Vše, co jste chtěli vědět o SSD

Vývoj SSD - Kdo byl první?

Pokusme se nyní trochu zapátrat a zjistit, kdo byl opravdu první. Není to tak jednoznačné, jak by se mohlo zdát.

Pomíjíme použití polovodičové paměti, nazývané rovněž SSD v superpočítačích IBM v 70. letech i počin firmy StoragTek z roku 1978, zvaný první moderní solid-state disk, neboť používaly jiný typ paměti. První disk solid-state typu s použitím flash paměti představila v roce 1995 izraelská firma M-Systems, specializující se na flashové čipy. Koncem roku 2003 začala stejná společnost bez velkého vzruchu nabízet flash disky o velikostech 2,5 i 3,5 palce, s rozhraními IDE a SCSI, které označovala zkratkou FFD (Fast Flash Disc). Kapacita těchto zařízení začínala na 512 MB a dosahovala až úctyhodných 47GB.

O rok později ještě navýšili maximální kapacitu na 90GB. V roce 2005 se objevil další výrobek tohoto druhu od SimpleTech s názvem Zeus SATA SSD. Jak označení produktu napovídá, byl již nabízen s rozhraním SATA a označován jako Solid State Drive. Produkty obou těchto firem měly vynikající udávanou životnost (M-Systems a SimpleTech – 5 mil. resp. 2 mil. cyklů zápis/smazání).

Nedosahovaly ještě příliš závratných přenosových rychlostí (30 resp. 60 MB/s) ovšem jejich cena byla téměř astronomická – např.: FFD M-Systems 47 GB stál v roce 2003 v přepočtu 780 tis. Kč!. Je tedy jasné, že taková paměťová média nebyla určena pro běžné uživatele a nepovažujme je ještě za relevantní náhradu mechanických pevných disků. Izraelským inženýrům však nemůžeme upřít jejich pionýrské zásluhy v tomto segmentu.
V našich luzích a hájích se o náhradě harddisků paměťovými začalo více diskutovat v roce 2006, po veletrhu CeBIT. Důvodem byla prezentace korejského gigantu Samsung, který již v roce 2005 předeslal, že je připraven vypustit první SSD pevné disky, založené na paměťové technologii NAND. Na zmíněné prezentaci v německém Hannoveru představil Samsung dva modely notebooků, které ve svých útrobách již nesly Solid State disky. Jednalo se o modely velikosti 1,8“ s kapacitou 16 a 32 GB. Rychlostí čtení 57 MB/s a zápisu 32 MB/s na tom nebyly disky rozhodně špatně oproti stávajícím mechanickým pevným diskům srovnatelných parametrů.

SSDéčko v podání Samsungu vážilo pouhých 15 g, za běhu spotřebovalo jen 0,5 W a bylo schopno pracovat v rozmezí teplot -20 až 80°C. Cena těchto disků byla v dané době stále příliš vysoká, přesto považujme přínos korejských vývojářů v oblasti solid-state disků za průlomový. Představili totiž tuto technologii jako první v zařízení pro běžného uživatele a odstartovali tím novou éru ukládání dat. Ostatní výrobci na sebe nenechali dlouho čekat.

Další významnou událostí pro rozšíření solid-state disků na uživatelský trh byl projekt OLPC (One Laptop Per Child). Levný, stodolarový notebook XO, určený do zemí třetího světa na podporu počítačové gramotnosti, byl od počátku osazován 1GB SLC NAND flash čipem. Jeho masová výroba začala koncem roku 2007. V tomto roce představily svá SSD řešení i další firmy. Dell přišel s modelem Latitude D430, v němž se data ukládala na 32GB paměťový disk od SanDisku. Na veletrhu CES 07 v Las Vegas se objevily SSD disky o kapacitách 32, 64 a 128 GB od tchaj-wanské A-Data nebo 1,8“ 32 GB verze San Disku. A tak dále, a tak dále...

Dnes si Solid State disky nacházejí své místo hlavně v mobilních přístrojích, jako jsou UMPC (Ultra-mobile PC), Tablet PC, laptopy s důrazem na delší životnost baterie nebo uživatelsky nenáročné mini notebooky (Asus EEE, 2 – 20 GB SSD).

Věděli jste, že .. cena za 1MB flash paměti byla v roce 2006 kolem 0,05 USD zatímco za 1MB HDD 0,0001 USD! Přitom v té době byla dostupná kapacita harddisků 400GB, flashdisky dosahovaly na pouhých 128MB!

Trendy ve vývoji SSD

Shrneme-li si údaje z předchozí kapitoly, zjistíme, že vývoj SSD disků za poslední tři roky postoupil vpřed mílovými kroky a téměř dohnal padesátiletou éru HDD disků. Chceme-li pochopit, jaká síla pohání výrobce tímto tempem, musíme se zaměřit na klíčové vlastnosti NAND technologie a její trendy. Dalo by se stručně odpovědět, že hnací sílou je určitá mezera na trhu a profit, ale to by byl článek příliš krátký.

Kapacita solid-state disků je prozatím jejich mírnou nevýhodou proti harddiskům. Technologie kolmého zápisu u pevných disků zaručuje hustotu dat až do 1 Tb na čtverečný palec. To je přibližně 10násobek předešlé formy zápisu (podélný). Můžeme si spočítat, že dnešní 500 GB 2,5“ HDD disky se pozvolna blíží maximu, které kolmý zápis dokáže. Výrobci však mají v záloze H/T AMR (Heat/Thermal Assisted Magnetic Recording), které zvyšuje jejich hranici až na 50 Tb!

Hustota dat u NAND pamětí se přepočítává na TSOP (Thin small-outline package), což je v podstatě standardní rozměr daného typu čipu a tento konkrétně je nejpoužívanější. Současná hodnota u SLC komponentů dosáhla 64Gb při použití čtyř 16Gb vestavěných matic (podobně jako čtyřjádro u procesorů). Vývoj se prozatím ubírá dvěma směry. Lze mírně zvýšit výšku čipu, čímž se hustota zdvojnásobí při zachování počtu „jader“. Nové způsoby výroby vývojářům umožní i druhou alternativu – dvojnásobný počet matic. Toshiba už se dokonce nedávno pochlubila, že umí vyrobit čipy novou 32nm technologií.

2010: Jednoznačným trendem ve zvyšování efektivity paměťových buněk se jeví zmenšování výrobní technologie. Všichni máme ještě v živé paměti nástup 2. generace SSD disků Intel z přelomu roku 2009/10, kde výrobce výrazně propagoval přechod na 34nm technologii a ostatní postupně následují. Hned v únoru pak společnost IM Flash Technologies (Intel + Micron) oznámila první funkční vzorky 25nm MLC NAND flash čipů s kapacitou 8 GB. Vyrobený 8GB MLC NAND flash čip má plochu pouze 167 mm2, což je méně než u 34nm čipu s kapacitou 4 GB (172 mm2). Jejich nasazení se očekává v třetí generaci SSD, která má přijít na trh během prvního čtvrtletí příštího roku. Předpokládají se kapacity až 600 GB.
MLC typ pamětí dokáže uložit 2 – 3 bity do jedné buňky. Dodavatelé tak mohou v dnešních podmínkách dosáhnout kapacity 512GB až 1TB. Takové disky byly dokonce předvedeny na letošním CeBITu společností OCZ. Toshiba má první vlaštovku již v nabídce.

2010: Zvyšování počtu bitů v jedné buňce čipu MLC je další trend, který můžeme v letošním roce sledovat. Tato technika se zatím úspěšně rozvíjí na poli paměťových karet (např. Sandisk, IM i Samsung), využití v discích SSD ovšem není vyloučeno. Pokud se tedy setkáte s označením TLC, vězte, že se jedná o paměti schopné udržet v jedné buňce 3 bity (Triple-Level Cell).

Rok	Výrobce	Technologie	Zdroj
2008	SanDisk & Toshiba	56 nm, 3 bit / buňka	ISSCC
2009	SanDisk & Toshiba	43 nm, 4 bit / buňka	ISSCC
2009	SanDisk & Toshiba	32 nm, 3 bit / buňka	ISSCC
2009	Hynix	48 nm, 3 bit / buňka	Tisková zpráva výrobce
2009	Intel Micron	34 nm, 3 bit / buňka	Tisková zpráva výrobce
2009	SanDisk	43 nm, 4 bit / buňka	Tisková zpráva výrobce
2009	Samsung	35 nm, 3 bit / buňka	Tisková zpráva výrobce

Ach ta cena!

I zde se možná blýská na lepší časy. Vývoj cen NAND pamětí zaznamenal v posledních letech velmi příznivý trend pro konečné uživatele. Zatímco 8GB SLC SSD disk byl v roce 2004 prodáván za cca 4000 USD, dnes pořídíme 16GB MLC verzi za 200 USD. To znamená, že za 4 roky jsme se dostali na dvacetinu ceny při zdvojnásobení kapacity. Dramatický pokles poměru cen MLC vůči SLC čipům způsobila současná poptávka v segmentu spotřební elektroniky (např. Apple upřednostňuje tyto flashe před HDD v iPhonech i IPodech) a podíl výroby nyní dělá 90 % ku 10 %.

Konkurenčnímu prostředí na poli výroby NAND pamětí vévodí již léta Samsung s loňským podílem 40%. Následoval společný podnik SanDisku a Toshiby – FlashVision, dále Hynix a IM Flash (Intel a Micron). Situaci se nedávno rozhodly změnit společnosti NEC a Renesas, které ohlásily plánovanou fúzi. Zákon nabídky a poptávky spolu s konkurenčním bojem i zde pracuje na výbornou.

A co spolehlivost?

Na toto téma by se jistě rozpoutala žhavá diskuze s rozporuplným výsledkem. Osobní názory ponecháme stranou a raději vysvětlíme, co tyto rozpaky způsobuje. Spolehlivost NAND čipů, tedy i SSD disků, je definována odolností (endurance) a dobou uchování dat (data retention). Mnohonásobné zapisování a mazání dat způsobuje opotřebení paměťových buněk. Proto ve vztahu odolnosti vůči době uchování dat existuje nepřímá úměra – čím větší počet zápisů a mazání, tím kratší doba uchování dat.

Výrobci se pochopitelně snaží zvyšovat obě kriteria za pomoci různých technik, jako např. wear leveling, error correction, storage management. První zmíněná se stará o rovnoměrné opotřebení jednotlivých buněk. Pracuje za pomoci předem stanoveného algoritmu podle plánovaného využití. Jednoduše řečeno, u méně náročných aplikací se předpokládá menší opotřebení, proto je nastavena menší úroveň wear leveling (udává se v %).

Na podobném principu, ale s bloky dat pracuje storage management. Vadné bloky jsou označeny do tabulky, volné bloky jsou použity pro wear leveling nebo pro zápis/ mazání, čímž se zvyšuje odolnost systému. Poměr volných bloků je znovu dán předem dle využití SSD. Pro běžnou činnost se stanovuje 1 – 2%, ale může dosahovat i 50% pro náročná řešení.
Pro běžné komerční využití solid–state disků v blízké budoucnosti nepředpokládáme převratné novinky, co do spolehlivosti (i když výrobci jistě usilovně pracují). Více se dá očekávat marketingový boj mezi výrobci. Aby zvýšili konkurenceschopnost SSD vůči HDD, začali přepočítávat dobu životnosti z cyklů na čas dle nejrůznějších vzorců. Tyto vzorce se snaží sjednotit koncept LDE (Longterm Data Endurance) firmy SanDisk. Ten stanovuje tři základní kategorie využití - profesionální, studentské a osobní a definuje pro každou maximální počet zápisů (udává se v TBW – terabytes written). Výsledný vzorec pak počítá i s kapacitou disku a maximální rychlostí zápisu.

TRIM

2010: Převratné novinky ovlivňující spolehlivost jsme sice nečekali, přesto koncem roku 2009 jedna přišla. "Převratná" tedy spíše do té míry, jak byla prezentována výrobci, přesto jí její vliv na prodloužení životnosti upřít nemůžeme. Jde o nový příkaz, zvaný TRIM, který vylepšuje komunikaci mezi operačním systémem a řadičem SSD. Šetří tak solid-state diskům práci s identifikací volných buněk před zápisem a zamezuje nebo významně oddaluje pozvolnou degradaci jejich výkonu. Operace s příznakem TRIM pomáhají SSD disku snížit míru opotřebení (wear-levelling) vhodnějším rozložením zápisu dat do uvolněných bloků. Ostatně jeho vliv na práci paměťových disků můžete posoudit v našem praktickém testu.