Malý, velký a „zelený“: životopis SSD disků

Vyhlídky SSD disků na trhu

Jedno vítězství pro SSD disky přišlo poměrně snadno a je prakticky dobojováno: mobilní zařízení. Přenosné přehrávače multimédií (PMP – portable media players), kamery, fotoaparáty a mobilní telefony potřebují ukládat data. Z těch všech harddisk někdy používaly pouze PMP, ale nyní jsou všechny tyto kategorie na bázi pamětí typu flash. Nestalo se tak kvůli výkonu, ale protože flash paměti jsou levné a odolné. Existují hranice velikosti a ceny (v současnosti 1,8″ a 40 USD), za kterými již nelze harddisk vyrobit, zatímco flash paměti se mohou smrskávat na centy, pokud jde o cenu, a milimetry, když jde o velikost. U malých levných zařízení paměti NAND s harddisky ani soupeřit nemusely. V oblasti PMP zvítězily s takovým úspěchem, že poslední dávka 1,8″ harddisků stěží najde jediného zákazníka, zatímco 1,0″ HDD jsou již nějaký čas prakticky mrtvé. Pomalu ale jistě se SSD paměti dostávají od menších mobilních zařízení jako například iPod Nano do větších jako iPod Touch díky exponenciálnímu růstu kapacit a množství NAND pamětí, které tak prolamují hranice kapacit i cen harddisků.

Na poli ukládání dat, kterému dominují harddisky, je však přímý souboj nevyhnutelný – a již probíhá. Převažující konstrukční strategií při návrhu SSD disků je tak model snadné náhrady za HDD, tzv. „drop-in“, což znamená, že SSD disk má stejné rozměry jako HDD a používá stejná rozhraní. Prvotní SSD disky od M-Systems používaly rozhraní IDE a SCSI a moderní SSD disky jsou vybaveny hlavně rozhraním SATA. Některé inovace rozhraní SATA, jako například NCQ, jsou velmi podstatné pro optimalizaci funkce SSD s cílem eliminovat RWH – jak řešení Intelu s přemapováním podsektorů (Subsector Remap), tak nCache společnosti Sandisk spoléhají na NCQ.

Vlna uvedení SSD disků s rozhraním SATA, které v celé škále kapacit uvádělo ohromující množství výrobců, zaznamenala na spotřebním trhu s notebooky pouze omezený úspěch, počínaje ultrapřenosnými notebooky jako například Macbook Air. V současné době jsou nejvíce rozšířené jako možnost vylepšení počítače a jejich přijetí se počítá v malých procentech, která rostou jen pomalu. Podobně je tomu u některých high-end stolních počítačů. Nejpodstatnějším momentem je v daném případě cena, protože výkonnost je značně vyšší než u jakéhokoli harddisku. Upgrade na SSD u notebooků představuje cenově srovnatelnou investici jako upgrade procesoru a u stolních počítačů je ekvivalentní pořízení disku Velociraptor. S každým dalším rokem jsou SSD disky lépe prodejné.

Přestože strategie náhrady harddisku za SSD („drop-in“) je pro proniknutí SSD do stolních počítačů a notebooků v zásadě nezbytná, má rozhraní SATA některé nevýhody. Rozhraní pro harddisky jsou navržena s ohledem na nízké náklady a jsou proto jen asi třikrát rychlejší než disky, které mají podporovat. Možnosti SSD disků, které dosahují mnohem vyšších rychlostí průběžného přenosu dat, jsou kvůli tomu přiškrceny.

Jedna možnost je dobrá a osvědčená: RAID. Pokud jde o konfigurace s RAID, byly SLC SSD disky nasazeny v SAN a dalších serverových produktech – letos jsme se již zabývali modulem „SAN ve skříni“ firmy Pillar, který byl navržen, aby na něm běžel Oracle na SLC SSD discích Intel X25-E. Koncept náhrady formou „drop-in“ je jistě životaschopný.

Zákulisí konceptu „drop-in“: nová rozhraní pro SSD disky

Čili – přestože je pro SSD disky rozhraní SATA už kvůli svým základním principům relativně špatnou volbou, jde o vynikající možnost, protože je rozšířené a má bytelnou pozici. Jiné volby neumožňují bootování bez speciálních ovladačů anebo nejsou jednoduše v počítačích k dispozici. Uprostřed tohoto výhledu se však začínají objevovat nadějné zprávy o rozhraních určených přímo pro SSD disky a o využití výkonnějších rozhraní pro SSD na trzích mimo stolní počítače a notebooky. Pojďme prozkoumat několik příkladů.

Jednou ze zřejmých oblastí uplatnění SSD disků, poněkud v podobném stylu jako u mobilních zařízení, je netbook. Generace pseudonetbooků, která předcházela éru platformy Menlow, byla založena na SSD, přičemž se používaly malé levné SSD disky v řádu 4 GB, aby se ušetřilo na cenách komponentů. Tyto oslavované SSD disky byly v zásadě SD karty, které využívaly jedinou řadu nejlevnějších dostupných čipů, a používaly rozhraní mini-PCIe, což je společné několika prvním modelům ASUS Eee a dalším modelům od alespoň jednoho dalšího výrobce netbooků. Brzy nato, když se ASUS Eee uchytil, začali výrobci třetích stran dodávat SSD disky v provedení a velikosti jako ASUS mini-PCIe a staly se celkem oblíbeným upgradem pro starší modely netbooků Eee. Věc ohledně SSD v této aplikaci neměla nic společného s výkonem, stejně tak ani nové rozhraní, nicméně mini-PCIe je schopné dosáhnout vyšších rychlostí než SATA a teoreticky by jej mohly využívat rychlejší a dražší moduly. V současné době však většina netbooků používá harddisky a SSD disky pro netbooky představují celkem ospalý trh.

Zřetelnějším cílem pro SSD, kde vysoké ceny lze snadněji obhájit finančně vyjádřitelnými přínosy, je oblast serverů. Existuje spousta procesů pro servery, které jsou omezeny možnou kapacitou IOPS a které zpracovávají relativně malé objemy dat, k nimž se však přistupuje často. Takové aplikace jsou pro SSD vhodné a již nějakou dobu se pro datová centra dodávají špičkové SSD disky (obvykle SLC). V oblasti serverů je kritickým bodem zájmu spolehlivost a jeden výkonný šéf datového centra mi na rovinu řekl, že MLC disky nebudou nikdy dost dobré. Vzhledem k tomu, že tuto technologii stále provázejí obavy o spolehlivost, je pochopitelné, že vedoucí pracovníci jsou vůči SSD nedůvěřiví, zvláště když možné přínosy ve výkonu brzdí rozhraní SATA.

Nedávno se přinejmenším jedno datové centrum dostalo do situace, kdy kauza implementace SSD disků pro něj byla ekonomicky výhodná. Hostingové zázemí webového portálu sociálních sítí MySpace zakoupilo a instalovalo SSD hardware za 2 miliony USD s prohlášením, že tuto investici lze ospravedlnit zvýšením výkonu a úsporou energie. Při velké zátěži MySpace, stejně jako jiné značně využívané databáze obsluhující například vyhledávače, skončí tak, že obsluhuje přímo z RAM. Kapacita IOPS u SSD disku IODrive Fusion, který si společnost MySpace vybrala, jí umožnila nahradit 8 jádrové servery o výšce 2U s konfigurovatelnou FB-DIMM pamětí o kapacitě 192 GB za jednovýškové servery v cenovém poměru lepším než jedna ku jedné, přičemž úspora spotřeby serverů bude více než 50%, vyhnou se obsluhování z nepermanentní RAM a ještě zkrátí dobu čekání na odezvu.

Disk IODrive Solo je SSD disk s rozhraním PCIe, který se vejde do standardního slotu a napájí se přes PCIe port. S ovladači je bootovatelný, vejde se na něj 320 GB SLC NAND za pouhých 7.000 USD a dokáže průběžně číst i zapisovat rychlostí přes 1 GB/s. FUSIONIO také inzeruje algoritmy pro vyrovnávání opotřebení (wear levelling) a smíšený zápis (write mixing) na profesionální úrovni vhodné pro podnikové použití. Výsledkem je jediná PCIe karta, která dosahuje udávaných 130.000 stálých IOPS při smíšených operacích čtení a zápisu o velikosti stránky (4 KB) s latencí pouhých 50 mikrosekund. Pro účely MySpace jde o řešení prakticky na stejné úrovni jako RAM. A to vše je možné díky PCIe, zatímco s rozhraním SATA by těchto výsledků nebylo možné dosáhnout.

Rámcové trendy v přijímání SSD disků

Celkový rámec přijímání SSD disků je následující: SSD NAND disky mají úspěch v penetraci na trh ukládání dat ve dvou rozdílných oblastech: na nejnižší a nejvyšší úrovni. Na low-end úrovni jsou úspěšné MLC NAND flash paměti, protože nabízejí nízkou cenu a malé provedení, jichž harddisky dosáhnout nemohou. Na vysoké úrovni existují pro servery takové zátěže, že jedinou alternativou k obsluhování z RAM jsou SLC SSD disky. Z toho důvodu jsou low-end i high-end SSD disky ekonomicky schůdné a již se využívají – každý ve svém charakteristickém stylu využití SSD technologie. Jak se budou dlouhodobější tlaky na přechod k SSD časem stupňovat, budou tyto oblasti již pevněji usazené a tlaky tak budou směřovat do středu: ke stolním počítačům a notebookům.

V současné době jsou známé SATA SSD disky, které si koupíte na portálu newegg v podivném postavení – nemohou harddiskům konkurovat v ceně za bit a od základu jsou limitovány výkonnostními možnostmi jejich rozhraní. Všechny základní aspekty se sice stále zlepšují, ale dokud nebude dosaženo prahového bodu, kdy se ceny alespoň nějak vyrovnají, lze očekávat pouze pomalé zlepšování přijetí SSD disků. Jakmile se však tato prahová hodnota překročí, může rychle dojít k celé záplavě změn.

Poté, co tento přechod bude v plném rozmachu – a do určité míry i dříve – se začne měnit i infrastruktura ukládání dat. Softwarové aplikace budou optimalizovány pro zápis plných bloků a souborové systémy naopak pro rozdělování sektorů vhodné pro NAND paměti. Budou vytvořena nová rozhraní pro budoucí disky zaměřená alespoň zčásti na SSD. Formát 1,8″ by se mohl stát více oblíbeným, protože dokáže pojmout užitečnou kapacitu SSD disků. Jakmile se tyto optimalizace dokončí, bude přechod k SSD zajištěn.

Rekviem pro plotnu: harddisky v dlouhodobém pohledu

Disky SSD a HDD nebudou na počítači nebo notebooku průměrného uživatele existovat společně po dlouhou dobu. Nikdy v historii výpočetní techniky nemělo významné procento počítačů více disků a notebooky s možností připojit SSD jsou obvykle navrženy jen pro jeden disk. Harddisky tak budou odsouzeny k low-end oblasti a následně budou cenově vytlačeny z trhu spotřebních počítačů.

Harddisky zůstanou v kurzu pro pomalé ukládání velkých objemů dat, zvláště na síti. Z čistě ekonomického pohledu – pokud jde o kapacitu, nic jim nemůže konkurovat a bude trvat ještě velmi dlouho, než přijde něco, co by tuto situaci mohlo změnit. U HTPC a domácích serverů budou harddisky dominovat ještě dlouho poté, co uvolní cestu SSD diskům ve spotřebních noteboocích a netboocích. A pro malé a střední firmy zůstanou harddisky hlavním médiem v síťových zařízeních pro ukládání dat (NAS – network attached storage).

Ve velmi dlouhodobém výhledu je obraz podstatně méně zřetelný. Je možné, že si harddisky dále udrží svůj náskok před SSD v závodě o cenu, takže dichotomie mezi rychlostí a objemem bude přetrvávat ještě dlouho. Rovněž je možné, že cena SSD se sníží natolik, že harddisky zastarají úplně – a my budeme mít výpočetně datový ekosystém, jehož veškeré součásti budou vyrobeny z tranzistorů. Anebo je možné, že nějaká novější technologie nahradí jednu nebo obě dvě z těchto možností.

SSD je složitý svět. Cesta do současné doby, kdy jsme na hraně budoucího mohutného přechodu, byla dlouhá, nicméně budoucí cesta bude ještě stále velmi spletitá.