Автор: Пользователь скрыл имя, 29 Января 2013 в 23:28, реферат
Разновидности sss, физическое строение твердотельных устройств хранения, некоторые технологии применяемыt в sss
Введение
Глава 1. Что такое sss
Что такое Ssd
Архитектура
Развитие
Что такое Ssc
Архитектура
Развитие
Что такое ssm
Архитектура
Развитие
Заключение
План:
Твердотельные устройства хранения данных (SSS) — это средства хранения данных с применением интегральных микросхем (без движущихся магнитных или оптических носителей).
Твердотельные накопители ( SSS ) становится все более популярной альтернативой традиционным технологиям хранения таким, как жесткий диск ( HDD ), компакт-диск, перезаписываемые ( CD-RW ), а также цифровой универсальный диск RAM ( DVD-RAM ).
Все SSS устройства, называемые также твердотельные, функционируют полностью в электронном виде, и поэтому они не имеют внутренних движущихся частей. В теории, эта характеристика должна позволить SSS устройствам работать быстрее, дольше и более надежной, чем устройства, которые используют механические компоненты. На практике, ситуация более сложная, потому что оптимальной производительности требуется согласование базовых технологий.
В следующей таблице перечислены и сравнивает несколько новых и имеющихся в настоящее время SSS технологий. Некоторые инженеры и авторы, ссылаясь на определенные SSS технологий, используют термин «память» (технические неправильно) вместо правильного термина, «хранение»
Имя |
Описание |
Полезно для |
Проводящие металл-оксид ( CMOx ) |
Энергонезависимое хранение среда, в которой кислорода иона с мигрировать между проводящим и изоляционные металл-оксидных слоев в одном чипе. |
Новые технологии; планируемого производства в 2014 или 2015 году. |
Предприятие многоуровневых ячейках ( eMLC ) флэш- |
Форме многоуровневых ячейках (MLC) флэш , который предлагает увеличение числа программ / стирания (PE) циклов для продления срока службы и надежности. |
Резервное копирование данных для средних и крупных бизнес-вычислений. |
Flash-основе твердотельных накопителей |
Любое хранилище
данных или системы, которая используется флэш- |
Резервное копирование данных для широкого круга пользователей и окружающей среды. |
Магниторезистивные памяти с произвольным доступом ( MRAM ) |
Метод хранения битов данных с использованием магнитных зарядов вместо электрических зарядов используются динамические ОЗУ (DRAM ). |
Высокая плотность приложений; новые технологии ожидается, появятся на рынке в 2012 году. |
Multi-Level-Cell ( MLC) флэш- |
Подход к флэш-памяти, в которой два сегмента данных может быть записан в той же ячейке, таким образом, увеличив емкость. |
Резервное копирование данных в личных и малого бизнеса вычислений. |
NAND флэш-памяти |
Флэш-технология памяти
или устройства построены с использованием NAN |
Портативный ,ноутбук и тонкий клиент настольных компьютеров для личного и делового использования. |
NOR флэш-памяти |
Флэш-технология памяти или устройства построены с использованием NOR логических вентилей . |
Мобильный телефонс и карманных персональных компьютеров. |
Изменение фазы памяти ( PCM ) |
Форме компьютерной оперативной памяти (ОЗУ), которая хранит данные путем изменения состояния вещества быстро туда и обратно между аморфным и кристаллическим на микроскопическом уровне. |
Новые технологии отметил исключительную скорость переключения и высокой плотностью хранения данных. |
RAM на
основе твердотельных |
Летучих твердотельных носителей на основе технологии оперативной памяти, что является относительно нечувствительным к числу циклов PE. |
Высокоскоростная память компьютера приложениями для личных, деловых и правительственных организаций. |
Резистивный RAM (RRAM ) |
Форма энергонезависимой
памяти, которая работает путем изменениясопротивления с |
Новые технологии отметил исключительную скорость переключения и высокой плотностью хранения данных. |
Single-Level-Cell ( SLC) флэш- |
Энергонезависимое запоминающее устройство или технологию, которая обеспечивает повышенную надежность и производительность по сравнению с MLC и eMLC флэш-носителе. |
Резервное копирование данных для средних и крупных предприятий и государственных учреждений. |
Среди твердотельных накопителей
можно выделить следующие виды: твердотельные
накопители (SSD), твердотельные карты
памяти (SSC), твердотельные модули (SSM).
Важным преимуществом твердотельных
накопителей является то, что они
не содержит механических деталей, что
обеспечивает передачу данных в и
из носителей на гораздо более
высокой скорости и обеспечивает
более высокую сохранность
Разбираем SSD.
Что же такое SSD? SSD – это (англ. SSD, Solid State Drive или Solid State Disk ) твердотельный накопитель, энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство без движущихся механических частей с использованием флэш-памяти. SSD полностью эмулирует работу жёсткого диска.
Выпускается три разновидности SSD:
SLC (Single-Layer Cell) обеспечивает до 100000 циклов чтения-записи.
MLC (Multi-Layer Cell) обеспечивает до 3000-10000 циклов чтения-записи.
eMLC (enterprise Multi-Layer Cell) обеспечивает до 30000 циклов чтения-записи, но относительно дешевы (дешевле чем SLC).
Посмотрим что у SSD внутри и сравним с его близким родственником USB Flash.
Как видно из фотографии - отличий не так уж и много. По сути SSD накопитель - это та же большая флэшка. В отличие от флэшек, в SSD используется микросхема DDR DRAM кеш-памяти, в связи с спецификой работы и возросшей в несколько раз скоростью обмена данными между контроллером и интерфейсом SATA.
Контроллер SSD.
Главной задачей контроллера является обеспечение операций чтения/записи, и управление структурой размещения данных. Основываясь на матрице размещения блоков, в какие ячейки уже проводилась запись, а в какие еще нет, контроллер должен оптимизировать скорость записи и обеспечить максимально длительный срок службы SSD-диска. Вследствие особенностей построения NAND-памяти, работать с ее каждой ячейкой отдельно нельзя. Ячейки объединены в страницы объемом по 4 Кбайта, и записать информацию можно только полностью заняв страницу. Стирать данные можно по блокам, которые равны 512 Кбайт. Все эти ограничения накладывают определенные обязанности на правильный интеллектуальный алгоритм работы контроллера. Поэтому, правильно настроенные и оптимизированные алгоритмы контролера могут существенно повысить производительность и долговечность работы SSD-диска.
В контроллер входят следующие основные элементы:
Processor – как правило 16 или 32 разрядный микроконтроллер. Выполняет инструкции микропрограммы, отвечает за перемешивание и выравнивание данных на Flash, диагностику SMART, кеширование, безопасность.
Error Correction (ECC) – блок контроля и коррекции ошибок ECC.
Flash Controller – включает адресацию, шину данных и контроль управления микросхемами Flash памяти.
DRAM Controller - адресация, шина данных и управление DDR/DDR2/SDRAM кэш памятью.
I/O interface – отвечает за интерфейс передачи данных на внешние интерфейсы SATA, USB или SAS.
Controller Memory – состоит из ROM памяти и буфера. Память используется процессором для выполнения микропрограммы и как буфер для временного хранения данных. При отсутствии внешней микросхемы RAM памяти выступает в роли единственного буфера данных SSD.
На данный момент в SSD применяются следующие модели контроллеров:
Flash память.
В SSD как и в USB Flash используются три типа памяти NAND: SLC (Single Level Cell), MLC (Multi Level Cell) и TLC (Three Level Cell). Отличие только в том, что SLC позволяет хранить в каждой ячейке только один бит информации, MLC – два, а TLC – три ячейки (использование разных уровней электрического заряда на плавающем затворе транзистора), что делает память MLC и TLC более дешёвой относительно ёмкости.
Однако память MLC/TLC обладает меньшим ресурсом (100 000 циклов стирания у SLC, в среднем 10 000 для MLC, а для TLC до 5 000) и худшим быстродействием. С каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознавания уровня сигнала, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается вероятность ошибок. Так как SLC-чипы намного дороже и объем их ниже, то для массовых решений применяют в основном MLC/TLC-чипы. На данный момент MLC/TLC память активно развивается и по скоростным характеристикам приближается к SLC. Так же, низкую скорость MLC/TLC производители SSD накопителей компенсируют алгоритмами чередования блоков данных между микросхемами памяти (одновременная запись/чтение в две микросхемы флэш-памяти, по байту в каждую) по аналогии с RAID 0, а низкий ресурс - перемешиванием и слежением за равномерным использованием ячеек. Плюс к этому в SSD резервируется часть объёма памяти (до 20%). Это недоступная память для стандартных операций записи/чтения. Она необходима как резерв в случае износа ячеек, по аналогии с магнитными накопителями HDD, который имеет резерв для замены bad-блоков. Дополнительный резерв ячеек используется динамически, и по мере физического изнашивания основных ячеек предоставляется резервная ячейка на замену.
Как работает SSD накопитель.
Для чтения блока данных в винчестере сначала нужно вычислить, где он находится, потом переместить блок магнитных головок на нужную дорожку, подождать пока нужный сектор окажется под головкой и произвести считывание. Причем хаотические запросы к разным областям жесткого диска еще больше сказываются на времени доступа. При таких запросах HDD вынуждены постоянно «гонять» головки по всей поверхности «блинов» и даже переупорядочивание очереди команд спасает не всегда. А в SSD все просто — вычисляем адрес нужного блока и сразу же получаем к нему доступ на чтение/запись. Никаких механических операций — всё время уходит на трансляцию адреса и передачу блока. Чем быстрее флэш-память, контроллер и внешний интерфейс, тем быстрее доступ к данным.
А вот при изменении/стирании данных в SSD накопителе не так все просто. Микросхемы NAND флэш-памяти оптимизированы для секторного выполнения операций. Флеш-память пишется блоками по 4 Кб, а стирается по 512 Кб. При модификации нескольких байт внутри некоторого блока контроллер выполняет следующую последовательность действий:
- считывает блок, содержащий
модифицируемый блок во
- модифицирует необходимые байты;
- выполняет стирание блока в микросхеме флэш-памяти;
- вычисляет новое
- записывает блок на новое место.
Но как только вы записали информацию, она не может быть перезаписана до тех пор, пока не будет очищена. Проблема заключается в том, что минимальный размер записываемой информации не может быть меньше 4 Кб, а стереть данные можно минимум блоками по 512 Кб. Для этого контроллер группирует и переносит данные для освобождения целого блока.
Вот тут и сказывается оптимизация ОС для работы с HDD. При удалении файлов операционная система не производит физическую очистку секторов на диске, а только помечает файлы как удаленные, и знает, что занятое ими место можно заново использовать. Работе самого накопителя это никак не мешает и разработчиков интерфейсов этот вопрос раньше не волновал. Если такой метод удаления помогает повысить производительность при работе с HDD, то при использовании SSD становится проблемой. В SSD, как и в традиционных жестких дисках, данные все еще хранятся на диске после того, как они были удалены операционной системой. Но дело в том, что твердотельный накопитель не знает, какие из хранящихся данных являются полезными, а какие уже не нужны и вынужден все занятые блоки обрабатывать по длинному алгоритму.
Прочитать, модифицировать
и снова записать на место, после
очистки затронутых операцией ячеек
памяти, которые с точки зрения
ОС уже удалены. Следовательно, чем
больше блоков на SSD содержит полезные
данные, тем чаще приходится прибегать
к процедуре чтение>модификация>очистка>
Раньше в интерфейсе ATA просто не было команд для физической очистки блоков данных после удаления файлов на уровне ОС. Для HDD они просто не требовались, но появление SSD заставило пересмотреть отношение к данному вопросу. В результате в спецификации ATA появилась новая команда DATA SET MANAGEMENT , более известная как Trim . Она позволяет OC на уровне драйвера собирать сведения об удаленных файлах и передавать их контроллеру накопителя.
В периоды простоя, SSD самостоятельно осуществляет очистку и дефрагментацию блоков отмеченных как удаленные в ОС. Контроллер перемещает данные так, чтобы получить больше предварительно стертых ячеек памяти, освобождая место для последующей записи. Это дает возможность сократить задержки, возникающие в ходе работы.
Но для реализации Trim необходима поддержка этой команды прошивкой накопителя и установленным в ОС драйвером. На данный момент только самые последние модели SSD «понимают» TRIM, а для старых накопителей нужно прошить контроллер для включения поддержки этой команды. Среди операционных систем команду Trim поддерживают: Windows 7, Windows Server 2008 R2, Linux 2.6.33, FreeBSD 9.0. Для остальных ОС необходимо инсталлировать дополнительные драйвера и утилиты.
Например, для SSD от Intel существует специальная утилита SSD Toolbox, которая может выполнять процедуру синхронизации с ОС по расписанию. Кроме оптимизации, утилита позволяет выполнять диагностику SSD и просматривать SMART-данные всех накопителей компьютера. С помощью SMART, можно оценить текущую степень износа SSD – параметр E9 отражает оставшееся количество циклов очистки NAND-ячеек в процентах от нормативного значения. Когда величина, уменьшаясь от 100, дойдет до 1, можно ожидать скорое появление «битых» блоков.
О надёжности SSD.
Казалось бы, нет движущихся частей – все должно быть очень надежно. Это не совсем так. Любая электроника может сломаться, не исключение и SSD. С низким ресурсом MLC-чипов ещё можно как-то бороться коррекцией ошибок ECC, резервированием, контролем за износом и перемешиванием блоков данных. Но самый большой источник проблем – контроллер и его прошивка. По причине того, что 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. Помимо физических повреждений, при которых доступ к данным пользователя невозможен, существуют логические повреждения, при которых также нарушается доступ к содержимому микросхем памяти. Любая, даже незначительная ошибка, баги в прошивке, может привести к полной потере данных. Структуры данных очень сложные. Информация «размазывается» по нескольким чипам, плюс чередование, делают восстановление данных довольно сложной задачей.