SSD diskai ir jų palyginimas su HDD


SSD kietieji diskai ir jų palyginimas su HDD


Apie SSD kietuosius diskus


SSD NAND Flash pagrindu paremtas diskas
SSD NAND Flash pagrindu paremtas diskas

SSD – ang. Solid State Drive – „kietojo kūno diskas“, dar žinomas kaip „elektroninis diskas“, nors jo sudėtyje jokio realaus „disko“ nėra – yra duomenų kaupimo įrenginys, kurio sudėtyje vyrauja integruoti puslaidininkiai kaip atminties kaupimo technologija saugoti duomenims. SSD technologija naudoja elektronines sąsajas, kurios suderintos su tradiciniais Įvesties/Išvesties (ang. I/O – In/Out) būdais, pritaikytais tradiciniams kietiesiems diskams (toliau ang. HDD – Hard Disk Drive).
SSD kietuosiuose diskuose nėra jokių mechaninių judančių komponentų, kas išskiria juos iš elektromechaninių magnetinių diskų (HDD) ar „Floppy“ lanksčiųjų diskelių rato, kurių pagrindinis veikimo principas yra besisukantis realus diskas bei ties juo judanti „ranka“ su magnetine galvute duomenų įrašymui ir nuskaitymui. Lyginant su elektromechaniniais diskais, SSD diskai yra žymiai atsparesni mechaniniams sukrėtimams, yra daug tylesni, jų prieigos bei uždelsimo laikas daug trumpesnis. Deja, nors ir 2012-tais metais SSD kietųjų diskų kainos krito sparčiai, vidutinė jų Lt/GB kaina vis vien yra 6-7 kartus didesnė, lyginant su tradiciniais kietaisiais diskais (HDD).

DRAM pagrindu paremtas SSD diskas
DRAM pagrindu paremtas SSD diskas

Dažniausiai SSD kietieji diskai naudoja HDD kietiesiems diskams skirtas sąsajas su kompiuteriu; tokiu būdu jie yra lengviau suderinami su rinkoje egzistuojančiomis technologijomis.
Nuo 2010-tųjų dauguma SSD diskų gaminami naudojantis NAND paremta „Flash“ technologija, kuri leidžia išsaugoti duomenis nesant maitinimui. Programinei įrangai, kuriai reikalinga greita prieiga prie duomenų, tačiau nėra svarbu juos išsaugoti išjungus kompiuterį, gali būti skirti darbinės atminties (toliau ang. RAM – Random Access Memory) technologijomis pagrįsti SSD kietieji diskai. Tokie įrenginiai gali būti maitinami išoriniu maitinimu, pavyzdžiui baterijomis.
Hibridiniai kietieji diskai (ang. SSHD – Hybrid Drives ar Solid State Hybrid Drives) apjungia SSD ir HDD technologijas viename įrenginyje, kuriame įmontuotas talpus elektromechaninis magnetinis diskas bei SSD technologija paremtas spartinantysis (ang. Cache) modulis (paprastai neviršijantis 30GB talpos), kuriame saugojami dažnai naudojami duomenys iš HDD. Toks sprendimas gali pasiūlyti našumą artimą SSD diskams naudojantis tam tikra programine įranga.


Truputuką istorijos


CCROS
CCROS

SSD diskai siejami su 1950-ųjų kelėta panašių technologijų sąjunga: magnetine branduolio atmintimi ir plokštine kondensatorine tik-nuskaitymo atmintimi (ang. CCROS – Card Capacitor Read-Only Store). Šie pagalbiniai atminties moduliai pasirodė vaakuminių lempų kompiuterių eroje. Tačiau pasirodžius pigesnei būgninei atminties saugojimo technologijai (HDD pradininkei), jų panaudojimas sumenko.
Vėliau, 1970-80-aisiais, SSD buvo montuojami į ankstyvuosius IBM, „Amdahl“ ir „Cray“ superkompiuterius, tačiau dėl savo itin aukštos kainos ir sudėtingo montavimo proceso, jie nebuvo plačiai paplitę. 1970-ųjų pabaigoje kompanija „General Instruments“ pristatė elektroniškai modifikuojamus ROM modulius (ang. EAROM – Electrically Alterable ROM), kurių veikimo principas buvo panašus į vėliau pristatytos NAND Flash technologijos. Tačiau, dėl nepajėgumo tarnauti dešimt metų, šių produktų atsisakė dauguma pirkėjų. 1976 m. kompanija „Dataram“ pradėjo prekiauti taip vadinamais „Daugiabranduoliais“ (ang. Bulk Core), kurie siūlė 2MB kietojo būvio atmintinę, suderinamą su DEC (ang. Digital Equipment Corporation) bei DG (ang. Data General) kompanijų kompiuteriais. 1978 m. kompanija „Texas Memory Systems“ pristatė 16kB talpos RAM technologija paremtą kietojo būvio diską, kuris naftos gavybos kompanijų buvo naudojamas kaip seisminio aktyvumo duomenų saugojimo priemonė. Tais pačiais metais kompanija „StorageTek“ pristatė tiktai RAM moduliais paremtą kietąjį diską (SSD).

HDD prototipas
HDD prototipas

1983 m. pristatytas „Sharp PC-5000“ naudojo 128 kB kietojo būvio atminties kasetes, veikiančias „burbulinės“ atminties principu. 1984 m. „Tallgrass Technologies Corporation“ naudojo juostiniu principu daromų atsarginių kopijų įrenginį, kurio 20MB iš visų 40MB dalį sudarė kietojo būvio atmintinė. Tas 20MB įrenginio komponentas buvo galimas naudoti kaip kietasis diskas. 1986 m. kompanija „Santa Clara Systems“ pristatė „BatRam“, 4MB talpos išplečiamąją atmintinę, kurią buvo galima išplėsti iki 20MB naudojant 4MB talpos atminties modulius. Įrenginys buvo komplektuojamas su pakraunama baterija, kuri užtikrino duomenų išsaugojimą įrenginio neveikimo metu. 1987 m. kompanija EMC įžengė į rinką su SSD diskų sprendimais mini kompiuteriams, tačiau 1993 m. kompanija iš rinkos pasitraukė.
Programine dalimi paremti RAM-Diskai naudojami ir šiomis dienomis dėl jų ypač didelės spartos lyginant su SSD diskais, tačiau, dėl didelio centrinio procesoriaus (ang. CPU – Central Processing Unit) resursų panaudojimo ir didelės kainos, namų ūkiuose paplitę nėra.


SSD ir HDD kietųjų diskų palyginimas


HDD vs. SSD
HDD vs. SSD

Kaip ir buvo minėta, pabandysiu palyginti SSD ir HDD kietuosius diskus. Kadangi technologijos skiriasi iš esmės, būtų kaip ir nelogiška jas lyginti tarpusavyje, tačiau atkreipsiu dėmesį į tai, jog šios visiškai skirtingos technologijos naudojamos tam pačiam tikslui, kas savo ruožtu leidžia daryti prielaidą, jog šias technologijas palyginti visgi galima.

Taigi, SSD prieš HDD:

Startavimo laikas (Start-up time)

SSD: beveik momentinis, nes nėra mechaninių komponentų, kuriuos reikėtų paruošti darbui. Gali prireikti keleto milisekundžių tam, kad iš miego rėžimo būtų pereita į darbinį.
HDD: mechaninio disko užsukimui gali prireikti kelėtos sekundžių. Sistema, kuri turi ne vieną pajungtą HDD, darbo pradžioje sunaudoja daug energijos visų diskų užsukimui vienu metu.

Darbinis laikas (Random access time)

SSD: paprastai mažiau nei 100 µs. Kadangi duomenys gali būti pasiekiami iš kelių vietų vienu metu, šis rodiklis nėra labai prastas.
HDD: svyruoja nuo 2,9 (pažangiuose serveriuose) iki 12 ms (nešiojamuose kompiuteriuose) dėl poreikio galvutei atsirasti tinkamoje fizinio disko vietoje tikslu įrašyti ar nuskaityti informaciją.

Nuskaitymo uždelsimo laikas (Read latency time)

SSD: paprastai trumpas, nes duomenys gali būti nuskaitomi iš bet kokios vietos. Programinės įrangos darbui, kuriai reikalingi tam tikri duomenys, pavyzdžiui, kompiuterio paleidimo metu, šis reiškinys turi ypač didelę reikšmę.
HDD: daug ilgesnis už SSD. Nuskaitymo laikas skiriasi kiekvieno duomenų nuskaitymo atveju, nes duomenys gali būti išbarstyti skirtingose disko vietose.

Duomenų perdavimo greitis (Data transfer rate)

SSD: SSD diskai negali pasiūlyti vienodo duomenų pateikimo greičio dėl pačių duomenų formos, pavyzdžiui, daug mažų duomenų blokų bus perduodama lėčiau, o mažai didelių blokų – greičiau. Paprastai tradiciniai SSD diskai siūlo nuo 100MB/s iki 600MB/s duomenų perdavimo greitį priklausomai nuo paties disko gamintojo ir specifikacijų. SSD diskai, skirti itin reiklioms organizacijoms gali pasiūlyti iki poros GB/s duomenų perdavimo greitį.
HDD: kai galvutė tinkamoje vietoje ir duomenys sudėti ne padrikai, HDD gali pasiūlyti iki 140MB/s duomenų perdavimo greitį, tačiau realybėje šis skaičius būna daug mažesnis dėl to, jog duomenys dažniausiai būna išdėstyti padrikai arba fragmentuoti, t.y. dokumentai suskaldyti gabalais. Tuo pačiu duomenų perdavimo greičiui turi įtakos disko sukimosi greitis, kuris svyruoja nuo 4200 aps./min. iki 15000 aps./min. bei kuriame takelyje – išoriniame ar vidiniame – duomenys surašyti.

Nuoseklaus nuskaitymo rodiklis (Consistent read performance)

SSD: nuskaitymui duomenų išdėstymo vietos skirtumai įtakos SSD greičiui neturi. Skirtingai nei mechaniniai kietieji diskai, SSD technologija kenčia nuo greitaveikos kritimo fenomeno, pavadinto „rašymo amplifikacija“. Jis pasireiškia tuo, jog NAND blokai stipriai sulėtėja ir degraduoja visą SSD disko gyvavimo laiką. Technika, vadinama „dėvėjimo išlyginimas“, bando spręsti šią problemą, tačiau dėl pačių NAND modulių savybių, SSD diskas vis vien pastebimai lėtės einant laikui.
HDD: jei duomenys suskaldyti ir išmėtyti po visą kietojo disko plokštę, nuoseklaus nuskaitymo rodiklis bus žemas (nuskaitymo laikas ilgas), nes galvutei reikia surasti visus dokumento gabalus ir sudėlioti juos į vientisą dokumentą.

Fragmentacija (suskaldymas, priklauso nuo duomenų sistemos) (Fragmentation (Filesystem specific))

SSD: duomenų sistemoje, kur blokas užima daugiau nei 4kB, didelio skirtumo SSD darbo greičiui nėra. Defragmentacija gali padaryti neigiamą įtaką nenaudojamoms NAND kameroms, nes jų tarnavimo laikas yra ribotas, ir kiekvienas įrašymas daro neigiamą įtaką kamerai.
HDD: dokumentai, ypač didelės apimties, laikui einant tampa fragmentuoti dėl dažno įrašymo į diską. Reguliarus defragmentavimas yra būtinas siekiant padidinti duomenų nuskaitymo greitį.

Triukšmingumas (Noise (acoustic))

SSD: šie diskai neturi judančių komponentų, tad yra praktiškai begarsiai, tačiau menkas garsas gali kilti dėl elektros impulsų ėjimo per komponentus.
HDD: turi judančių komponentų – diskų, galvutės ir magnetinis „rankos“ varikliukai. Jie visi kartu, priklausomai nuo naudojimo dažnumo bei amžiaus (einant laikui išdžiūva diskų varikliuko alyva, diskas pradeda kaisti dėl per mažo sutepimo), kelia tam tikrus garsus. Nešiojamų kompiuterių diskai yra sąlyginai tylesni, nes komponentai mažesni (plokštelės sveria mažiau, ranka trumpesnė).

Temperatūros kontrolė (Temperature control)

SSD: šie diskai paprastai nereikalauja specifinio aušinimo ir yra atsparesni aukštesnėms temperatūroms. Aukštesnės klasės SSD diskai gali būti siūlomi su temperatūros šalinimo priedais.
HDD: remiantis „Seagate“ skaičiavimais, aukštesnė nei 35° C temperatūra, nors ne didelę, tačiau daro žalą kietajam diskui. Jei temperatūra viršija 55° C, kompanija tokiems diskams nebesuteikia garantijų ir traktuoja diską kaip nebepatikimą duomenų laikymui. Aušinimas mentiniu aušintuvu padėtų prailginti HDD tarnavimo laiką dėl perkaitimo, tačiau, kaip taisyklė, rinkoje HDD diskai siūlomi be papildomų aušinimo sprendimų.

Jautrumas išoriniams veiksniams (Susceptibility to environmental factors)

SSD: judančių komponentų nėra, labai atsparus sukrėtimams ar vibracijai.
HDD: galvutės, esančios labai arti greitai besisukančių plokštelių paviršiaus, gali padaryti nepataisomus įbrėžimus plokštelės paviršiui dėl vibracijos ar sutrenkimo/sukrėtimo.

Montavimas į įrenginį (Installation and mounting)

SSD: šiam diskui nėra skirtumo montavimo atžvilgiu (orientacine prasme), nėra jautrus vibracijai ar sukrėtimui. Paprastai nesukelia elektrinio išlydžio.
HDD: gali būti jautrus išlydžiui. Dauguma modernių HDD diskų veikia nesvarbu kokioje padėtyje (horizontali, vertikali). Privalo būti įmontuotas taip, kad nebūtų sukrėstas ar veikiamas vibracijos.

Jautrumas magnetiniams laukams (Susceptibility to magnetic fields)

SSD: magnetiniai laukai SSD diskams įtakos neturi.
HDD: magnetiniai laukai ar stiprus magnetas iš esmės gali pažeisti duomenis, tačiau modernūs HDD kietieji diskai yra gana patikimai apsaugoti nuo elektromagnetinių laukų specialaus metalo dėžutėse.

Dydis ir svoris (Weight and size)

SSD: šių diskų pagrindiniai komponentai – plokštė su valdikliais ir atminties moduliais – yra ypač lengvi ir užima sąlyginai mažai vietos. Dėl industrijoje nusistovėjusių ir plačiai naudojamų standartų , SSD diskai montuojami į paprastos formos kietųjų diskų dėžutes (3.5, 2.5 ar 1.8 colio). Tokie „surinkti“ diskai tampa sunkesni dėl korpuso, tačiau vis vien išlieka lengvesni nei standartiniai HDD.
HDD: šie diskai paprastai yra vienodos formos, tačiau gali žymiai keistis jų svoris. Taip yra dėl to, jog, priklausomai nuo komplektacijos, kietojo disko viduje gali būti nuo 1 iki 4 plokštelių. Paprastai 2-jų plokštelių 3.5“ kietieji diskai sveria apie 700 g.

Patikimumas ir ilgaamžiškumas (Reliability and lifetime)

SSD: šie diskai neturi judančių dalių, tad mechaniniai gedimai jiems negresia. Tačiau kiekvienas NAND Flash blokas gali būti ištrintas ir įrašytas tik tam tikrą kartų kiekį iki kol jis pradės klysti. Valdiklis šiuos aspektus stengiasi išlyginti pateikdamas kuo didesniam blokų kiekį kuo lygesnį panaudojimų skaičių ir tokiu būdu normaliu naudojimo režimu SSD kietasis diskas gali būti naudojamas daugybę metų. DRAM technologija pagrįstiems SSD diskams šis limituotas blokų panaudojimo fenomenas negresia. SSD kiškų patikimumas priklauso nuo gamintojo ir klasės.
HDD: šie kietieji diskai turi judančių dalių, tad potencialiai yra linkę gesti einant laikui. Pačios magnetinės plokštelės nėra veikiamos laiko ar įrašymų/nuskaitymų kiekio, tad iš esmės jos nėra gendančios.Remiantis „Carnegie Mellon“ universiteto atliktais tyrimai, tiek ekonominės, tiek aukštesnės klasės HDD kietieji diskai tampa „linkę“ gesti po 6 naudojimosi metų, o vidutinis įrenginio gyvavimo laikas – 9-10 metų.

Saugaus įrašymo ribojimas (Secure writing limitations)

SSD: NAND Flash technologijos blokuose informacija negali būti užrašoma ant senos informacijos; sena informacija privalo būti ištrinta ir į jos vietą rašoma nauja. Jei užkodavimo programinė įranga bandys užkoduoti informaciją jau esančią SSD kietajame diske, informacija išliks neužkoduota. Be to, kartą ištrynus informaciją jos atgaminti „pagal pėdsakus“ galimybės paprastai jau nebėra.
HDD: šiuose diskuose duomenys gali būti rašomi ant kitų duomenų viršaus bet kokioje kietojo disko plokštelių vietoje. HDD kietojo disko valdiklis gali izoliuoti tam tikras pažeistas plokštelių vietas, kad nebūtų galima ant jų užrašyti, nes užrašius duomenis ant pažeisto paviršiaus jie būna nebe perskaitomi. Paprastai ištrynus dokumentą, kietajame diske jis neištrinamas, o ištrinama tik informacija apie jo būvima, tad neatlikus pilno kietojo disko formatavimo (ang. Low Level Format – tai procesas, kurio metu visuose sektoriuose ir „klasteriuose“ įrašomi nuliai), paprastai duomenis galima nesudėtingai atgaminti.

Kainos ir talpos santykis (Cost per capacity)

SSD: NAND Flash technologija paremtų kietųjų diskų 1GB kaina yra ~1,65 Lt.
HDD: 3.5“ HDD 1GB kainuoja ~0,12 Lt, tuo tarpu 2.5“ HDD 1GB kainuoja ~0,25 Lt.

Talpos (Storage capacity)

SSD: šių diskų talpa gali siekti 2-3TB, tačiau, atsižvelgiant į kainos ir talpos santykį, paplitę yra nuo 64GB iki 512GB SSD diskai.
HDD: paskutiniais metais buvo siūlomi HDD kietieji diskai, kurių talpa siekia 4TB.

Įrašymo/nuskaitymo greičio simetrija (ang. Read/write performance symmetry)

SSD: pigesnių SSD kietųjų diskų įrašymo greitis paprastai yra žemesnis už nuskaitymo, tačiau brangesnių SSD diskų įrašymo greitis mažai skiriasi nuo nuskaitymo greičio.
HDD: šių diskų, nepriklausomai nuo klasės, įrašymo greitis paprastai yra žymiai mažesnis nei nuskaitymo.

Tuščių blokų pasiekiamumas ir TRIM (Free block availability and TRIM)

SSD: SSD įrašymo greitis yra stipriai įtakojamas tuščių įrašymui skirtų blokų pasiekiamumo. Tušti nebenaudojami blokai gali būti išvalomi TRIM komandos pagalba. Nors ir dalyvaujant šiai komandai, esant mažam kiekiui tuščių blokų, paruoštų įrašymui, įrašymo greitis mažėja.
HDD: magnetiniai kietieji diskai nėra įtakoti tuščių blokų kiekio, o komanda TRIM HDD kietajam diskui įtakos neturi.

Energijos suvartojimas (Power consumption)

SSD: modernūs Flash technologija paremti SSD kietieji diskai sunaudoja nuo pusės iki vieno trečdalio energijos mažiau, nei paprasti kietieji diskai. Modernūs DRAM technologija paremti SSD kietieji diskai suvartoja panašų kiekį energijos, kaip ir HDD kietieji diskai, be to, jie privalo būti maitinami net tuo metu, kai sistema išjungta.
HDD: ekonomiškiausi yra 1.8“ HDD kietieji diskai, suvartojantys apie 0,35W. Atitinkamai 2.5“ HDD suvartoja 2-5W, o 3.5“ – iki 24W energijos.


Išvados


Taigi, remiantis šiais palyginimais, galima teigti, jog SSD kietieji diskai daug pranašesni greitaveikos, energijos suvartojimo, atsparumo išoriniams veiksniams, svorio ir dydžio prasme, tačiau turi ir trūkumų – santykinai trumpas tarnavimo laikas tokiose sistemose, kur duomenų kaita labai didelė, būtinybė naudoti TRIM komandą, sulėtėjimas esant dideliam blokų užimtumui ir, kas be ko, aukšta kaina.
Tačiau, atsižvelgus į tą faktą, jog šiuolaikiniuose kompiuteriuose „stabdžiu“ tapo kietasis diskas dėl savo santykinio lėtumo (etaloninis maksimalus HDD 140MB/s prieš realius SSD 200-600MB/s), kuris yra sąlygojimas plokščių sukimosi greičio, galima teigti, jog visgi NAND Flash technologijomis paremti SSD diskai yra neišvengiamai reikalingi. Dažnas, įsigijęs kompiuterį, kurio pajėgumai viršija HDD kietojo disko duomenų perdavimo greitį, turi susimąstyti ir apie SSD kietąjį diską. Ne kaip apie pagrindinį ir vienintelį duomenų kaupiklį sistemoje, tačiau kaip kaupiklį, kuriame bus saugojami dažnai naudojami duomenys – pati operacinė sistema ir taikomoji programinė įranga. O žaidimai, filmai, muzika ar kiti didelės spartos nereikalaujantys ir reto naudojimo dokumentai gali būti saugojami HDD kietajame diske.
Nesudėtinga yra paskaičiuoti tai, jog žmogus, tarkim, sumokėjęs pinigus korporacijai „Intel“ ar AMD už „i7“ ar atitinkamai „Phenom“ CPU, panaudos jį lyg panaudotų paprastą „Pentium“ ar „Sempron“ (šis teiginys neatsižvelgia į kitas specifikacijas, tokias kaip OS ar SDRAM, kaip darbinė atmintis, kiekį). CPU kainos gi skiriasi drastiškai, o kaltininkas – HDD!
Tiesa, pačiam teko tuo įsitikinti. Gerą pusmetį naudojausi aukščiausiu tuo metu „i3“ CPU (3.3GHz, Dual+HT, 3MB L2) su HDD (7200 aps./min, 400GB). Na, lyg ir viskas tvarkoje, kompiuteris veikia, tačiau ne itin kažkuo išsiskiria. Ir pateko į rankas nedidukas SSD diskas, kuris taip pat nėra kažkuo išskirtinis – 30GB 300/350 MB/s. Galvojau – pabandysiu, negi ore tvyrantys gandai apie SSD kietųjų diskų pranašumus laužti iš piršto. Rezultatas: legalūs Windows 8 buvo įdiegti per 10 minučių įskaitant visas tvarkykles (diegimui naudojant USB v.3 ta pačia NAND Flash technologija paremtą USB atmintuką), operacinė sistema pilnai pradeda darbą per ~10-15 sekundžių, kompiuterį išjungiu per 5-7 sekundes. Be to, reikėtų paminėti ir tai, kaip puikiai ir greitai dirba pats kompiuteris – langai atsidaro akimirksniu, sudėtingos programos pradeda darbą vos per kelias sekundės dalis. Ir tik po to, kai įsigijau minėtąjį SSD diską supratau, jog ta pati kompanija „Intel“ siūlo iš tiesų dėmesio vertus procesorius ir jų kaina tikrai pagrįsta. Bėda dažniausiai tame, jog šių procesorių pajėgumų mes tiesiog negalime patirti dėl HDD kietojo disko lėtumo. Jei netikite – pažiūrėkite savo Windows Vista/7/8 įvertinimo skiltį: ant „Computer“ ikonos spaudžiam dešinį pelės klavišą, pasirenkam „Properties“, susirandam „Rating“ skiltį ir spaudžiam ant „Windows Experience Rating“. Jei „Primary Hard Disk“ indeksas yra žymiai žemesnis už „Processor“ ir „Memory (RAM)“ – reiškia Jūs pilnai neišnaudojate savo CPU o darbinė atmintis pastoviai reikalauja kažko iš Jūsiškio HDD…



* Šis palyginimas buvo atliktas kaip VDU „Kompiuterių architektūra“ dalyko namų darbo referatas.
Bet kokie laikmečio ir/arba mokslinių ir/arba technologinių faktų nesutapimai yra toleruotini.
Šis darbas netraktuotinas kaip neginčijami faktai.
Teksto autorinės teisės priklauso VDU ir darbo autoriui, Robertui Lendraičiui,
Darbas atliktas 2013.04.08.

Parašykite komentarą