Часть 1
Вступление
В области мобильных и встраиваемых систем увеличивается число приложений, предъявляющих повышенные требования к запоминающим устройствам. Так как рынок требует всё большей производительности, ёмкости, устойчивости к внешним воздействиям и всё более надёжной конструкции, развитие технологий производства твердотельных дисков происходит очень высокими темпами. На сегодняшний день лучшей технологией для хранения больших объёмов данных является технология NAND, но и она обладает рядом недостатков, препятствующих производителям добиться того качества, которого требуют современные условия применения.
Компания M-Systems, с недавнего времени ставшая частью крупнейшего холдинга SanDisk, давно работает на рынке твердотельных дисков большой ёмкости и является признанным лидером в этой области. Для решения проблем, связанных с использованием технологии NAND при производстве твердотельных дисков, компания M-Systems разработала специальное программное обеспечение — TrueFFS®.
HDD против SSD
Механические жёсткие диски HDD — сравнительно недорогие устройства хранения данных большой ёмкости. Но магнитный носитель и вращающийся механизм очень чувствительны к жёстким условиям эксплуатации, к пространственной ориентации и поэтому недостаточно надёжны и могут стать причиной потери данных в ответственных приложениях. Под воздействием сильных ударов, вибраций, давления и высоких температур механические жёсткие диски теряют свою работоспособность.
SSD — это твердотельные диски, в которых отсутствуют движущиеся части. Как и механические диски, они обладают большой ёмкостью для хранения данных и сохраняют данные при отключении питания. Но, в отличие от механических дисков, SSD не требуют строго горизонтального или вертикального расположения, они гораздо менее чувствительны к жёстким условиям эксплуатации, не теряют работоспособность под воздействием сильных ударов, вибрации, давления и высоких температур.
Сравнительные характеристики накопителей HDD и SSD представлены в табл. 1.
Для оценки эффективности эксплуатации можно использовать такой параметр, как совокупная стоимость владения (Total Cost of Ownership — TCO), который подсчитывается на основе калькуляции всех затрат, связанных с эксплуатацией устройства на протяжении определённого отрезка времени. Этот метод используется в ИТ, телекоммуникациях, военных технологиях и других ответственных областях для выявления наиболее надёжного и выгодного варианта.
С позиций TCO накопители HDD, обладая низкой входной стоимостью, существенно проигрывают SSD по всем остальным параметрам. Ожидаемый срок службы для HDD составляет 2-4 года в зависимости от условий эксплуатации и загруженности, для SSD — 10 лет и более. В среднем 15% жёстких дисков выходят из строя после первого года работы, что неприемлемо для ответственных применений, так как стоимость времени простоя при необходимости замены диска, а также ущерб при потере информации могут многократно превышать входную стоимость диска. Для SSD эта цифра составляет менее 1%. Использование SSD снижает затраты на электроэнергию, так как HDD потребляют в среднем в 3 раза больше энергии и к тому же требуют охлаждения. Производители SSD дают гарантию на 5 лет, на HHD гарантийный период не более 1-3 лет.
На основании перечисленных характеристик можно сделать вывод, что эффективность использования SSD существенно выше и, несмотря на высокую входную стоимость, вся совокупная стоимость владения меньше, чем для HDD. Выбор SSD в качестве устройства хранения данных большого объёма для оборудования, работающего в жёстких условиях и используемого в ответственных применениях, является единственно верным шагом.
Основные характеристики твердотельных дисков компании SanDisk (M-Systems), использующих различные виды интерфейсов, представлены в табл. 2 и 3.
Технология производства твердотельной памяти NAND
В настоящее время существуют две доминирующие технологии производства энергонезависимой твердотельной памяти: NOR и NAND.
Технология NOR была впервые предложена компанией Intel в 1988 году, вызвав революцию на рынке, и стала доминирующей технологией для устройств EPROM и EEPROM. Технология NAND была представлена на рынке в 1989 году компанией Toshiba. На рис. 1 показаны архитектуры NOR и NAND.
Долгое время большинство инженеров не делали различий между двумя этими технологиями. И, как правило, когда говорили о твердотельной памяти, подразумевалась архитектура NOR. Так продолжалось до тех пор, пока на рынке не стали востребованы твердотельные запоминающие устройства большой ёмкости и производительности. Дело в том, что флэш-память NOR, обеспечивающая высокую скорость чтения, поддерживающая функцию XIP (eXecutive In Place — спецификация, позволяющая приложениям или ОС исполняться прямо из флэш-памяти без предварительной загрузки в ОЗУ) и, самое главное, отличающаяся низкой стоимостью при небольших объёмах памяти (1...4 Мбайт), обладает очень низкой скоростью записи и стирания, в то время как флэш-память NAND предлагает высокую плотность ячеек, большой объём памяти, а также высокую скорость записи и стирания (для сравнения: NAND — 2 мс, NOR — 4 c).
Есть много других отличий между двумя технологиями, но даже уже перечисленных параметров достаточно, чтобы строго дифференцировать области применений соответствующих устройств. NOR используется в основном в качестве ПЗУ объёмом, как правило, не более 4 Мбайт. Для NAND же открываются двери, чтобы стать наиболее предпочтительным на сегодняшний день решением для твердотельных накопителей новых приложений, таких как многофункциональные мобильные устройства, потребительские электронные устройства, лэптопы и т.д., которые получают преимущества NAND, обеспечивающие высокую производительность и высокую ёмкость для данных, загружаемой ОС и исполняемого кода.
Но поставщики флэш-памяти и их потребители понимают, что преимущества NAND не даются бесплатно. Проблемы надёжности, долговечности и сохранности данных, многие из которых описываются далее, могут сделать многоуровневую NAND-память очень сложной в обращении.
С каждым новым поколением NAND-памяти плотность ячеек увеличивается, а функциональные узлы уменьшаются, из-за этого флэш-память становится всё более и более склонной к ошибкам и требует сложных методов управления для обеспечения приемлемого уровня производительности, надёжности и сохранности данных. Сегодня около 80% всех приложений, применяющих NAND, используют мощный контроллер для обеспечения работы программы, управляющей флэш-памятью, или не гарантируют высокой надёжности (например, простые MP3-плееры).
Чтобы отвечать требованиям рынка, производители концентрируют свои усилия на разработке и поставке NAND-памяти с наиболее высокой плотностью и в как можно более короткие сроки, не беспокоясь при этом о совместимости поколений данных устройств и соответствующих технологий. Кроме того, из-за конкретных особенностей процесса производства и используемых кремниевых компонентов разных поставщиков каждый производитель фактически выдаёт свой сорт NAND-памяти с уникальными свойствами, которые к тому же изменяются от одного поколения устройств к другому. Всё это, несмотря на растущее стремление производителей к сокращению времени разработки и к поставке на рынок новых надёжных устройств с ёмкой и недорогой памятью, отнюдь не способствует повышению качества накопителей NAND. В этих условиях только передовые методы управления памятью, такие как TrueFFS, могут решить проблемы производительности, надёжности, сохранности данных и совместимости новейших устройств NAND-памяти, делая их наиболее доступным, лёгким в реализации и недорогим решением для разработок и применений, требующих большой ёмкости для хранения данных, ОС и исполняемого кода. Именно такие методы применяются сегодня в оставшихся 20% приложений, использующих NAND при решении наиболее ответственных задач. ●
Автор — сотрудник фирмы ПРОСОФТ
119313 Москва, а/я 81
Телефон: (495) 234-0636
Факс: 234-0640
E-mail: info@prosoft.ru
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!