Тема 2.2 Дисковая подсистема

 

Флеш-память

 

Флеш-память (flash-memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти, работающей одновременно подобно оперативной памяти и жесткому магнитному диску. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но выдерживающая около 100 тыс. циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или оптический диск. Одним из преимуществ является отсутствие подвижных частей, так что в отличие от жестких дисков она более надежна и компактна.

Благодаря своей компактности, невысокой стоимости и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах: фото- и видеокамерах, диктофонах, МРЗ-плеерах, КПК, мобильных телефонах, смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она позволяет хранить встроенное программное обеспечение в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах, модемах), различных контроллерах. В последнее время широкое распространение получили USB-флеш-накопители («флешка», USB-драйв, USB-диск), практически вытеснившие дискеты и CD-диски. Основным недостатком на сегодняшний день, не позволяющим устройствам на базе флеш-памяти вытеснить с рынка жесткие диски, является высокое соотношение цена/объем, превышающее этот параметр у жестких дисков в 2 — 3 раза. В связи с этим и объемы флеш-накопителей не так велики, хотя работы в этих направлениях ведутся. Удешевляется технологический процесс, усиливается конкуренция. SSD-накопитель не тратит подобно винчестеру время на разгон, позиционирование головок, однако эти модели пока слишком дороги. Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками каждая из них может хранить только один бит информации. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками могут хранить больше одного бита информации, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора. Еще одним недостатком полупроводниковых накопителей является ограниченное количество циклов перезаписи.

Флеш-память исторически происходит от памяти ROM (Read Only Memory) и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные хранятся в ячейках памяти, похожих на ячейки оперативной памяти. В отличие от оперативной памяти при отключении питания данные из флеш-памяти не пропадают. У флеш-памяти существует возможность производить стирание отдельной ячейки с помощью электрического тока. Стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т. е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи. Перезаписывается флеш-память блоками, а не отдельными битами, как оперативная память. Флеш-память работает существенно медленнее оперативной памяти и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи.

Информация, записанная на флеш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5— 10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жестких дисков).

Основное преимущество флеш-памяти перед жесткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флеш-память потребляет значительно (примерно в 10—20 и более раз) меньше энергии во время работы.

В устройствах CD-ROM, жестких дисках, кассетах и других механических носителях информации большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флеш-память компактнее большинства других механических носителей.

 

Полупроводниковые накопители

 

Полупроводниковый накопитель SSD (Solid-State Drive) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей. Называть его диском неправильно, так как в конструкции SSD не присутствует дисков как таковых: накопитель состоит из микросхем памяти и контроллера, подобно флеш-памяти. Следует различать полупроводниковые накопители, основанные на использовании энергозависимой (RAM SSD) и энергонезависимой (NAND или Flash SSD) памяти.

Последние являются перспективной разработкой. Некоторые аналитики считают, что уже в ближайшие годы (2011 —2013 гг.) полупроводниковые накопители NAND займут немалую долю рынка накопителей, отвоевав ее у накопителей на жестких магнитных дисках. По состоянию на 2009 г. полупроводниковые накопители использовались в специализированных вычислительных системах, в некоторых моделях компактных ноутбуков, коммуникаторах и смартфонах (например, нетбуки ASUS Eee PC, Acer Aspire One, ноутбуки фирм Apple, Samsung, Lenovo). Полупроводниковые накопители также используются на Международной космической станции.

RAM SSD накопители, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера), характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является высокая стоимость (от 80 до 800 долл. США за 1 Гбайт). Предназначены они в основном для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и (или) оперативного копирования.

Своеобразной разновидностью таких накопителей является RIndMA-диск — подключенный быстрым сетевым соединением вторичный ПК с программным RAM-накопителем. Такой компьютер стоит на порядок дешевле специализированных решений, но не рекомендуется для использования в критичных к потере данных приложениях.

Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой стоимостью (от 2 долл. США за 1 Гбайт) начали уверенно завоевывать рынок. До недавнего времени они существенно уступали традиционным накопителям в чтении и записи, но компенсировали это (особенно при чтении) высокой скоростью поиска информации (сопоставимой со скоростью оперативной памяти). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители flash со скоростью чтения и записи, сопоставимой с традиционными, и разработаны модели, существенно их превосходящие. Характеризуются такие накопители относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.

Преимущества полупроводниковых накопителей по сравнению с жесткими дисками:

· отсутствие подвижных частей;

· задержка в режиме чтения 85 мкс, в режиме записи 115 мкс(50 нм — технологический процесс);

· задержка в режиме чтения 65 мкс, в режиме записи 85 мкс(34 нм — технологический процесс);

· скорость чтения и записи ограничена лишь пропускной способностью интерфейса и применяемых контроллеров. Так, OCZRevoDrive X2 имеет скорость чтения до 740 МБит/с и скорость записи до 730 МБит/с;

· низкая потребляемая мощность;

· полное отсутствие шума от движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;

· высокая механическая стойкость;

· широкий диапазон рабочих температур;

· стабильность времени считывания файлов независимо от их расположения или фрагментации;

· малые габаритные размеры и масса.

Недостатки полупроводниковых накопителей:

· ограниченное количество циклов перезаписи: обычная флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз, более дорогостоящие виды памяти (SLC) — более 100 000 раз;

· высокая цена за 1 Гбайт (от 2 долл., при примерно 8 центах для жестких дисков за 1 Гбайт);

· стоимость SSD-накопителей прямо пропорциональна емкости, в то время как стоимость традиционных жестких дисков зависит от количества пластин и медленнее растет при увеличении объема диска.