SSD – budoucnost pevných disků?

Úvod

Solid State Drive představuje datové úložiště, které pro uchování informací využívá paměťové čipy. Od těch, které známe z klasických počítačových DDR pamětí, se liší v tom, že si zachovají svůj obsah i po vypnutí počítače, tedy po odpojení od napájení. Disky, jež využívají čipy SRAM nebo DRAM tuto vlastnost postrádají a můžeme se setkat s jejich označením jako RAM Drive.

Kromě toho, že termín solid-state odkazuje do oblasti polovodičové fyziky, v současné době především odlišuje tato zařízení od klasických elektromagentických disků. SSD neobsahuje žádné pohyblivé části, což ve výsledku snižuje přístupové doby a zaručuje vyšší mechanickou odolnost. V neposlední řadě patří ke kladům této technologie také tichý chod a minimální zahřívání.

Vývoj

S prvními předchůdci SSD zařízení jsme se mohli setkat již v době elektronkových počítačů. Tehdy jejich masovějšímu rozšíření zabránil rozvoj bubnových datových úložišť, která byla levnější na výrobu. Později v sedmdesátých a osmdesátých letech dochází k implememtaci SSD do superpočítačů IBM, Amdahl a Cray, nicméně vzhledem ke stále vysokým nákladům byla tato technologie využívána zřídka.

V roce 1978 společnost StorageTek vyvinula první moderní typ SSD. V osmdesátých letech Santa Clara Systems přichází s polem jednomegabitových RAM čipů s vlastním řadičem, který emuloval klasický pevný disk. Součástí zařízení byla dobíjecí baterie, která zabraňovala ztrátě dat po vypnutí počítače.

V roce 1995 uvedla společnost M-Systems (nyní SanDisk) své první SSD, postavené na flash paměti. Od té doby úspěšně fungují jako náhrada klasických disků v armádním, leteckém a kosmickém odvětví. Právě tam je zapotřebí vysoká střední doba mezi selháním (MTBF – Mean Time Between Failures), které SSD dosahují díky své odolnosti vůči otřesům a větším teplotním výkyvům.

Zhruba od roku 2008 se dostávají SSDčka do lowendových netbooků a o rok později si razí cestu i do klasických notebooků. V roce 2009 představila společnost OCZ na veletrhu CeBit SSD zařízení o kapacitě 1 TB. S rozhraním PCIE x8 tento disk dosahuje rychlosti přes 650 Mb/s pro čtení i zápis.

Flash architektura
Nejčastější variantou současných SSD disků jsou ty, které využívají flash paměť, podle nichž se často označují jako flash drive. Nepotřebují žádné baterie a svými rozměry odpovídají klasickým 2,5″ diskům, které se používají v noteboocích. Jsou tedy menší než ty z desktopových počítačů, jejichž šířka je 3,5″ (necelých 9 centimetrů). Flash drive je obvykle rychlejší než elektromagnetický disk, ale zároveň pomalejší než RAM drive.

Flash úložiště je vybaveno stejnou vyrovnávací DRAM pamětí cache, na kterou jsme zvyklí u mechanických disků. U dnešních SSD se setkáváme i s dodatečným zdrojem energie, který slouží jako záloha v případě, kdy dojde k výpadku elektřiny. V tu chvíli ještě zařízení dokáže zapsat zbývající data a zamezit tak jejich poškození nebo ztrátě. Obvykle tuto funkci zastává baterie nebo kondenzátor. Některé typy si obsah cache uchovají až do opětovného přívodu proudu.

Výkon SSD lze poměrně snadno škálovat paralelním zapojením více čipů v jednom zařízení. Jediný čip je příliš pomalý kvůli úzké asynchronní sběrnici s šířkou pouhých 8/16 bitů pro zápis a čtení. Další problém tvoří také pomalá doba odezvy. Pokud spolupracuje více čipů paralelně, kvůli rozložení zátěže nedochází k prodlevám při zpracování většího objemu dat.

Například společnost Intel dále zvyšuje výkon svých SSD disků díky obdobné práci čipů jako u klasických disků zapojených v konfiguraci RAID 0, což posouvá hodnoty pro zápis a čtení až ke 200 MB/s.

MLC vs SLC
Flashová SSD úložiště dat můžeme rozdělit do dvou skupin podle toho, jaký druh NAND čipů využívají. Zkratka MLC označuje disky využívající více úrovní zápisu do jediného místa.  Dnes najdeme v jedné buňce dva bity. Tento typ se vyskytuje v levnějších výrobcích. U SLC se nachází v jedné buňce pouze jeden bit. Z těchto vlastností nám v praxi vyplývá několik důležitých závěrů.

Vzhledem k principu zápisu do pamětí typu MLC lze na první pohled usoudit, že tyto čipy pojmou větší množství dat a tedy s menším množstvím čipů dosáhneme větší kapacity. Stinnou stránkou je ale rychlost, protože zjednodušeně řečeno nestačí do každé buňky umístit jeden bit, ale hned dva. S touto větší pracností při zápisu se také zvyšuje míra opotřebení, což se v důsledku projeví až desetkrát nižší životností než u dražších SLC flash pamětí.

DRAM architektura
SSD zařízení s čipy klasických DDR pamětí dosahují ještě o něco lepších hodnot latence než flash drive. Pro svoji plnohodnotnou činnost potřebují dodatečný zdroj napájení, který zajistí uchování dat i po dobu vypnutí počítače. Lze je v případě nutnosti rovněž využít pro rozšíření operační paměti. Některé typy DRAM SSD umožňují vyměňovat paměťové moduly a tím zvýšit celkovou kapacitu. V praxi se s tímto řešením ale příliš nesetkáme s ohledem na výrazně vyšší pořizovací náklady, menší kapacitu a v dnešní době již dostačující množství operační paměti v počítači.

Solid State Drive vs elektromagnetické disky
Nastává ten správný čas pro porovnání vlastností obou zcela odlišných technologií pro ukládání dat. Některé klady SSD jsou již zmíněny v úvodu, proto je jen v rychlosti připomenu. Výrazně lepší přístupová doba, z řádu jednotek milisekund se dostáváme na desítky nanosekund. SSD vydrží o dost víc, nehrozí snadné mechanické poškození, protože se zde nenachází hlavičky ani plotny. Protože k zápisu nedochází mechanicky, jsou disky naprosto tiché. Teplota zařízení závisí na teplotě okolního prostředí, tedy odpadá nutnost přídavného chlazení. Není třeba se bát ani velkých výkyvů teplot. Mezi další pozitivní vlastnosti patří stabilita čtení i zápisu. Při dlouhodobém kopírování dat nedochází k postupnému snižování výkonu. SSD není ovlivněno fragmentací, protože se nečeká na vyhledání potřebných dat čtecí a záznamovou hlavou klasického disku.

Mezi nevýhody SSD patří v současné době především vysoká pořizovací cena. To se týká nejen dražších SLC disků, ale i těch levnějších MLC. Kapacita, kterou za takovou cenu pořídíme, je ve srovnání s elektromagnetickými disky nesrovnatelně menší. Určitě nepotěší ani skutečnost, že rychlost zápisu ve většině případů odpovídá polovině rychlosti čtení, což je dáno odlišnou šířkou sběrnice pro oba úkony. V neposlední řadě je to životnost, která brání ve větším nasazení SSD. Jak už bylo řečeno, pouze dražší SLC verze mohou v této oblasti konkurovat klasickým diskům. Tento neduh částečně napravuje technologie wear leveling, která již nepoužitelné buňky vyřazuje z provozu a nahrazuje je záložními, jež má každý nový disk k dipozici. Za zmínku stojí i write combining metoda, která by měla ještě více urychlit datový tok s využitím bufferu pro zápis v burst módu (zařízení nezapisuje data kontinuálně, ale až po zaplnění vyrovnávací paměti, což má za následek zvýšení rychlosti). Ta však ne vždy zpracovává úkoly ve správném pořadí, takže výsledný efekt může být zpomalující.

Systém souborů
Protože se SSD funguje od základu jinak, pro jeho efektivnější práci je třeba nový souborový systém. Microsoft vyvinul pro své operační systémy exFAT (Extended File Allocation Table), který dokáže uspořádat metadata souborového systému a clustery pro samotná data na vhodné pozice. S ExFAT dokáže pracovat základní verze systému Windows 7, Windows Vista s aktualizací ServicePack 1 a volitelně Windows XP, nicméně systémový oddíl musí zůstat nadále v NTFS.

Závěr
Uběhlo několik desítek let od doby, kdy se objevily první SSD paměti. Za celé ty roky se technologie dočkala pouze minimálního využití vzhledem k její vysoké ceně, což se změnilo až zhruba po roce 2000, kdy přenosné flashdisky začaly postupně vytlačovat přesluhující floppy disky. Již dříve jsme se mohli setkat se stejnou technologií také u paměťových karet pro digitální kamery a foťáky. Nyní se začíná SSD prosazovat jako konkurence elektromagnetických pevných disků a až čas ukáže, zda obstojí. Kapacita většiny zařízení je v současné době nedostačující pro ukládání obrovských datových objemů, nicméně už teď se dá uvažovat o urychlení systémového oddílu v počítači, vždyť průměrný uživatel by si vystačil i s 32 nebo 64 GB (berme v úvahu 10 GB pro OS a zbytek na programy a hry). Nesmíme ale zapomínat, že pokud zvolíme levnější varianty, může nás v závislosti na využití zařízení překvapit jeho nízká životnost. Pokud k tomu přičteme vysokou cenu stávajících produktů, mnoho uživatelů raději ještě setrvá u svých klasických disků. Nezbývá než výrobcům popřát mnoho úspěchů při vývoji a hlavně snižování cen.

Na úplný závěr přikládáme pro představu aktuální nabídku SSD pevných disků společnosti Intel, které patří mezi špičku. Ceny jsou orientační a včetně DPH.

řada X25-M (MLC) 80 GB: 6 000 Kč 160 GB: 16 000 Kč

řada X25-E (SLC) 32 GB: 8 000 Kč 64 GB: 17 000 Kč