CC BY
72
Выбор модели SSD-накопителя на основе алгоритма нечёткого вывода
Климкина А. А., Валиева А. О., Логашев С. В.
ВКА им. А. Ф. Можайского Санкт-Петербург, Россия anitaklimkina@gmail.com, baksi123@mail.ru, loga1977@yandex.ru
Аннотация. Предлагается подход к выбору SSD-диска, удовлетворяющего заданным параметрам. Диск выбирается на основе формирования базы нечетких правил и последующего применения алгоритма нечеткого вывода Мамдани. Анализируются популярные модели SSD-дисков, представленных на рынке. Приводятся примеры выбора оптимальной модели SSD-накопителя для вычислительной системы с заданными параметрами.
Ключевые слова: SSD-диск, нечеткий вывод, хранение данных, жесткий диск, MATLAB.
Введение
Информация всегда была и остается очень важной составляющей нашей жизни, а ее хранение представляет собой важную задачу. Несколько лет назад произошла настоящая революция в области хранения информации: появились первые массовые накопители, использующие микросхемы флеш-памяти.
В настоящее время существуют два вида устройств хранения информации:
• HDD (hard disk drive) - накопители на жёстких магнитных дисках, действующие по принципу намагничивания жёстких (не гибких) пластин из алюминия или стекла, на которые нанесён слой ферромагнетика. В настоящее время это наиболее распространённые устройства хранения информации;
• SDD (solid state drive) - твердотельный накопитель. В отличие от HDD, в нём отсутствуют механические части. Запись, опрос и перезапись информации на жесткий диск SDD осуществляется на микросхемах памяти под управлением процессора.
SSD набирает все большую популярность у потребителей, поэтому при выборе диска важны определенные характеристики.
Обзор характеристик SSD-накопителей
Рассмотрим достоинства и недостатки SSD-накопителей.
К достоинствам относятся:
• скорость чтения и записи информации. По сравнению с обычными жесткими дисками SSD работают на большой скорости. К примеру, накопитель, подключенный по интерфейсу SATAIII, работает на скорости 500 МБ/с;
• устойчивость к механичным повреждениям. В SSD нет активных элементов, поэтому он не боится сильных механических повреждений;
Хомоненко А. Д.
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, ВКА им. А. Ф. Можайского Санкт-Петербург, Россия khomon@mail.ru
• низкое энергопотребление. По сравнению с HDD SSD использует меньше электроэнергии, для ноутбуков это очень актуально;
• пониженное тепловыделение. Внутреннее тестирование в компании Intel показало, что ноутбуки с SSD нагреваются на 12,2 °C меньше, чем аналогичные с HDD;
• бесшумная работа.
К недостаткам относятся:
• высокая стоимость.
• ограниченное число циклов перезаписи. Обычный средний SSD-диск на основе флеш-памяти с технологией MLC способен произвести примерно 10 000 циклов чтения/записи информации;
• так как контроллер физически расположен между интерфейсом и микросхемами памяти, вероятность его повреждения в результате сбоя или проблем с питанием очень велика. При этом сами данные в большинстве случаев сохраняются.
Определимся с характеристиками SSD-накопителей, по которым выбирают оптимальный вариант:
• объем SSD-диска выбирается в зависимости от целей покупки накопителя. К примеру, если SSD-диск необходим только для ускорения загрузки операционной системы Windows, офисных программ и повышения отзывчивости системы, то объема диска 60-64 Гб (гигабайт) будет достаточно. Если требуется ускорить работу серьезных профессиональных приложений (монтаж видео, системы проектирования и т. п.), то понадобиться SSD-диск объемом 120-128 Гб;
• скорость чтения/записи большинства современных SSD находится в пределах 450-550 Мб/с. Чем выше данный параметр, тем быстрее будет работать накопитель. Однако не стоит забывать, что производители указывают в спецификации, как правило, максимально возможные скоростные характеристики, и в реальных условиях накопитель, скорее всего, будет работать не так быстро;
• количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS): чем выше данный показатель, тем быстрее накопитель будет работать с большим объемом файлов. Это немаловажный фактор для накопителя, на котором установлена операционная система;
• типы памяти и ресурс SSD. В современных SSD дисках используется память нескольких типов: MLC, TLC и 3D NAND (V-NAND).
MLC - наиболее популярный тип памяти для SSD-дисков с оптимальным соотношением цена/скорость/долговечность и ориентировочным ресурсом 3000-5000 циклов перезаписи.
TLC - более дешевый тип памяти, встречающийся в бюджетных SSD, c ресурсом перезаписи около 1000 циклов.
3D NAND - современная быстрая память, разработанная компанией Samsung, с самым большим ресурсом перезаписи. Устанавливается в более дорогие модели SSD компании Samsung.
Стоимость SLC-чипов намного выше и ресурс работы в среднем в 10 раз больше, чем у MLC-чипов памяти, но при правильной эксплуатации срок службы накопителей на MLC-чипах памяти составляет не менее трех лет;
• буфер обмена (кэш) на основе памяти DDR3 ускоряет работу SSD-диска, но делает его несколько дороже. На каждый 1 Гб объема SSD должно приходиться 1 Мб кэша DDR3. Таким образом, SSD объемом 120-128 Гб должен иметь 128 Мб DDR3, 240-256 Гб - 256 Мб DDR3, 500-512 Гб -512 Мб DDR3, 960-1024 Гб - 1024 Мб DDR3;
• защита от обесточивания. Желательно, чтобы диск с кэш-памятью DDR3 имел защиту от внезапного отключения энергии (Power Protection), которая обычно построена на основе танталовых конденсаторов и позволяет сохранить данные из буфера на микросхемы памяти в случае обесто-чивания SSD. Но если имеется источник бесперебойного питания (ИБП, UPS), то защитой от обесточивания можно пренебречь;
• контроллеры SSD. Существует множество контроллеров для SSD-дисков. К наиболее популярным торговым маркам относятся Intel, Samsung, Marvell, SandForce, Phison, JMicron, Silicon Motion, Indilinx (OCZ, Toshiba). Лучшие SSD-диски строятся на контроллерах Intel, Samsung, Marvell. В среднем классе более популярны давно зарекомендовавшие себя контроллеры SandForce и более молодые Phison;
• поддержка SSD накопителем S. M.A. R.T., TRIM, ECC, технологий выравнивания износа и фоновой уборки мусора (Garbage Collection) позволит проконтролировать состояние накопителя и в значительной мере продлить срок его службы;
• скрытая область SSD. Каждый SSD-диск имеет довольной большой объем памяти в скрытой (недоступной пользователю) области. Эти ячейки используются взамен выходящих из строя, благодаря чему объем диска со временем не теряется и обеспечивается сохранность данных. В качественных SSD этот скрытый объем может достигать 30 % от заявленного объема диска. Некоторые производители с целью экономии и получения конкурентного преимущества делают скрытый объем диска меньше (до 10 %), а доступный пользователю - больше. Благодаря этому пользователь получает больший доступный объем за те же деньги;
• производители SSD. Лучшим производителем SSD дисков является компания Intel, но их стоимость весьма высока и они используются в основном в корпоративном секторе для ответственных систем и серверов. Следующий лидер в плане технологичности - компания Samsung. Их SSD стоят в среднем выше, чем все остальные, но отличаются безупречным качеством, надежностью и скоростью. Лучшими по соотношению цена/качество признаны SSD брендов Crucial, Plextor (торговая марка Samsung) и SanDisk. Также в качестве компромиссного варианта в плане цена/качество можно рассматривать SSD зарекомендовавшего себя бренда Corsair и A-DATA;
• форм-фактор и интерфейс SSD. Наиболее популярными на сегодня являются SSD форм-фактора 2,5" с интерфейсным разъемом SATA3 (6 Гбит/с). Такой SSD можно установить в компьютер или ноутбук;
• время наработки на отказ (MTBF) у большинства накопителей в среднем составляет 1-2 миллиона часов. Чем выше данное значение, тем лучше.
Выбор SSD-накопителя на основе заданных
ПАРАМЕТРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМА НЕЧЁТКОГО ВЫВОДА
В повседневной жизни пользователь может столкнуться с необходимостью приобрести SSD-накопитель, критерии и ограничения выбора которого он определяет самостоятельно. В таком случае удобно применить алгоритм нечеткого вывода, который будет использован в настоящей работе. Операторы нечеткой логики очень схожи с обычными булевыми операторами и позволяют упростить принятие решения по выбору SSD-диска. Сложное математическое моделирование можно заменить функциями принадлежности и правилами нечеткой логики [1]. Подходы к решению такого типа задач рассмотрены в [2, 3]. Одно из наиболее мощных средств для решения таких задач - система MATLAB, предоставляющая пользователям разные средства программирования, в том числе визуального. С помощью визуального программирования можно построить необходимую модель, а затем запустить процесс моделирования в программном режиме.
Основные показатели наиболее популярных SSD-дисков объемом до 256 Гбайт представлены в таблице.
Для применения алгоритма нечеткого вывода необходимы входные и выходные переменные. В качестве входных переменных будем использовать лингвистические переменные: «стоимость», «скорость записи» и «время наработки на отказ». Лингвистическая переменная «стоимость» может принимать значения «высокая», «средняя», «низкая». Лингвистическая переменная «скорость записи» может принимать значения «высокая», «средняя», «низкая». Лингвистическая переменная «время наработки на отказ» может принимать значения «длительное», «среднее», «короткое».
В качестве алгоритма нечеткого вывода используется алгоритм Мамдани, поэтому для этапов композиции были выбраны следующие методы их выполнения:
• для логической конъюнкции в условиях нечетких правил (And method) - метод минимального значения (min);
• для логической дизъюнкции в условиях нечетких правил (Or method) - метод максимального значения (max);
• для логического заключения в каждом из нечетких правил (Implication) - метод минимального значения (min);
• для агрегирования значений функции принадлежности каждой из входных переменных в заключениях нечетких правил (Aggregation) - метод максимального значения (max);
• для дефаззификации выходных переменных (Defuz-zification) - метод центра тяжести для дискретного множества значений функции принадлежности (centroid).
Схема разрабатываемой модели представлена на рис. 1.
В процессе нечеткого вывода необходимо выбрать такой SSD-накопитель, для которого свертка функций принадлежности стоимости, скорости записи и времени наработки на отказ диска дает наилучший результат.
Для реализации нечеткого вывода требуется сформировать базу правил системы нечеткого вывода, которая для решения поставленной задачи имеет следующий вид.
Характеристики твердых накопителей до 256 Гбайт
Наименование Средняя розничная цена, руб. Объем памяти, Гбайт Максимальная производительность Среднее время наработки на отказ, ч
Чтение, Мбайт/с Запись, Мбайт/с
A-DATA Premier SP610 6500 256 560 290 1500000
Crucial MX 10 9800 250 555 500 1500000
Intel 730 Series 13 000 240 550 270 2000000
OCZ Vector 180 10 730 240 550 530 2300000
Plextor M6 Pro 10 500 256 545 490 2400000
Plextor M6V 7500 256 535 335 1500000
Samsung 850 EVO 10 500 250 540 520 1500000
Samsung 850 PRO 10 600 256 550 520 2000000
Smartbay Revival 6000 240 525 500 2000000
Smartbay Ignition 4 5900 240 550 320 1200000
Toshiba Q300 PRO 7900 256 550 520 1500000
Transcend SSD370S 7600 256 560 460 1500000
Рис. 1. Схема разрабатываемой модели
Имеются входные переменные «стоимость», «скорость записи» и «время наработки на отказ». Используя их значения, построим базу правил для вычисления выходной переменной РЕЗУЛЬТАТ.
• если стоимость НИЗКАЯ, скорость записи ВЫСОКАЯ и время наработки на отказ ДЛИТЕЛЬНОЕ, то считается, что рассматриваемый накопитель подходит;
• если стоимость СРЕДНЯЯ, скорость записи ВЫСОКАЯ и время наработки на отказ ДЛИТЕЛЬНОЕ, то считается, что рассматриваемый накопитель подходит;
• если стоимость ВЫСОКАЯ, скорость записи НИЗКАЯ и время наработки на отказ КОРОТКОЕ, то считается, что рассматриваемый накопитель не подходит;
• если стоимость СРЕДНЯЯ, скорость записи НИЗКАЯ и время наработки на отказ КОРОТКОЕ, то считается, что рассматриваемый накопитель не подходит;
• если стоимость ВЫСОКАЯ, скорость записи СРЕДНЯЯ и время наработки на отказ КОРОТКОЕ, то считается, что рассматриваемый накопитель не подходит;
• если стоимость не НИЗКАЯ, скорость записи не ВЫСОКАЯ и время наработки на отказ не ДЛИТЕЛЬНОЕ, то считается, что рассматриваемый накопитель условно подходит.
На рис. 2 показано диалоговое окно редактора базы правил системы MATLAB.
Следующим шагом в построении модели является определение функций принадлежности входных и выходных переменных. Их вид показан на рис. 3-6.
Рассмотрим некоторые SSD-диски из таблицы и выберем оптимальный с помощью алгоритма нечеткого вывода. Первой оценим модель Intel 730 Series: стоимость 13 000 руб., скорость записи 270 Мбайт/с, время наработки на отказ
1. If (Стоимость is Низкая) and (СкоростьЗапнси is Высокая) and (ВремяНаработкиНаОтказ is Длительное) then (Результат is Подходит) (1)
2.№ (Стоимость ¡5 Низкая) апй (СкоростьЗапнси Средняя) ап<1 (ВремяНаработкиНаОтказ в Длительное)Шел (Результат ¡5 Подходит) (1)
3.Н (Стоимость в Средняя) апй (СкоростьЗапнси в Высокая) aпd (ВремяНаработкиНаОтказ ¡5 Длительное) 1Иеп (Результат в Подходит) (1)
4. № (Стоимость в Высокая) aпd (СкоростьЗапнси ¡5 Низкая) aпd (ВремяНаработкиНаОтказ ¡5 Короткое) №еп (Результат ¡э НеПодходит) (1)
5.№ (Стоимость ¡5 Средняя) аг^ (СкоросгьЗаписи ¡5 Низкая) aпd (ВремяНаработкиНаОтказ Короткое) Апеп (Результат ¡5 НеПодходит) (1)
6.^ (Стоимость © Высокая) aпd (СкоросгьЗаписи ¡з Средняя) аг^ (ВремяНаработкиНаОтказ ¡э Короткое)^еп (Результат в НеПодходит) (1)
7.К (Стоимость ¡8 по! Низкая) ап<1 (СкоросгьЗаписи ¡з по-1 Высокая) aпd (ВремяНаработкиНаОтказ ¡а по! Длительное)^еп (Результат ¡а УсповноПодходит) (1)
Стоимость ¡5
СкоросгьЗаписи й
and
ВремяНаработкиНаОтказ ii
Средняя Высокая попе
Низкая ж
Средняя
Высокая
попе
-
Короткое *
Среднее
Длительное
попе
-
Результат is
НеПодходит Усп овн оП одходит
Рис. 2. База правил разрабатываемой модели
Рис. 3. Функция принадлежности входной переменной «стоимость», руб.
Рис. 4. Функция принадлежности входной переменной «скорость записи», Мбайт/с
Рис. 5. Функция принадлежности входной переменной «время наработки на отказ», 10 6 ч
Рис. 6. Функция принадлежности выходной переменной «результат»
Стоимость = 1.27е+004 СкоросгьЗаписи =270 ВремяНаработкиНаОтказ = 2e+QQ6 J
□Litputl = 0.388
0 1
Input: [1.271 e+0Q4 270 2е+006] Plot points: 101 Move: left right down up
Рис. 7. Результат моделирования для диска Intel 730 Series
Рис. 8. Результат моделирования для диска Smartbay Revival
Рис. 9. Результат моделирования для диска Plextor M6V
2 000 000 ч. Выходная переменная «результат» имеет значение 0,388 (рис. 7), что означает, что рассматриваемая модель не подходит (см. рис. 6). И действительно, при высокой стоимости мы получаем низкую скорость записи и длительное время наработки на отказ, что не является оптимальным выбором. Также оценим модели Smartbay Revival и Plextor M6V (рис. 8, 9). По результатам моделирования можно сделать вывод, что диск Smartbay Revival является оптимальным среди всех представленных SSD-накопителей, так как он обладает наименьшей стоимостью, высокой скоростью записи и длительным временем наработки на отказ.
Вывод
Современные SSD-диски уже прошли этап своего становления как технологии и сегодня являются вполне само-
достаточными устройствами. Они обеспечивают в 3-5 раз большую скорость чтения/записи данных, что позитивно сказывается на быстродействии системы в целом. При этом основной недостаток в виде ограниченности количества циклов перезаписи не так уж страшен при длительном времени наработки на отказ. В представленной статье разработан подход к выбору модели SSD-накопителя на основе алгоритма нечеткого вывода. С его помощью выбрана оптимальная модель SSD-диска из предложенного списка.
Литература
1. Прикладные нечеткие системы / под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено. - М.: Мир, 1993. 368 с.
2. Lee C. C. Fuzzy Logic in Control Systems / C. C. Lee // IEEE Trans. Syst. Man Cybern., SMC. 1990. Vol. 20, № 2. P. 404-435.
3. Zadeh L. Preface / L. Zadeh; ed. R. J. Marks II // Fuzzy Logic Technol. Appl., IEEE Publ. 1994.
4. Борисов А. Н. Принятие решений на основе нечетких моделей: примеры использования / А. Н. Борисов, О. А. Крум-берг, И. П. Федоров. - Рига: Зинатне, 1990. 184 с.
5. Поддержка систем нечеткой логики и нечеткого вывода. - М.: Физматлит, 2002. 252 с.
6. Леоненков А. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTech / А. Леоненков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 736 с.
7. Ротштейн А. П. Нечеткий многокритериальный анализ вариантов с применением парных сравнений / А. П. Рот-штейн, С. Д. Штовба // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2001. № 3. С. 150-154.
8. Штовба С. Д. Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику проекта / С. Д. Штовба. URL: http://matlab. exponenta.ru/fuzzylogic/book1.
9. Ярушкина Н. Г. Основы теории нечетких и гибридных систем: учеб. пособие / Н. Г. Ярушкина. - М.: Финансы и статистика, 2004. 320 с.
10. Ross T. J. Fuzzy logic with engineering applications / T. J. Ross. - McGraw-Hill, 1995. 600 p.
11. Хомоненко А. Д. Устранение семантических противоречий в elibrary.ru на основе нечеткого вывода / А. Д. Хомоненко, С. В. Войцеховский, С. В. Логашев, В. Л. Дашонок // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. 2015. № 1. С. 24-33.
The Choice of an Optimal Model of SSD-Drive Based on Fuzzy Logic Algorithm
Klimkina A.A., Valieva A. O., Logashev S. V.
Mozhaisky Military Space Academy St. Petersburg, Russia anitaklimkina@gmail.com, baksi123@mail.ru, loga1977@yandex.ru
Abstract: an approach to the choice of SSD that matches the specified parameters proposing. The choice of drive is due to the formation of fuzzy rule base and then applying the algorithm of Mamdani fuzzy inference. We analyze popular models of SSD storage on the market. It is given an example of choosing the optimal model of SSD drive for a computer system with specified parameters.
Keywords: SSD drive, fuzzy inference, data storage, hard disk, MATHLAB.
References
1. Applied Fuzzy Systems [Prikladnye nechetkie sistemy] / ed. T. Tjerano, K. Asai, M. Sugeno. Moscow, Mir, 1993, 368 p.
2. Lee C. C. Fuzzy Logic in Control Systems, IEEE Trans. Syst. Man Cybern., SMC, 1990, Vol. 20, no. 2, pp. 404-435.
3. Zadeh L. Preface; ed. R. J. Marks II, Fuzzy Logic Technol. Appl., IEEE Publ, 1994.
4. Borisov A. N., Krumberg O.A., Fedorov I. P. Decisionmaking Based on Fuzzy Models: Examples of Using [Prinyatie reshenij na osnove nechetkikh modelej: primery ispol'zovaniya]. Riga, Zinatne, 1990, 184 p.
5. Support of Fuzzy Logic and Fuzzy Inference Systems [Podderzhka sistem nechetkoj logiki i nechetkogo vyvoda]. Moscow, Fizmatlit, 2002, 252 p.
Khomonenko A. D.
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, Mozhaisky Military Space Academy St. Petersburg, Russia khomon@mail.ru
6. Leonenkov A. Fuzzy Modeling in MATLAB [Nechetkoe modelirovanie v srede MATLAB i fuzzyTech]. St. Petersburg, BHV-Peterburg, 2003, 736 p.
7. Rotshtejn A. P., Shtovba S. D. Fuzzy Multicriterion Analysis Options from Application Pair Comparisons [Nechetkij mnogokriterial'nyj analiz variantov s primeneniem parnykh sravnenij], Proc. Rus. Acad. Sci. Theory and systemos of man-agment [Izvestiya RAN. Teoriya i sistemy upravleniya], 2001, no. 3, pp. 150-154.
8. Shtovba S. D. Introducing into Theory of Fuzzy Sets and Fuzzy Logic [Vvedenie v teoriyu nechetkikh mnozhestv i nechet-kuyu logiku proekta]. Available at: http://matlab.exponenta. ru/fuzzylogic/book1.
9. Yarushkina N. G. Foundation of Theory Fuzzy and Hybrid Systems [Osnovy teorii nechetkikh i gibridnykh system], Moscow, Finansy i statistika, 2004, 320 p.
10. Ross T. J. Fuzzy logic with engineering applications. McGraw-Hill, 1995, 600 p.
11. Khomonenko A. D., Voitsekhovskii S. V., Logashev S. V., Dashonok V. L. Resolving Semantic Inconsistencies in ELIBRARY.ru Based on Fuzzy Inference [Ustranenie seman-ticheskih protivorechij v ELIBRARY.RU na osnove nechetkogo vyvoda], Automatic Control and Comput. Sci. [Problemy Infor-matsionnoi Bezopasnosti. Komp'yuternye Sistemy], 2015, no. 1, pp. 24-33.
