Komparativna analiza sekundarnih memorija poređenje tvrdog diska sa poluprovodničkim diskom

Transcription

1 INFOTEH-JAHORINA Vol. 13, March Komparativna analiza sekundarnih memorija poređenje tvrdog diska sa poluprovodničkim diskom Nikola Davidović, Dijana Kosmajac Elektrotehnički fakultet Univerzitet u Istočnom Sarajevu Istočno Sarajevo, RS, BiH nikola.davidovic@etf.unssa.rs.ba, dijana.kosmajac@etf.unssa.rs.ba Sadržaj Koncept izrade sekundarnih memorija se veoma sporo mijenja, pogotovo kada je riječ o tvrdim diskovima. Potreba za povećanjem brzine upisa i čitanja, mehaničke elemente tvrdih diskova često dovodi do krajnjih granica, pri čemu nastaju otkazi, a time i gubici skladištenih informacija, što u nekim slučajevima može imati fatalne posljedice. Uvođenjem novih tehnologija, kao što su poluprovodničke memorije, dolazi do promjene u realizaciji sekundarnih memorija. Na tržištu se pojavljuju Solid State Drive (SSD) kao odgovor na potrebu za boljim performansama sekundarnih memorija. SSD uređaji, sačinjeni od fleš memorijskih NAND čipova, svakodnevno povećavaju udio u tržištu kao konkurencija već postojećoj HDD tehnologiji radi svoje pouzdanosti i brzine. U radu će biti izvršena uporedna analiza dvije tehnologije, tj. standardnih HDD diskova i novih SSD diskova, sa aspekta performansi, karakteristika i cijene. Ključne riječi SSD, HDD, performanse I. UVOD Napretkom i razvojem računarstva javlja se sve veća potreba za bržom obradom rastuće količine podataka. Pored obrade, podatke je potrebno skladištiti i čuvati, pri čemu je potrebno obezbijediti što brži pristup tim podacima. Razvoj elektronike omogućio je da novi elektronski medijum za skladištenje podataka Solid Stata Drive - SSD danas predstavlja alternativu Hard Disk Drive- HDD. Još od prve pojave HDD (IBM g) uređaj se stalno unapređivao u pogledu cijene, kapaciteta i vremena prenosa. Međutim zbog njegovog mehaničkog načina rada, u pogledu brzine pristupa podacima, HDD je postigao svoj maksimum. Upravo je jedan od glavnih razloga za pronalaženje alternative tradicionalnom magnetnom hard disku HDD brži pristup podacima. Prva generacija SSD diskova, koja se komercijalno počela proizvoditi oko godine imala je veoma visoku cijenu i veliki broj nedostataka. Druga generacija SSD diskova pojavila se oko godine pri čemu su unaprijeđene brzine čitanja i upisa, dok je jedan broj nedostataka otklonjen. Cijena ovih SSD diskova je bila nešto niža u odnosu na prvu generaciju. Borislav Đorđević, Valentina Timčenko Institut Mihajlo Pupin, Univerzitet u Beogradu Beograd, Srbija bora@impcomputers.com, valentina@kondor.imp.bg.ac.rs Ubrzo nakon pojavljivanja SATA 3 standarda, pojavljuju se i prvi proizvođači koji nude brzine iz opsega ovog standarda. Pored ovog poboljšanja, i cijena SSD diskova je dodatno snižena.povećanje upotrebe poluprovodničkih diskova (SSD) za dopunu ili zamjenu HDD diskova je jedan od najznačajnijih razvoja u arhitekturi računara u posljednjih nekoliko godina. II. CILJ I MOTIV RADA Cilj rada je da se na sistematičan način ukaže na prednosti, odnosno nedostatke trenutno dostupnih HDD i SSD uređaja. U daljem istraživanju u planu je uraditi testiranje performansi nekih SSD i HDD uređaja, kao i mogućnost kombinovanja istih. III. PRINCIP RADA HDD UREĐAJA Hard disk (HDD) je uređaj čija je osnovna uloga čuvanje i skladištenje podataka. Na njima se razlikuje elektronski i mehanički dio. Mehanički dio HDD uređaja je upravo i onaj dio uređaja od kog najviše zavise performanse hard diska, a sastoji se od 5 glavnih dijelova: Magnetna ploča Glava za čitanje/pisanje Pobuđivačka kazaljka (aktuatorska ruka) Pobuđivač (aktuator) Osovina Sa aspekta elektronske organizacije HDD, razlikuju se: Elektromagnetna glava za čitanje/pisanje zadužena za upisivanje i čitanje podataka sa HDD. Postoje diskove sa fiksnim glavama (jedna glava za čitanje-upisivanje po stazi) i sa pokretnim glavama (postoji samo jedna glava za čitanje i upisivanje). Staze površina diska sadrži koncentrične staze. Broj staza zavisi od osjetljivosti mehaničkih dijelova unutar uređaja. Cilindri sve staze koje se nalaze na istoj vertikali tj. staze istog rednog broja na svim pločama HDD

2 Sektori svaka staza podijeljena je na pojedinačne segmente. Njih čine nizovi pravih linija koje sijeku ploču prolazeći kroz centar ploče (prečnika). To je ujedno i najmanja jedinica diska kojoj se može pristupiti. Svi sektori skladište jednak kapacitet podataka bajtova[4]. Kada je riječ o performansama HDD uređaja najbitnije su sljedeće specifikacije uređaja: Vrijeme traženja predstavlja vrijeme u kojem glava pronalazi cilindar tog sektora. Ovo vrijeme zavisi od broja staza koje glave moraju da pređu. Vrijeme čekanja predstavlja vrijeme koje je potrebno da se glava pozicionira iznad sektora odnosno da taj sektor obrtanjem ploča diska dođe pod glavu za čitanje/upisivanje. Ovo vrijeme zavisi isključivo od brzine obrtanja osovine. Neka vremena čekanja data su u tabeli 1. Vrijeme pristupa jednako je zbiru vremena traženja i vremena čekanja. Ovo vrijeme na savremenim HDD uređajima je ispod 10ms. Brzina obrtanja osovine (o/min) Tabela 1Brzina obrtanja ploča i vrijeme čekanja Prosječno vrijeme čekanja (ms) Najduže vrijeme čekanja (ms) ,3 16, ,6 11, ,2 8, ,0 6, ,5 5, ,5 3,0 Disk koji trajno skladišti podatke u fleš memorijskim čipovima se nazivaju SSD (Solid State Drive). Za razliku od HDD, gdje se podaci čuvaju u magnetnom obliku, na SSD podaci se čuvaju u elektronskom obliku. Upravo je ova činjenica i razlog zašto je SSD osjetno brži u odnosu na HDD. Kod SSD nije potrebna konverzija električnog oblika informacije u magnetni oblik i obrnuto. Samim tim vrijeme prenosa je kraće nego kod HDD. Osim toga SSD ne posjeduje pokretne mehaničke dijelove, za razliku od HDD. S obzirom na ovu činjenicu kod SSD ne postoji vrijeme pozicioniranja i rotaciono kašnjenje, već samo vrijeme prenosa. Pored interfejsa ka matičnom sistemu (najčešće SATA interfejs) SSD sadrži komponente [3]: Fleš memorija Kontroler Bafer/keš za podatke Adresiranje Ispravljanje grešaka. Razlikuju se dva tipa fleš memorija: NOR i NAND. Fleš memorije NOR tipa prve su se pojavile, a njihovu komercijalizaciju pokrenuo je Intel. NAND tip fleš memorije je predstavljen 1989 godine od strane Samsunga i Toshibe. U posljednjih nekoliko godina ovaj tip fleš memorije doživio je izuzetnu ekspanziju. S obzirom da NAND koristi veću gustinu po bitu i veću brzinu upisivanja nego NOR, ovaj tip fleš memorije je preovladao kako u USB fleš uređajima i memorijskim karticama, tako i u SSD uređajima. Fleš NAND memorija je dostupna u tri različite vrste memorijskog pakovanja: SLC (Single Level Cell) MLC (Multi Level Cell) TLC (Triple Level Cell) Jeftiniji su SSD diskovi koji koriste MLC čipove, dok su skuplji oni koji koriste SLC. Glavna razlika je u tehnologiji memorijskog pakovanja. Zbog gušćeg memorijskog pakovanja u jedan MLC čip se smjesti više podataka nego u jedan SLC čip. Razlog tome je što kod SLC čipova, u jednom taktu upisa, u čip se upisuje samo jedan bit podatka, dok se kod MLC čipova u jednom ciklusu upisuje više bitova podataka. Slika 1. Unutrašnjost HDD i SDD[2] IV. PRINCIP RADA SSD UREĐAJA U posljednjih nekoliko godina poboljšanjem performansi fleš memorije su evoluirale do trenutka kada je postalo izvodljivo upotrebiti je kao zamjenu za HDD. Nedostatak MLC čipova u odnosu na SLC je u tome da imaju kraći životni vijek u odnosu na SLC čipove. Razlog je taj što MLC u odnosu na SLC ima veću ograničenost broja upisnih ciklusa. MLC čipovi imaju ograničenje na oko ciklusa upisa, dok se kod SLC čipova taj broj kreće oko ciklusa upisa.!obkopwjkj!nmd!ďjqpwj!qspj{wfefoj! 36.obopnfubstljn! qspj{wpeojn! qspdftpn! jnbkv! phsbojďfokf!ob!tbnp!6/111!djlmvtb/!umd!kf!obknmbēb!

3 ufiopmphjkb! nfnpsjktlph! qblpwbokb! j-! lbp! Ţup! tbnp! jnf! lbſf-! up! usj! cjub! qp! Ĉfmjkj/! Obknbokv! hsbojdv! j{esſmkjwptuj! j! obktqpsjkj! tv! UMD! Ďjqpwj-! bmj! jn! kf! djkfob! v! qpsfēfokv! tb! TMD! j! NMD! ofvqpsfejwp! nbokb/!! Mapiranje loših blokova. Keširanje čitanja i pisanja. Upravljanje čišćenjem pročitanog teksta Enkripcija. Jedan čip memorije tipa SDRAM male potrošnje, koji se koristi da ubrza i uravnoteži brzinu komunikacije između kontrolera i SATA interfejsa predstavlja keš bafer. Veličina memorije ovog čipa u SSD jedinicama je tipično 64 MB, 128 MB ili 256 MB. Međutim, SATA 3 SSD jedinice bazirane na Sand Force kontroleru ne sadrže ovaj čip iz razloga što je brzina kontrolera bliska brzini SATA 3 magistrale, pa mu nije potrebna amortizacija brzine pri upisu ili čitanju. Slika 2. SLC, MLC, TLC rad ćelija (skladištenje podataka)[5] Sb{mjlb! j{nfēv! pwf! usj! ufiopmphjkf! kf! eb! lpe! TMD! Ĉfmjkb! npſf! jnbuj! tbnp! ewb! tubokb! j! up! qsb{ob! jmj! qvob-! epl! lpe! NMD! j! UMD! {bwjtj! pe! ojwpb! qpqvokfoptuj/! Qpsfe! uphb! blp! tf! ufpsfutlj! qpsfef! pwb!usj!obďjob!qblpwbokb!up!cj!{obďjmp!eb!v!peoptv! ob! TMD-! NMD! jnb! ewb! qvub! wfĉj! lbqbdjufu-! epl! UMD! jnb!ďbl!usj!qvub!wfĉj!lbqbdjufu!\6^/! Glavni i najbrži dio SSD uređaja predstavlja kontroler. Njegova uloga je da obezbijedi elektronici da premosti NAND memorijske komponente do glavnog računara. Neke od najpoznatijih kompanija koje proizvode ovu vrstu čipova su Indilinx, Sand Force, Samsung, Intel, Jmicron i Marvell. Organzovanje nizova fleš memorije u kanale kojima se teoretski može pristupiti nezavisno obavljaju kontroleri. Teoretski, kontroleri koji organizuju fleš memoriju u više kanala su brži. Trenutno se broj ovih kanala kreće od 4 do 10. Veza kontrolera sa magistralom može biti preko bafera ili direktno, u zavisnosti od toga da li ima bafer. Kontroler se često naziva i SOC (System On a Chip) i u njemu se nalazi firmware uređaja. Neke od funkcija koje za koje je kontroler zadužen uključuju: Kod za korekciju grešaka ECC. Wear leveling. over-provisioning WA (write amplification) V. FIZIČKA ORGANIZACIJA MEMORIJSKOG PROSTORA UNUTAR SSD Hijerarhijska struktura fizičke organizacije memorijskog prostora unutar SSD jedinice [5-14]: SSD jedinica ima više čipova koji svojim brojem i kapacitetom određuju ukupan kapacitet SSD jedinice. Fizički čip sadrži više ravni. Ravan (plane) čine 1024 bloka. Blok (block) se sastoji od 128 stranica, pa je njegova veličina 128 x 4 KB = 512 KB. Blok predstavlja najmanju memorijsku strukturu koja se može brisati. Stranica (page) je veličine 4 KB i nju čine organizovane grupe ćelija. Stranice predstavljaju najmanju strukturu koja se može očitavati ili na koju se može upisivati. Memorijska ćelija predstavlja osnovnu memorijsku komponentu koja čuva jedan bit podataka u slučaju SLC čipa, dva bita podataka kada je u pitanju MLC čip i tri bita podatka kada je u pitanju TLC čip. VI. OSNOVNE OPERACIJE U SSD U osnovne operacije za funkcionisanje SSD spadaju: Proces čitanja koji je ujedno i najprostiji. Vrši se adresiranjem određene stranice unutar nekog bloka u jednoj od ravni u čipu. Tom prilikom se očitava 4 KB podataka. Proces upisa odvija se isto kao i proces čitanja. Razlika je u tome što se tom prilikom upisuje u stranicu minimum 4 KB podataka. Ono što je važno napomenuti je da svakim novim upisom u neku od stranica, ukupan broj upisnih ciklusa te stranice se smanjuje za jedan. Kada se broj upisnih ciklusa potroši, tj. dostigne određeni broj upisa, tu stranicu više nije moguće brisati i ponovo u nju upisivati. Proces brisanja u odnosu na prva dva procesa, ovaj proces je malo složeniji. Sastoji se od četiri koraka. Prvi

4 korak zahtjeva operaciju čitanja cijelog bloka (512 KB) u internu memoriju, zatim se u drugom koraku u memoriji modifikuju neke od stranica (4 KB). U trećem koraku slijedi operacija samog brisanja cijelog bloka (512 KB) flash-a i u četvrtom koraku operacija ponovnog upisa stranica (4 KB) čiji sadržaj nije mijenjan i novih stranica umjesto starih koje više nisu validne. Proces brisanja uslovljen je zbog činjenice da kod SSD jedinica nije moguće prepisati određenu stranicu, kao što je to moguće kod hard diska. Jedan od razloga je veoma mala površina i veoma kompleksna šema unutar svakog čipa. VII. FUNKCIJE KOJE PRODUŽUJU VIJEK TRAJANJA SSD JEDINICE Tri funkcije koje imaju za cilj da što više produže životni vijek SSD jedinice, a usko su povezane i najviše zavise od samog kontrolera, su: Wear leveling. Over-provisioning WA (write amplification) Kontroler koristeći funkciju wear leveling ima zadatak da koordinira nove upise, tako da se podjednako troše sve stranice. Uvođenje ove funkcije bilo je neophodno zbog ograničenog broja upisnih ciklusa stranica. Zavisno od proizvođača SSD jedinice određeni kapacitet, obično oko 10%, od ukupnog kapaciteta jedinice odvaja se za funkciju over-provisioning. Taj prostor je skriven od korisnika, a jedinica balansira nove upisne cikluse dijelom u slobodne stranice u korisničkom prostoru, a dijelom u overprovisioning zonu. Na ovaj način smanjuje se broj ciklusa brisanja i ponovnog pisanja, čime se ostvaruju dvije prednosti. Prvo, štedi se broj upisnih ciklusa, a drugo, ne gubi se na performansama prilikom datog upisa. Odnos količine podataka zadate kontroleru jedinice na upis i količine podataka stvarno upisane u memorijske ćelije predstavlja WA (write amplification). Ova funkcija je direktna posljedica mogućnosti kompresije podataka. Glavni zadatak WA je da direktno smanjuje broj upisnih ciklusa. Prilikom obavljanja WA funkcije, kontrolor se ne bavi tipom sadržaja, niti njegovom stvarnom ukupnom količinom, već on u trenutku kada je zadat upis podataka preuzima svaki novopristigli blok za upis i pokušava da kompresuje. Uspješnost ove operacije direktno zavisi od tipa sadržaja nad kojim vrši kompresiju. Ukoliko je podatke moguće više kompresovati, sačuvaće se i memorijski prostor jedinice, pa će samim tim i broj stranica na koje se fizički upisuje/prepisuje biti manji, čime se sporije troši ograničen broj upisnih ciklusa, a na kraju se dobijaju i bolje upisne performanse. VIII. MEĐUSOBNO POREĐENJE HDD I SSD Performanse HDD uređaja fokusiraju na karakteristike performansi, kojih gotovo i nema kod SSD uređaja, kao što su vrijeme traženja i vrijeme čekanja. S obzirom na tu činjenicu pristup informacijama kod SSD uređaja je višestruko brži, gotovo trenutan i to od trenutka uključivanja uređaja. Međutim HDD i SSD imaju neke karakteristike koje daju prednost jednoj od tehnologija. U odnosu na HDD diskove SSD diskovi imaju brojne prednosti. Neke od prednosti su: mogućnosti pristupa podacima potpuno elektronski umesto elektromehanički, što dovodi do superiorne brzine transfera i mehaničke izdržljivosti. Značajno su veće performanse U/I podsistema tj. SSD u odnosu na HDD ima visoke performanse ulazno/izlaznih operacija u sekundi (IOPS); Manja osjetljivost na udare i vibracije; Nisu podložni mehaničkom habanju; Magnetno neosjetljivi; Tiši rad; Manja potrošnja. SSD diskovi imaju dva nedostatka, koja se ne sreću kod HDD diskova: 1. Performanse SSD diskova opadaju kako se uređaj koristi proizvođači na različite načine kompenzuju ovo svojstvo fleš memorija npr. prekomjernim snabdijevanjem, komanda TRIM itd. 2. Nakon izvjesnog broja upisivanja fleš memorije postaju neupotrebljive većina fleš memorija sposobna je da procjeni sopstveno preostalo vrijeme ispravnosti, tako da sistemi mogu da predviđaju otkaze. Naravno pored ovoga od velike je važnosti navesti da iako je SSD po karakteristikama pouzdaniji od HDD uređaja, u slučaju otkaza SSD uređaja dolazi do potpunog i kompletnog gubitka podataka. Jedan od način mjerenja performansi SSD uređaja i HDD uređaja jeste brzina transfera podataka pri čitanju i upisivanju. Za NAND flash SSD uređaje postižu se brzine od 100 MB/s do 600 MB/s, dok za klasične HDD uređaje te brzine iznose oko 140 MB/s. Za razliku od hard diskova, gdje najznačajniju ulogu prilikom određivanja cijene ima kapacitet uređaja, kod SSD uređaja, značajnu ulogu ima i IOPS. Ako se posmatraju ovi uređaji po parametru cijena/kapacitet onda veliku prednost ima HDD, dok po IOPS parametrima SSD daleko ispred HDD. IX. ZAKLJUČAK Ako se zanemare navedena dva nedostatka SSD uređaja, jedina trenutna prednost HDD je u pogledu cijene po bitu i kapaciteta, mada se i te razlike smanjuju

5 U zavisnosti od potreba korisnika, još uvijek svoju upotrebu mogu pronaći kako HDD uređaji, tako i SSD uređaji. U slučaju da korisniku nije bitna cijena uređaja, kao i veliki memorijski prostor, a pri tome su mu neophodne brže performanse računara onda je bolje rješenje SSD uređaj. U suprotnom, ako je bitan veliki memorijski prostor, nebitna brzina pokretanja aplikacija i pristupanja podacima, pri čemu se želi uštedjeti novac, onda je, još uvijek, bolje rješenje HDD uređaj. U narednom period za očekivati je pojavu većeg broja tzv. hibridnih uređaja tj. uređaja koji će u sebi sadržati SSD i HDD uređaj. Na SSD komponenti uređaja nalazio bi se operativni sistem i aplikacije, dok bi sami podaci bili čuvani na HDD komponenti uređaja. S obzirom na velike prednosti koje SSD uređaji imaju nad HDD vrlo je vjerovatno da će u skorijoj budućnosti SSD uređaji gotovo u potpunosti zamijeniti HDD. ZAHVALNICA Rad je finansiran od strane Ministarstva prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije (Projekat TR32025, TR32037 i III43002). LITERATURA [1] [2] [3] William Stallings, Organizacija i arhitektura računara, Projekat u funkciji performansi, ISBN (CET) [4] Mark Minasi, Nadogradnja i organizacija računara, ISBN [5] [6] M. Seltzer, G. Ganger, M. McKusick, K. Smith, C. Soules, C. Stein, Journaling versus Soft Updates: Asynchronous Meta-data Protection in File Systems, USENIX Conf. Proc., San Diego, June pp [7] Tweedie S., EXT3, Journaling Filesystem, July [8] A. Mathur, M. Cao, S. Bhattacharya, A. Dilger, A. Tomas, L. Vivier, "The new ext4 filesystem: current status and future plans" in Proceedings of the Linux Symposium, Ottawa, Canada, June [9] Roderick W. Smith, "Migrating to Ext4". DeveloperWorks. IBM, April [10] "Ext4 Howto", [Online]. _and_file_sizes, January [11] First benchmarks of ext4, [Online]. October [12] B. Baude, RAID on Linux on POWER, IBM eserver Solutions Enablement, November [13] A. Thomasian, J. Xu, Reliability and Performance of Mirrored Disk Organizations Computer Journal, January [14] A. Lebrecht, N. Dingle, W. Knottenbel, Analytical and Simulation Modelling of Zoned RAID Systems in Computer Journal, June [15] [16] Valentina Timčenko, Borislav Đorđević, Slobodan Obradović, Nikola Čorni, Uticaj keš disk bafera na performanse SSD diskova, INFOTEH- JAHORINA Vol. 12, March ABSTRACT Secondary memory concept is changing at slow pace, and hard disk technology is representative of such trend. Demand for read and write speed enhancement, very often leads mechanical elements to last limits, where faults may occur and, consequently, may lead to fatal data loss. Introduction of new technologies, including semiconductor memories, led to change in realization of secondary memories. Market got Solid State Drive (SSD) technology as a response to demand for enhanced secondary memory performance. SSDs, made of NAND flash memory chips, gain part in market as competitive to existing HDD technology due to its reliability and speed. The paper presents comparative analysis of two technologies, i.e. standard HDDs and new SSDs, in terms of performance, characteristics and cost. Key words: SSD, HDD, performance SECONDARY MEMORY COMPARATIVE ANALYSIS HARD DISK TO SEMICONDUCTOR DISK COMPARISON Nikola Davidović, Dijana Kosmajac, Borislav Đorđević, Valentina Timčenko