CC BY
458
8 . Triboengineering reference guide: 3 volumes. // Under M. Hebda and A.V.Chichinadze general editorship. - Vol. 1. Theoretical basics. - M: Mechanical engineering, 1989. - 400 p.
Сибиряков М.А1., Сухих А.В.2
1,2Аспирант, Поволжский государственный технологический университет СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАКОПИТЕЛЕЙ HDD И SSD
Аннотация
В статье рассмотрены особенности накопителей SSD и HDD, проведен сравнительный анализ их основных характеристик.
Ключевые слова: твердотельные накопители SSD; накопители HDD; флеш-накопители.
Sibiryakov M.A.1, Sykhikh A.V.2 ^Postgraduate student, Volga State University of Technology COMPARATIVE ANALYSIS OF THE BASIC CHARACTERISTICS OF HDD AND SSD STORES
Abstract
The article describes the features of SSD and HDD, their basic characteristics are analyzed and compared.
Keywords: solid state drive (SSD); hard disk drive (HDD); flash drives.
Введение
В современных кластерных системах и системах хранения данных (СХД) используются два основных типа носителей информации: накопители на жестких магнитных дисках (HDD или жесткие диски) и твердотельные накопители (SSD). Каждый из этих двух типов накопителей имеет свои достоинства и недостатки. В зависимости от сочетания тех или иных характеристик и требований к производительности более выгодным будет тот или иной тип накопителя.
В данной публикации производится сравнительный анализ основных характеристик накопителей HDD и SSD, и выявляются их основные преимущества и недостатки.
Накопители HDD
Накопитель на жестких магнитных дисках представляет собой запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципах магнитной записи. И в настоящее время является основным накопителем данных в вычислительных системах [1, 6]. На рисунке 1 представлена структурная схема накопителя HDD.
Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.
Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, в некоторых моделях разделённые сепараторами, а также блок головок с устройством позиционирования, и электропривод шпинделя.
Блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.
Накопители SSD
Накопитель SSD является немеханическим запоминающим устройством на основе микросхем памяти [1, 4].
Существует два основных типа накопителей SSD:
1) Накопители NAND SSD, основанные на использовании флеш-памяти.
2) Накопители RAM SSD, в основе которых лежит оперативная память с произвольным доступом RAM.
Поскольку второй тип памяти крайне дорогостоящий и ограничен максимальной емкостью 4 Гбайт (что не позволяет использовать ее в системах, где хранятся большие объемы данных) рассматриваться он не будет.
Фактически, накопитель NAND SSD представляет собой несколько флеш-накопителей, объединенных контроллером. На рисунке 2 представлена структурная схема накопителя SSD.
Сравнение основных характеристик SSD и HDD
Чтобы оценить возможности обоих типов накопителей, сравним основные характеристики рассмотренных накопителей, представленные в табл. 1 [3, 5, 6, 7].
83
к хосту
г
Интерфейс
ввода/вывода
Контроллер
DRAM
— Флеш-накопитель NAND — Флеш-накопитель NAND — Флеш-накопитель NAND
\ \ \ \ \ ■ \
— Флеш-накопитель NAND — Флеш-накопитель NAND — Флеш-накопитель NAND
\ \ \ \ \ \
Флеш-накопитель Флеш-накопитель Флеш-накопитель
NAND NAND NAND
Рис. 2. Структурная схема накопителя SSD
Таблица 1 Сравнение основных характеристик двух типов накопителей
Характеристики Накопитель SSD Накопитель HDD
Максимальная емкость 768 Гбайт 4 Тбайт
Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS) От 8 600 до 1 400 000 IOPS От 75 до 210 IOPS
Объем буфера До 512 Мбайт До 128 Мб
Размер страницы 4 Кбайт 4 Кбайт
Скорость чтения До 550 Мб/с До 150 Мб/с
Скорость записи До 525 Мб/с До 150 Мб/с
Время произвольного доступа Менее 1мс От 2,5 до 16 мс
Количество операций чтения Не ограниченно Не ограничено
Количество операций записи От 10000 до 100000 циклов Не ограничено
Наличие механических частей Нет Да
Возможность восстановления данных Нет Да
Бесшумная работа Да Нет
Энергопотребление Низкое Высокое
Основной недостаток Ограниченное число циклов перезаписи При разрушении магнитного слоя все данные безвозвратно теряются
Основное достоинство Более высокая производительность в сравнении с накопителями HDD Низкая стоимость
Сравнивая представленные выше характеристики, можно сделать следующие выводы:
- Накопители SSD значительно превосходят по производительности жесткие диски. Параметр IOPS дисков SSD может быть выше в несколько тысяч раз, чем у HDD, что обусловлено механическими особенностями последних из них. И как следствие, SSD имеют превосходство по скорости чтения и записи данных.
- Время отклика накопителей SSD до 16 раз быстрее, чем у жестких дисков. Это существенное преимущество, позволяющее значительно повысить производительность систем, использующих в качестве устройств хранения твердотельные накопители.
- В отличие от жестких дисков, SSD не имеют механических частей, и как следствие, работают бесшумно и обладают более высокой надежностью.
- Накопители SSD обладают очень низким энергопотреблением (примерно на 38% меньше, чем у HDD) [2].
Обобщив все вышеописанное, можно сделать вывод, что технология SSD является перспективной. Накопители (SSD) являются новейшим высокопроизводительным продуктом, разработанным для использования в критически важных приложениях. Технология флэш-хранения идеально подходит для поддержки приложений, требующих обработки больших массивов данных в очень короткие сроки, например, для систем обмена валют или электронной торговли, обработки котировок в режиме реального времени, транзакций мейнфреймов и многих других.
Накопители SSD в качестве основного устройства хранения в производительных системах (кластерах и СХД) полностью заменят жесткие диски, когда будет устранены их два главных недостатка - ограниченное количество циклов перезаписи и их высокая стоимость. Жесткие диски станут дешевыми альтернативными устройствами хранения для систем, в которых быстрая обработка данных не является критичной.
84
Литература
1. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК, 19 изд.: Пер. с англ. - М.: ООО “И. Д. Вильямс”, 2011. - 1072 с.
2. Information Storage and Managment / G.Somasundaram, Alok Shrivastava: Wiley Publishing, Inc., 2010. 544 p.
3. Основные отличия SSD накопителей от HDD дисков [Электронный ресурс] URL: http://my-ssd.ru/st/SSD_and_HDD
4. SSD диски, принцип работы дисков [Электронный ресурс] URL: http://usb-disk.ru/page22.php
5. SSD - замена жесткому диску [Электронный ресурс] URL: http://windxp.com.ru/articles25.htm
6. HDD и SSD - единство различий [Электронный ресурс] URL:
http://www.overdockers.ru/lab/41187/HDD_i_SSD_edinstvo_razlichij .html
7. Первый в мире накопитель SSD емкостью 480 Гб [Электронный ресурс] URL: http://newsper.net/ru/article/region/3/theme/ 11?date=2012-12-09&id= 1714184
Сибиряков М.А1., Сухих А.В.2
1,2Аспирант, Поволжский государственный технологический университет СПОСОБ ТРАНСЛЯЦИИ АДРЕСОВ В ПОДСИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ FLASH НАКОПИТЕЛЕЙ
Аннотация
Рассмотрены особенности адресации при работе с данными на HDD и SSD, показаны различия во внутренних структурах этих типов носителей. Приведен механизм трансляции адресов FTL, используемый при записи (чтении) на FLASH накопители типа NAND.
Ключевые слова: уровень предобразования адресов; твердотельные накопители; трансляция адресов.
Sibiryakov M.A.1, Sykhikh A.V.2 1,2Postgraduate student, Volga State University of Technology METHOD OF ADDRESS TRANSLATION ON STORAGE SUBSYSTEMS BASED ON FLASH DRIVE
Abstract
The paper under discussion shows features of addressing data on the HDD and SSD, shows the differences in the internal structures of these types of media. Address translation mechanism - FTL, used when writing (reading) to FLASH storage type NAND, are discussed in detail.
Key words: flash translation layer; flash drive; address translation.
Твердотельные накопители на основе Flash-памяти становятся все более популярным решением при проектировании высокопроизводительных систем хранения. На тех участках, где требуется максимальная производительность дисковой подсистемы с минимальными задержками, применение твердотельных накопителей является порой единственным возможным вариантом, опережая по производительности самые быстрые RAID-массивы на жестких дисках корпоративного уровня. Процесс чтения/записи данных на SSD происходит несколько иначе, чем на HDD носитель, это обуславливается различием во внутренней архитектуре. Основное отличие лежит в использовании промежуточного уровня трансляции адресов - FTL. Flash Translation Layer (FTL) - уровень предобразования адресов для использования флеш-памяти.
Что такое FTL и почему он необходим?
Для работы с SSD требуется отображение адресов между LBA (Logical Block Addressing — механизм адресации и доступа к блоку данных на жёстком диске, при котором системному контроллеру нет необходимости учитывать геометрию самого жесткого диска (количество цилиндров, сторон, секторов на цилиндре); контроллеры современных жестких дисков в качестве основного режима трансляции адреса используют LBA) и физическим местонахождением данных [2]. Для того, чтобы произвести запись на определенную область физического носителя информации, данные с этой области должны быть предварительно удалены на уровне блоков. При использовании одного адреса LBA FTL преобразует его и происходит физическая запись информации в различные зоны флеш-накопителя. Далее рассматривается флеш-память типа NAND, которая используется в большинстве SSD накопителей [1].
Как работает FTL?
Контроллер жестких дисков компьютера или системы хранения предполагает получить доступ к HDD (устройству LBA). HDD состоит из секторов (обычно размером 512 Байт или 4 Кбайт). SSD в свою очередь состоит из банков, блоков и страниц. FTL производит трансляцию секторного доступа (как в HDD) в блочный доступ (к SSD). Метаданные используются для отображения логических адресов в физические.
Конфигурация HDD и SSD
HDD состоит из секторов: 1 сектор - 512 байт, либо 4 Кбайт с эмуляцией в 512 байт.
SSD состоит из:
- 1 страница = 8 Кбайт + 512 байт
- 1 блок = (8 Кбайт + 512 байт) * 128 страниц = 1 Мбайт + 64 Кбайт
- 1 слой = (1 Мбайт + 64 Кбайт) * 4096 блоков = 4 Гбайт + 256 Мбайт
- 1 матрица = (4 Гбайт + 256 Мбайт) * 2 слоя = 8 Гбайт + 512 Мбайт
- 1 банк = (8 Гбайт + 512 Мбайт) * 2 матрицы = 16 Гбайт + 1 Гбайт
- 1 устройство = (16 Гбайт + 1 Гбайт) * 64 банка = 1 Тбайт + 64 Гбайт
Страница (рис. 1) - самая маленькая адресуемая единица для операций чтения и программирования. Резервные данные (Spared data) используются для хранения ECC (error-correcting code - кода коррекции ошибок) и для маркировки неисправностей страницы.
85
