Впервые прототипы накопителей без движущихся частей, использующих микросхемы памяти, появились еще в 1978 году. С 1995 года, когда компания M-Systems (впоследствии выкупленная SanDisk) представила первые модели SSD-дисков (Solid State Disk) на флэш-памяти, началось активное их использование. Основными потребителями новых накопителей стали военная, авиационная и космическая промышленности — собственно, те отрасли, где критичным фактором являлась надежность. Твердотельные диски оказались более устойчивыми к экстремальным условиям эксплуатации и обладали большим временем наработки на отказ.

В последние несколько лет наблюдается устойчивая тенденция снижения стоимости флэш-памяти, и с каждым годом SSD-решения становятся все доступнее. Впрочем, тот разумный предел соотношения стоимость/объем, при котором твердотельные накопители смогут заинтересовать потребительский сегмент, еще не достигнут: здесь еще некоторое время предпочтение будет отдаваться привычным винчестерам.

В корпоративных системах использование SSD-технологий экономически выгодно уже сегодня. Твердотельные диски неумолимо вытесняют HDD из производительных серверов. Главное преимущество, которое они при этом предоставляют, — существенный прирост скорости выполнения операций чтения/записи информации. За последние несколько лет пропускная способность интерфейсов жестких дисков стала «бутылочным горлышком» вычислительных систем. В приложениях, для которых важно именно быстродействие, массив из нескольких твердотельных дисков способен заменить массив, состоящий из сотен HDD.

Еще одна ниша, где преимущества SSD не подлежат оспариванию, — это ноутбуки и другие мобильные устройства. С точки зрения портативности HDD-диск обладает всеми мыслимыми недостатками: потребляет много энергии, чересчур восприимчив к тряске, да и сам механизм весит немало (по сравнению с микросхемами). Со всех этих позиций SSD является идеальным вариантом для замены винчестера в ноутбуке. На нынешнем этапе развития технологии твердотельные диски нашли применение в ноутбуках в качестве основных или вспомогательных (кэш жесткого диска) накопителей. К слову, если SSD, емкость которых сравнима с объемом современных HDD-дисков, пока весьма дороги, то накопители объемом 1—4 ГБ благодаря своей чрезвычайно низкой стоимости используются в ультрабюджетных ноутбуках (например, Classmate PC от Intel, проект OLPC) или нетбуках начального уровня.

Преимущества и недостатки

По сравнению с HDD твердотельные диски обладают как рядом преимуществ, так и рядом недостатков. К первым можно отнести:

• Полное отсутствие движущихся частей. Что, в свою очередь, подразумевает не только износоустойчивость, но и бесшумную работу, низкое энергопотребление и тепловыделение, а также малую восприимчивость к экстремальным условиям работы, таким как вибрация, повышенная/пониженная температура и пр.

• Практически моментальное время запуска — устройство готово к работе через секунду после включения.

• Время доступа к файлу измеряется не миллисекундами, как у HDD, а микросекундами.

• Высокая скорость передачи данных: чтение — до 250 МБ/с, запись — до 170 МБ/с (максимальная скорость у серверного жесткого диска — до 100 МБ/с). При этом фрагментация и размер файла не влияют на общее время его считывания. Производительность дисков измеряют также в единицах IOPS (Input/Output operations Per Second) — количестве операций ввода-вывода в секунду. Этот параметр у SSD может достигать 35 тыс. IOPS при чтении и порядка 3,5 тыс. при записи.

• Небольшие размеры позволяют реализовать накопитель в любом необходимом формате.

Список недостатков куда меньше, но они не менее значительны. Начнем с самого существенного: по стоимости хранения единицы информации SSD-накопители пока занимают «почетное» первое место. Явление это, впрочем, временное, ведь когда-то и гигабайт флэш-памяти стоил немыслимых по нынешним меркам денег. С момента своего появления флэш-память дешевела в среднем на 40% в год, так что есть все шансы дожить до тех времен, когда SSD-диски сравняются по стоимости с традиционными. Тем более что есть предпосылки к тому, что в ближайшее время производство твердотельных накопителей подхватит множество компаний, и оно станет массовым.

Вторая причина, по которой SDD-диски уступают HDD, — небольшие объемы хранимых данных. Подразумеваются именно отдельные устройства, поскольку емкость массивов, собранных с использованием SSD-дисков, может достигать и нескольких терабайт. Впрочем, если провести аналогию с ростом емкости микросхем флэш-памяти, то решение этой проблемы — тоже лишь вопрос времени. Сегодня в продаже доступны твердотельные накопители емкостью до 256 ГБ.

А вот тот факт, что флэш-память обладает ограниченным числом циклов перезаписи, — уже куда более серьезный изъян. На современном этапе развития технологии ячейки памяти выдерживают от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч циклов записи. Это не позволяет использовать SSD-накопители в качестве, скажем, временного диска для своп-файла операционной системы — слишком быстро они выходили бы из строя. Идеальный вариант применения — хранение баз данных, количество обращений к которым для чтения существенно превышает количество операций записи.

Выпускается флэш-память двух типов: SLC (Single Level Cell) и MLC (Multi Level Cell). В первом случае в каждой ячейке хранится один бит информации, во втором — два или больше. Таким образом, MLC-память реализует более высокую плотность хранения, но проигрывает SLC в быстродействии и количестве циклов перезаписи. Компромиссного решения пока нет, поэтому производители выпускают флэш-память обоих типов. SLC-память, как обладающая большим ресурсом, используется в корпоративных системах, компактная MLC более удобна для применения в мобильных и настольных устройствах.

Применение интеллектуальных интерфейсов позволяет существенно увеличить число циклов перезаписи устройства. Это достигается за счет избыточной памяти и контроллера, равномерно распределяющего данные по ячейкам. Подобные ухищрения позволяют значительно увеличить срок службы флэш-памяти.

Следует добавить также, что не всё используемое программное обеспечение оптимизировано для работы с массивами твердотельных дисков. Поддержка на программном уровне позволила бы повысить быстродействие и продлить срок службы систем хранения.

Архитектура и интерфейсы

Устройство твердотельного диска предельно просто. Это набор микросхем памяти, оснащенных контроллером. Как правило, характеристики микросхем памяти стандартны у большинства производителей SSD-накопителей, а главные различия заключаются именно в прошивке контроллера. Она отвечает и за интеллектуальное распределение данных по ячейкам памяти, и, как следствие, за продолжительность ресурса диска, и за алгоритмы обмена данными с интерфейсом, то есть за быстродействие устройства.

Сегодня SSD-накопители выпускаются во всех привычных форматах жестких дисков (1,8 дюйма, 2,5 дюйма и т.п.) и с традиционными интерфейсами (IDE, SATA/SATA II, SCSI, и т.п.). Применение этих устройств не требуют внесения каких-либо изменений в архитектуру компьютерных систем и использования специального ПО для работы, несмотря на то что подавляющее большинство современных операционных систем оптимизировано именно для работы с НЖМД. Твердотельные диски тоже можно объединять в RAID-массивы различных уровней. Для серверов выпускаются накопители с оптоволоконным интерфейсом Fibre Channel и SAS.

Большинство SSD-решений для хранения данных используют энергонезависимую флэш-память, так называемую NAND. Впрочем, некоторые модели используют модули RAM, но такие решения неоправданно дороги, в первую очередь за счет недешевых модулей. Кроме того, эта память энергозависима, поэтому требует отдельного обеспечения автономным питанием. Однако устройства такого типа лишены некоторых недостатков, присущих NAND.

В 2005 году компания Intel представила технологию Intel Turbo Memory, суть которой заключается в установке дополнительного флэш-диска, который в стандартной компьютерной архитектуре берет на себя функции кэш-буфера большой емкости для жесткого диска.

Впоследствии появились так называемые гибридные диски, или HHD (Hybrid Hard Drive), содержащие в одном корпусе и накопитель на жестком диске, и SSD-модуль, который используется в качестве кэша. В отличие от обыкновенного HDD пластины гибридного диска в рабочем режиме не вращаются постоянно, двигатель включается лишь в том случае, если идет обращение к информации, хранящейся на пластинах. Очевидные преимущества такого подхода: пониженный расход электроэнергии и существенный прирост производительности (в том числе возможность быстрой загрузки образа операционной системы в память компьютера).

К недостаткам относятся непостоянная скорость записи/чтения (зависящая как от объема блока данных, так и от его размещения), пониженный срок службы (механизм изнашивается быстрее из-за постоянных раскручиваний/остановок, помимо этого сказывается ограниченное число циклов перезаписи флэш-памяти), а также высокая стоимость в сравнении с традиционными HDD.

Функции поддержки быстрой загрузки с гибридных дисков и SSD — ReadyDrive и ReadyBoost — реализованы в ОС Microsoft Windows Vista.

В настоящий момент на мировом рынке насчитывается почти 90 производителей SSD-накопителей (что на 50% больше, чем год назад), и их количество постоянно растет. Производство подхватывают как новые, так и уже хорошо известные компании. Так, например, в начале января свои первые твердотельные диски представила компания Kingston. Предположительно в 2009 году число производителей превысит полторы сотни. По данным интернет-ресурса www.storagesearch.com, десятка крупнейших игроков этого рынка в январе текущего года выглядит следующим образом:

1. Memoright
2. Mtron
3. Samsung
4. STEC
5. Intel
6. Fusion-io
7. Texas Memory Systems
8. Solidata
9. BiTMICRO
10. Adtron

Из не вошедших в первую десятку, но уверенно развивающих направление SSD компаний можно назвать RunCore, Violin Memory и SanDisk.

Перспективы развития

В последнее время были достигнуты технологические успехи, которые еще больше укрепят интерес к твердотельным накопителям и со стороны пользователей, и со стороны производителей. Так, за минувший месяц были представлены накопители рекордной емкости в 512 ГБ от Toshiba и 1 ТБ от Transcend. Массовое производство этих продуктов должно начаться в текущем году.

В перспективности данного направления сомневаться не приходится, но компании, так или иначе связанные с технологиями SSD, можно условно разделить на два лагеря. Первые пошли ва-банк: они активно развивают решения на основе твердотельных дисков уже сегодня. Вторые осторожничают, выжидая момента, когда наступит перелом в развитии технологии, который повлечет за собой переход к массовому производству. В частности, пока еще не готовы существенно пересмотреть свои политики производители жестких дисков. Вице-президент Fujitsu по развитию бизнеса Джоэл Хэгберг (Joel Hagberg) заявил: «Компания не планирует в течение следующих двух лет анонсировать какие-либо продукты из серии SSD-накопителей собственного производства, поскольку ценность данной технологии недостаточна и не будет достаточной до тех пор, пока прорыв в технологиях не изменит показателей производительности и надежности SSD. Мы действительно полагаем, что на смену нынешнему поколению SSD придут фазовые переходы или другие виды памяти».

Возвращаясь к оптимистичной точке зрения: по мнению исследовательской компании iSuppli, к концу текущего года твердотельными дисками будет оснащено 12% ноутбуков, а в 35% будут установлены гибридные жесткие диски (HHD). Около 10% процентов портативных компьютеров будет оснащено Intel Turbo Memory.

Андрей Перкин, консультант по технологиям компании Fujitsu Siemens Computers В настоящее время наиболее широко твердотельные диски применяются в мобильных устройствах. Компания Fujitsu Siemens Computers была одним из пионеров внедрения таких дисков в своих ноутбуках, а модель LifeBook P1610 стала первым на рынке сверхпортативным ноутбуком-трансформером с перьевым вводом, в котором пользователю предлагался SSD-накопитель (емкостью 16 или 32 ГБ). За минувшие два года технология производства твердотельных дисков продвинулась вперед еще на несколько шагов, которые позволили увеличить максимальный объем и количество циклов перезаписи. Однако сказать, что SSD активно вытесняют традиционные накопители, по-прежнему нельзя. Недостатки технологии объясняют неоднозначное отношение к твердотельным накопителям, которые, несомненно, в ближайшее время займут узкую нишу (не более 5—7%) на рынке, но им не удастся полностью вытеснить традиционные жесткие диски на магнитных пластинах.

Олег Корчагин, специалист по маркетингу и PR московского представительства компании Toshiba Europe GmbH В настоящее время компания Toshiba предлагает несколько корпоративных решений на основе SSD. Среди них, например, Portege R600 — легкий полнофункциональный ноутбук премиум-класса, мобильное решение с максимально возможным набором необходимых пользователю функций, а также Tecra R10 — 14,1-дюймовый ноутбук для бизнес-пользователей, который может использоваться и в дороге, и как замена настольному ПК. К недостаткам технологии, как известно, относятся небольшая емкость памяти и довольно высокая цена. Но это определяется скоростью развития рынка и процессом эволюции. А преимущества данных устройств очевидны. Ведь, в отличие от жесткого диска, SSD не имеет движущихся частей и обеспечивает бесшумную работу и низкое энергопотребление при отличной производительности. По нашим оценкам, прогнозы развития технологии таковы: в первую очередь возрастет надежность SSD-дисков. Они будут потреблять еще меньше электроэнергии, а в связи с возникновением новых алгоритмов и уплотнением записи будет существенно снижаться их стоимость. Твердотельные накопители перейдут в массовый сегмент, появятся новые форм-факторы (например, 1,8 дюйма) и интерфейсы для увеличения скорости передачи данных. Возможна также конвергенция с внешними накопителями.

Сергей Дударь, консультант по технологиям представительства компании EMC в Украине 2007 год стал переломным в сегменте корпоративных систем хранения данных. EMC первой начала серийные поставки SSD в качестве альтернативы стандартным магнитным дискам в своих системах хранения класса high-end — EMC Symmetrix. В составе СХД EMC Symmetrix DMX4 флэш-носители исполнены в стандартном форм-факторе 3,5 дюйма. Внешне они ничем не отличаются от обычных дисков Fibrе Channel. С августа 2008 года флэш-диски применяются и в составе систем хранения среднего уровня EMC Clariion CX4. Технологии интеллектуального онлайн-управления данными в системах хранения, можно сказать, компенсируют высокую стоимость SSD. Так, системы EMC Symmetrix могут в автоматическом режиме переносить блоки информации между носителями в зависимости от частоты обращения к этим данным. Даже небольшая группа флэш-дисков в такой системе даст значительный рост производительности. Встроенные инструменты онлайн-перемещения томов в EMC Clariion позволяют решить ту же задачу в системах среднего уровня. За 1,5 года решения EMC c использованием SSD уже успели завоевать популярность не только в странах Запада, но и на постсоветском пространстве. Например, один из уральских банков внедрил системы EMС Symmetrix DMX4 c SSD-накопителями в своей инфраструктуре. Главным преимуществом этого решения стал значительный выигрыш в производительности при минимальных накладных затратах. Активный интерес к подобным системам хранения проявляют коммерческие заказчики в Украине и Беларуси. Сегодня применение SSD дает рост производительности практически в любых приложениях — начиная с экзотических мощных биржевых систем и заканчивая простыми OLTP-приложениями и даже MS Exchange. Рост производительности будет малозаметен лишь в тех приложениях, для которых 90% операций составляет чтение данных, уже находящихся в кэше. Флэш-диски наследуют общую тенденцию быстрого снижения стоимости, как любая ИТ-технология. Например, в декабре 2008 года компания EMC предлагала своим заказчикам SSD-диски уже с 50%-ной скидкой. Поэтому SSD имеет большие перспективы на корпоративном рынке, где данная технология при росте нагрузки может обеспечить не только экономию, но и дополнительную прибыль.

Иван Ерехинский, руководитель отдела консультантов представительства Hitachi Data Systems в регионе СНГ Компания Hitachi Data Systems рассматривает SSD-накопители на базе флэш-технологии как одно из стратегических направлений развития систем хранения данных. Уже сегодня заказчикам предлагаются SSD-диски в системах старшего уровня Hitachi Universal Storage Platform V, а ассортимент самих твердотельных накопителей расширится в самое ближайшее время. Поставляемые HDS системы допускают установку различных типов дисков одновременно: SSD, Fibre Channel, SATA II, — что позволяет заказчикам реализовать стратегию многоуровневого хранения даже в рамках одной системы хранения данных, удовлетворяя потребности самых разных приложений. Единственным препятствием на пути распространения SSD-накопителей в сегменте систем хранения данных является их высокая стоимость по сравнению с традиционными дисками. Поэтому сегодня SSD применяют, главным образом, крупнейшие компании, но и они задействуют новую технологию в ограниченном масштабе, лишь для наиболее важных приложений. Однако по мере распространения технологии на рынке стоимость SSD-накопителей будет падать, а спрос на них, соответственно, расти. Это приведет к заметному распространению этих дисков уже в ближайшие год-два.

Павел Шатерник, архитектор систем хранения данных компании Sun Microsystems Основным препятствием к распространению SSD-накопителей на рынке серверного оборудования долгое время оставались слабые показатели надежности. Но технологии не стоят на месте. Современные твердотельные накопители, применяемые в высоконадежных решениях, это устройства, не уступающие по надежности «классическим» дисковым накопителям. Более того, развитие SSD-технологии в скором времени позволит говорить о многократных преимуществах не только с точки зрения производительности, но и с точки зрения отказоустойчивости. Компания Sun Microsystems одной из первых в мире представила системы хранения данных, использующие SSD-накопители. Например, в дисковых системах серии 7000 они применяются в качестве одной из буферных «ступеней» иерархического хранилища, и во многом благодаря их использованию СХД демонстрируют высокий уровень производительности. В ближайшее время SSD-устройства найдут применение в качестве накопителей в дисковых массивах класса high-end — серии Sun StorageTek 9900. Это позволит использовать высокоскоростные хранилища в вычислительных системах уровня предприятия. Естественно, относительно небольшая емкость и высокая стоимость SSD-устройств не дадут им в ближайшее время вытеснить традиционные жесткие диски, но когда-нибудь это произойдет. И тогда обычным винчестерам останется роль недорогих, но емких накопителей в хранилищах, ориентированных прежде всего на объем хранимой информации.

Сергей Шевченко, специалист по применению продукции Intel в странах СНГ SSD-диски отлично справляются со своими задачами во всех трех сегментах рынка (серверном, настольном и мобильном), но, на мой взгляд, в Украине найдут применение, главным образом, диски для корпоративного применения. Значительно превосходя по своим характеристикам традиционные НЖМД, корпоративные SSD-диски позволят повысить производительность серверов и систем хранения данных. В первую очередь, это обусловлено высокой пропускной способностью, низким временем чтения и записи данных и огромным превосходством в количестве обрабатываемых транзакций в секунду (IOPS). Эти устройства можно использовать для повышения производительности СУБД: например, разместить tempdb- и log-файлы БД, индексы и наиболее часто используемые таблицы на SSD (или зеркале из SSD — для повышения надежности), а в идеале — разместить всю БД на SSD. На одном из IDF (Intel Developer Forum) был продемонстрирован пример, когда восемь SSD превзошли по показателю IOPS массив из 490 обычных дисков. Самое главное, что в индустрии накоплен многолетний опыт использования SSD для ускорения работы серверов приложений. Однако первые SSD были громоздкими, строились не на флэш-технологии и стоили десятки тысяч долларов, а не сотни, как сегодняшние SSD. При разработке твердотельных накопителей специалисты Intel не только стремились к достижению высокой производительности, но и решали задачу повышения износостойкости — основного недостатка накопителей, использующих флэш-технологию. Компании удалось существенно увеличить их ресурс. Например, диски для серверного сегмента способны работать свыше 5 лет при ежесекундной произвольной записи 7 тысяч блоков объемом 8 КБ в режиме 24х7. И даже в случае износа диск перейдет в состояние «только для чтения», сохранив записанные на него ранее данные.