Существует мнение, что значительным недостатком твердотельных накопителей является невысокая надежность. Это действительно так. Из-за ограниченного ресурса флэш-памяти, обусловленного деградацией полупроводниковой структуры, любой твердотельный накопитель рано или поздно утрачивает свою способность к хранению информации. Вопрос только в том, когда это произойдет. Для многих пользователей это ключевой момент. Многие покупатели при выборе твердотельных накопителей руководствуются не только уровнем быстродействия, но и показателями надежности. Сами производители подливают масла в огонь. Из маркетинговых соображений они в условиях гарантии на свою продукцию оговаривают относительно небольшие объемы разрешенной записи. Однако на практике массовые твердотельные накопители демонстрируют более чем достаточную надежность, так что им вполне можно доверить хранение пользовательской информации. Сайт Tech Report некоторое время назад проводил эксперимент, который показал отсутствие реальных причин для беспокойства за конечность ресурса твердотельных накопителей. В ходе эксперимента было выполнено тестирование, которое показало что, выносливость SSD, несмотря на все сомнения, выросла настолько, что о ней можно вообще не задумываться.
В рамках эксперимента практически было подтверждено, что большая часть потребительских накопителей способна перенести запись около 1 Пбайт информации до своего отказа. Особенно удачные модели, например Samsung 840 Pro, остаются в живых даже после 2 Пбайт информации. В условиях работы с обычным персональным компьютером такие объемы записи практически недостижимы. Поэтому срок жизни твердотельного накопителя просто физически не сможет закончиться до того момента, как он морально устареет и будет заменен более новой моделью. Но данное тестирование не смогло убедить скептиков. Проблема в том, что тестирование проводилось в 2013-2014 годах, когда в основном использовались твердотельные накопители, построенные на базе планарной памяти MLCNAND, изготовленной по 25-нм технологическому процессу. До своей деградации такая память способна переносить около 3000-5000 циклов программирования-стирания. Сейчас уже используются совершенно другие технологии. В массовые модели твердотельных накопителей пришла флэш-память с трехбитовой ячейкой. Современные планарные технологические процессы используют разрешение 15-16 нм.
Вместе с тем параллельно распространение получает флэш-память с принципиально новой трехмерной структурой. Любой из перечисленных факторов может в корне изменить ситуацию, связанную с надежностью. В сумме современная флэш-память обещает ресурс всего 500-1500 циклов перезаписи. Неужели вместе с памятью будут ухудшены и накопители? Неужели снова нужно будет начать переживать за их надежность? Скорее всего, все не так плохо. Все дело в том, что наряду с изменением полупроводниковых технологий происходит совершенствование контроллеров, отвечающих за управление флэш-памятью. В них внедряются новые более совершенные алгоритмы, которые компенсируют изменения, происходящие в NAND. Производители уверяют, что актуальные модели SSD не менее надежны, чем предыдущие. Но тем не менее, повод для сомнений все-таки есть. Даже на психологическом уровне накопители на основе старой 25-нм MLCNAND с 3000 циклами перезаписи выглядят основательнее, чем современные модели твердотельных накопителей с 15-16-нм TLCNAND, которая способна гарантировать всего 500 циклов перезаписи. Набирающая популярность TLC 3DNAND тоже не слишком обнадеживает, хотя производится по более крупным технологическим нормам. Она подвержена более сильному взаимному влиянию ячеек. Мы решили провести эксперимент, который позволяет определить выносливость современных моделей накопителей, основанных на наиболее ходовых в настоящее время типах флэш-памяти.
Контроллеры решают все
Срок жизни накопителей, построенных на базе флэш-памяти, уже не вызывает удивления. Одной из основных характеристик памяти типа NAND является гарантированное количество циклов перезаписи, после превышения которого ячейки могут отказывать или искажать информацию. Это объясняется принципом работы такой памяти. Он основан на захвате электронов и хранении заряда внутри плавающего затвора. Ячейки меняют свое состояние за счет приложения относительно высоких напряжений к плавающему затвору. В результате электроны преодолевают тонкий слой диэлектрика в одну и другую сторону и задерживаются в ячейке. Такое перемещение электронов напоминает прибой. Со временем оно изнашивает изолирующий слой, что в конечном итоге может привести к нарушению полупроводниковой структуры. Существует еще одна проблема, которая влечет за собой постепенное ухудшение характеристик ячеек. В случае возникновения туннелирования электроны могут застревать в слое диэлектрика и тем самым препятствовать правильному распознаванию заряда, который хранится в плавающем затворе. Это означает, что со временем ячейки флэш-памяти неизбежно перестанут нормально работать. Новые технологические процессы только усугубляют проблему: с уменьшением производственных норм слой диэлектрика становится тоньше, что снижает его устойчивость к негативным воздействиям. Неверно было бы говорить о том, что существует прямая зависимость между ресурсом ячеек флэш-памяти и продолжительностью жизни современных твердотельных накопителей. Работа твердотельного накопителя не представляет собой прямолинейную запись и чтение в ячейках флэш-памяти.
Память NAND имеет довольно сложную организацию. Для взаимодействия с ней нужны специальные переходы. Ячейки объединяются в страницы, а страницы в блоки. Запись данных можно осуществлять только в чистые страницы. Чтобы очистить страницу, придется сбросить целиком весь блок. Это означает, что запись и изменение данных превращается в сложный многоступенчатый процесс, который включает в себя чтение, изменение страницы и повторную перезапись в свободное место, которое предварительно должно быть очищено. Отдельным вопросом является подготовка свободного места. Она требует «сборки мусора», то есть формирования и очистки блоков из страниц, которые уже были в использовании, но стали неактуальными. Реальные объемы записи во флэш-память могут значительно отличаться от объема операций, инициируемых пользователем. К примеру, изменение одного байта информации может повлечь за собой не только запись целой страницы, но и перезапись сразу нескольких страниц для того, чтобы предварительно освободить чистый блок. Коэффициентом усиления записи называется соотношение между объемом записи, совершаемой пользователем, и фактической нагрузкой на флэш-память. Как правило, этот коэффициент выше единицы, в некоторых случаях даже намного. За счет буферизации операций и других интеллектуальных подходов современные контроллеры могут эффективно снижать усиление записи. Такие технологии для продления жизни ячеек, как выравнивание износа и SLC-кэширование, получили большое распространение. Они, с одной стороны переводят часть памяти в щадящий режим SLC и используют ее для консолидации мелких операций, а с другой помогают сделать более равномерной нагрузку на массив памяти, предотвращая при этом излишние процессы многократной перезаписи одной и той же области. В результате сохранение одного и того же количества пользовательских данных с точки зрения массива флэш-памяти может вызывать различную нагрузку. В каждом конкретном случае все будет зависеть от алгоритмов, используемых микропрограммой и контроллером.
Еще одной стороной этого вопроса являются технологии сборки мусора и TRIM. В целях повышения производительности они предварительно подготавливают чистые блоки страниц флэш-памяти. Таким образом, они могут переносить данные с места на место без участия пользователя и тем самым вносят немалый дополнительный вклад в износ массива NAND. Во многом конкретная реализация этих технологий зависит от контроллера. Могут быть значительные различия в том, как твердотельные накопители распоряжаются ресурсом собственной флэш-памяти. Все это в итоге означает, что практическая надежность двух разных накопителей с одинаковой флэш-памятью может сильно отличаться за счет внутренних оптимизаций и алгоритмов. Говоря о ресурсе современных твердотельных накопителей, необходимо понимать, что данный параметр определяется ни сколько выносливостью ячеек памяти, сколько тем, как с ними обращается контроллер. Алгоритмы работы контроллеров твердотельных накопителей постоянно совершенствуются.
Разработчики стараются оптимизировать объем операций записи в флэш-памяти, а также занимаются внедрением эффективных методов коррекции ошибок чтения и цифровой обработки сигналов. Некоторые также прибегают к выделению обширной резервной области на твердотельном накопителе. За счет этого получается дополнительно снизить нагрузку на ячейкиNAND. Это все оказывает влияние на ресурс. Таким образом, можно сказать, что производители твердотельных накопителей имеют в своем распоряжении множество рычагов влияния на итоговую выносливость своей продукции. Ресурс флэш-памяти в этом уравнении всего лишь один из параметров. Именно по этой причине проведение тестов выносливости современных твердотельных накопителей вызывает такой интерес, несмотря на повсеместное внедрение NAND памяти с относительно низкой выносливостью. Современные модели необязательно должны иметь меньшую надежность по сравнению с предыдущими накопителями. Хлипкость современной флэш-памяти вполне можно компенсировать за счет использования более совершенных контроллеров и методов их работы. Именно этим и интересно исследование актуальных потребительских твердотельных накопителей. По сравнению с твердотельными накопителями прошлых поколений неизменным остается тот факт, что ресурс SSD в любом случае конечен. Наше тестирование должно показать, насколько он поменялся за последние годы.
Методика проведения тестирования
Принцип тестирования выносливости твердотельных накопителей SSD на самом деле очень прост: нужно только непрерывно перезаписывать данные на накопителях, пытаясь установить предел их выносливости. Но простая линейная запись не соответствует целям тестирования. Ранее мы уже говорили о том, что в современных твердотельных накопителях используется множество различных технологий, направленных на снижение коэффициента усиления записи. Также по-разному могут осуществляться процедуры выравнивания износа и сборки мусора. По этой причине правильнее будет взаимодействовать с твердотельным накопителем через файловую систему с примерным повторением реальных операций. Тогда мы сможем получить результат, который обычные пользователи могут брать за ориентир. При проведении теста выносливости мы использовали отформатированные накопители с файловой системой NTFS, на которых непрерывно и попеременно создавались файлы двух типов: маленькие со случайным размером от 1 до 128 Кб и крупные с размером от 128 Кб до 10 Мб.
Эти файлы в процессе проведения тестирования множатся до тех пор, пока на накопителе не остается 12 Гб свободного места. По достижении данного порогового значения созданные файлы удаляются, делается небольшой перерыв, а затем весь процесс снова повторяется. Вместе с тем на испытываемых накопителях присутствует одновременно и третий тип файлов – постоянный. Эти файлы, объемом 16 Гб, не участвуют в процессе стирания-перезаписи. Они используются для проверки правильной работоспособности накопителей, а также для стабильной читаемости хранимых данных. Мы проверяем контрольную сумму этих файлов на каждом цикле заполнения SSD и сверяем ее с эталонным значением. Тестовый сценарий выполнялся при помощи специальной программы Anvil’s Storage Utilities версии 1.1.0. Мониторинг состояния накопителей осуществлялся при помощи утилиты Crystal Disk Info 7.0.2. В качестве тестовой системы использовался компьютер с материнской платой ASUS B150M ProGaming, процессором Corei5-6600, встроенным графическим ядром Intel HD Graphics 530 и 8 Гб ОЗУ типа DDR4-2133 SDRAM. Приводы с интерфейсом SATA подключаются к контроллеру SATA6 Гбит/с, который встроен в чипсет материнской платы. Работают они в режиме AHCI. На настоящий момент перечень моделей твердотельных накопителей, принимающих участие в тестировании, включает:
— King Dian S280 240 Гб;
— Crucial MX 300 275 Гб;
— OCZ Trion 150 240 Гб;
— Plextor M7V 256 Гб;
— Toshiba OCZ VX500;
— Samsung 850 PRO 256 Гб;
— Samsung 750 EVO 250 Гб;
— Samsung 850 EVO 250 Гб;
— Smartbuy Revival 2 240 Гб;
— Smartbuy Ignition PLUS 240 Гб;
— Smartbuy Splash 2 240 Гб;
— Western Digital Green SSD 240 Гб;
— Western Digital Blue SSD 250 Гб;
— Transcend SSD 37OS 256 Гб.