40 гигабайт) могут использоваться в десктопах в качестве системных дисков, а для хранения пользовательской информации в этом случае будет установлен обычный винчестер большой ёмкости. Это похоже на развитие идеи Intel Turbo Memory (в девичестве Robson), только уже в законченном и логичном виде. В Intel прекрасно осознают, что по параметру объём/стоимость SSD значительно уступают классическим винчестерам и в качестве хранилища информации, к которому к тому же не очень часто обращаются, твердотельные накопители пока не предлагают.

На вопрос о сравнении SSD с гибридными дисками, Артём выразил общее скептическое отношение к этому виду устройств. Интересно, что попытка найти в интернете информацию по гибридным дискам, вывела меня на сообщения от 2007 года – видимо, анонсами всё и закончилось, не получив развития. Действительно, использование двух видов приводов: HDD и SSD с контролем пользователя за размещением на них информации выглядит логичнее. Впрочем, ещё логичнее выглядит даже в домашних хозяйствах (не говоря уже о бизнесе) наличие сетевого накопителя на HDD, хранящего пользовательские данные, и исключительно системных SSD небольшого объёма в рабочих станциях. Надо добавить, что снижение энергопотребления процессоров и интеграция компонентов, успешно проведённые корпорацией Intel в последние годы, позволили снизить шум вентиляторов настолько, что шум теперь возникает в первую очередь от работающих в компьютере жёстких дисков. Поэтому применение SSD решает сегодня также задачу снижения шума.

А вот для корпоративных дисковых хранилищ использование SSD в качестве кеширующей энергонезависимой памяти во многих случаях оправдано уже сегодня: при общем повышении быстродействия хранилища можно снизить требования к основным жёстким дискам и одновременно сэкономить деньги.

Разработки в этом направлении активно ведутся, и сейчас в RAID-контроллерах, выпускаемых компаниями Intel, Adaptec или LSI уже есть настраиваемая опция SSD-кеш, при этом интеллекта самих контроллеров достаточно для того, чтобы отслеживать наиболее востребованные данные и перемещать их на SSD (то есть это не тот классический кеш, который применялся для энергозависимой памяти). Появились специализированные кеширующие сервера, устанавливаемые перед основным сервером и накапливающие на SSD информацию, к которой происходит наибольшее число обращений. Сравнивая использование в серверах различных типов накопителей, Артём сказал, что сервер с 24 SSD способен выдавать 1 миллион операций чтения в секунду, если же попытаться реализовать такую производительность на традиционных винчестерах, понадобится около 3000 жёстких дисков со скоростью вращения 15000 об/мин (в данном случае это принципиально). То есть в этом случае выгода налицо даже при нынешней разнице в цене.

Значительную часть доклада Артём Даниелов посвятил непосредственно особенностям работы твердотельных накопителей или основам системы записи на NAND.

Главное, что здесь следует понимать – это разница между HDD и SSD в плане размещения информации. Если HDD пишет информацию в сектор №ХХ, то значит так оно и будет на самом деле. А вот SSD показывает системе только логические сектора, никогда не раскрывая реального физического размещения данных. Отсюда следует, что дефрагментацию, эффективную при использовании HDD, для SSD следует отключать.

Следующий важный момент: запись на пустой и на заполненный SSD. Отличий от привычного нам HDD два: физические и интеллектуальные особенности.

Начну с последних: у SSD достаточно сообразительности для оптимизации хранимых им данных, он делает это автономно и без всяких указаний от ОС. Однако для проведения оптимизации ему, как и HDD, необходимо свободное пространство для манёвра, и чем пространства больше, тем эффективнее пройдёт и оптимизация, и последующая работа с «диском». Однако все операционные системы, кроме последних версий (у Microsoft – кроме Windows 7) не умеют сообщать «диску» об освободившемся пространстве. Причина простая: поскольку традиционные HDD не умели себя оптимизировать, этого и не требовалось! Система в «оглавлении» (FAT, NTFS, ext) помечает файлы как удалённые и позже, используя собственные ссылки, знает, какие кластеры диска освободились для записи. При этом диск остаётся в неведении.

И вот теперь в Windows 7 реализована функция под именем TRIM, сообщающая SSD о том, какие его блоки свободны для записи. В старых системах это не реализовано, но существует специальная утилита, которая транслирует информацию о свободных блоках SSD. Особенность работы ещё в том, что блок, которым оперирует софт «диска», значительно больше блока операционной системы – у изделий Intel их размер равен 20 мегабайтам. Также в отличие от блоков винчестеров, где мы оперировали двумя состояниями «свободно» и «занято», у SSD появилось ещё одно состояние: «занято неактуальной информацией». Когда нужно расчистить новый блок для стирания и последующей записи, считываются все «актуальные» данные из этого блока и перемещаются их в другой блок (который был расчищен и стерт ранее). «Не актуальные» мы не перемещаются. Затем этот блок полностью стирается и помечается как готовый для записи. Важно то, что готовый для записи блок можно заполнять маленькими порциями, а не сразу целиком. Поэтому пользователям не нужно беспокоиться о том, что записываемые файлы имеют размер существенно меньше 20МБ – запись будет производиться столь же эффективно, как и в случае больших файлов.

Разумеется, это только малая доля всех хитростей оптимизации. Например, для равномерного износа оптимизируется также количество перезаписей каждого блока.

С самим износом здесь тоже всё намного лучше, чем у HDD (цифры уже приводились, теперь о физической сути): «диск» редко отказывает сразу весь (нет там головки, которая могла бы упасть на пластины), а плохо читаемые блоки помечаются как неисправные. После определённого процента таких блоков диск говорит, что он совсем плох, и работать на нём нельзя – надо менять.

Первый винчестер появился более 50 лет назад, ещё до рождения большинства работников ИТ-отрасли, и все полвека у него не было реальных конкурентов. Поэтому переход с HDD на SSD – это событие огромного значения. При всех стараниях разработчиков обеспечить обратную совместимость твердотельных накопителей с жёсткими дисками, SSD обладают новыми качествами, раскрыть которые можно только при правильном понимании механизмов их функционирования.

И нам, «итишникам» предстоит много новой и интересной работы. Вперёд – в будущее! Твёрже шаг!

Автоматизация и бардак

Автоматизация и бардак. Статья Владислава Боярова.

HP Inc.: шоу в Самаре

HP Inc.: шоу в Самаре. Статья Владислава Боярова.