Technologie SSD: co je nového?

SSD a jejich rozhraní

V jedné naší starší recenzi jsme testovali 21 SSD a HDD, mezi nimiž se sešly 2,5" a 3,5" modely s rozhraním Paralel ATA (PATA) a Serial ATA (SATA) a dokonce dvě SSD formátu ExpressCard. Rozhraní PATA je dnes již minulostí a také úložná zařízení ve formě ExpressCard nejsou zrovna rozšířená, stejně jako skomírá jejich formát. A i když oba modely pro ExpressCard interně využívaly rozhraní USB 2.0, jejich formát tak trochu předznamenal budoucnost, neboť je schopen využívat i rozhraní PCI Express. Právě to se stalo záchranou výkonných SSD.

Dnes je ale u spotřebitelských SSD nejvíce využívané rozhraní SATA, a to ve své poslední verzi 6 Gbps (někdy nesprávně označované také jako SATA III) s teoretickou propustností 600 MB/s. Ta byla ještě v roce 2008 nevyužitelná, ovšem netrvalo dlouho a byla naopak brzdou. Jedním z prvních spotřebitelských modelů nabízejících přenosové rychlosti přes 500 MB/s byl Intel SSD 510 a poté se již objevil známý OCZ Vertex 3, jenž znamenal počátek éry kontrolerů SandForce SF-2200 a přenosových rychlostí blížících se k 600 MB/s, čímž se opět dostaly k limitu svého rozhraní.

To samozřejmě neznamená, že jejich vývoj ustrnul. SSD měly a mají dost jiných a závažnějších problémů, o nichž se více zmiňuje již odkazovaný článek, přičemž některé z nich se časem spíše zhoršují, ale o tom později. Co se týče rozhraní, pak po SATA 150, 300 a 600 MB/s bychom logicky očekávali příchod SATA 1200 MB/s, ovšem takové rozhraní tu není, neboť SATA-IO narazilo na problémy při vývoji fyzické vrstvy. SATA 6 Gbps je definováno ve specifikacích SATA revision 3.0, po nichž nenásleduje verze 4.0, ale 3.1 a nejnověji 3.2. Už to napovídá, že nejde o zcela nové verze tohoto rozhraní, ale spíše staré s několika vylepšeními.

SATA nestačí, pomůže PCI Express

Specifikace SATA 3.1 přinesly především formát mSATA využívaný v mobilních zařízeních a příslušný konektor, jenž vypadá jako Mini PCIe. O kondici SSD se zase začal starat známý příkaz TRIM a to bylo v podstatě vše nové, co se týkalo zařízení SSD, čili po dvou letech od představení SATA revize 3.0 jsme se nedočkali žádného navýšení propustnosti.

SATA revize 3.2 přišly až letos v létě a konečně přinesly očekávaný nárůst výkonu, i když ten muselo zajistit jiné rozhraní. Pochopitelně jde o PCI Express, jež se společně s SSD využívá již dlouho, ale nedá se říci, že by byl předtím vytvořen nějaký standard. My jsme se mohli setkat především s produkty společnosti OCZ Technology, a to např. s testovaným OCZ RevoDrive 3 X2. Takováto SSD rozhodně nejsou omezována propustností svého rozhraní, a tak mohou ukázat, co dnešní kontrolery a paměti opravdu dovedou.
Organizace SATA-IO však podporu PCI Express zahrnula do specifikací až nyní, a to představením rozhraní SATA Express. Je tedy jasné, že jde o spojení obou rozhraní, přičemž o vysokorychlostní přenos dat se zde postará čistě jen PCI Express, a to jeho dvě linky verze 3.0. Ty mají teoretickou propustnost 16 Gb/s, čili 2,7x vyšší než SATA 6 Gbps. SATA Express je však také zpětně kompatibilní, takže ho budou moci využívat i zařízení určená právě pro rozhraní SATA.

Zdá se tedy, že je vyřešeno, a to především u mobilních zařízení, která využívají SSD v podobě malých karet už dnes. Co se týče základních desek pro desktopové počítače, u nich také není velký problém využít rozhraní SATA Express s pozicemi přímo na jejich PCB. Však rozhraní mSATA není nic výjimečného ani u dnešních desek, a to nenabízí nad klasickým SATA žádnou výkonnostní výhodu. Ovšem to neznamená, že SATA Express bude pro klasická 2,5" SSD zapovězeno.

Podporu SATA Express totiž přinesou již příští čipové sady firmy Intel, čili série 9 pro procesory Broadwell, přičemž Intel to vyřešil využitím nových konektorů, jež budou ale částečně kompatibilní se stávajícími datovými kabely SATA. Na obrázku dole je modrý konektor pro PCIe a SATA, do nějž budeme moci zapojit jedno rozhraní se SATA Express či případně dvě s rozhraním SATA. Druhý konektor s označením PCIe je pouze pro zařízení komunikující přes toto rozhraní, přičemž konektor vypadá téměř stejně. Jsou v něm ale dva klíče, které umožní zapojení pouze těch správných protějšků. Krom toho pak Intel plánuje toto rozhraní doplnit ještě o ochranu před low-level malwarem.
A jak to vypadá s budoucím vývojem rozhraní SATA Express? Dá se říci, že velmi dobře, neboť v případě potřeby by neměl být velký problém rozšířit počet datových linek a navíc již možná v příštím roce přijde na svět rozhraní PCI Express 4.0, které opět přinese zdvojnásobení propustnosti linek, čili ty zvládnou 16 GT/s namísto 8. Procesory Broadwell s ním však ještě nepřijdou, to až jejich nástupci - Skylake.

Dle organizace SATA-IO tedy rozhraní Serial ATA přežije společně s pevnými disky a optickými mechanikami, zkrátka zařízeními, kterým jeho propustnost bohatě stačí. SSD se ale přesunou k rozhraní PCI Express a oboje může zajistit právě SATA Express.

Formáty, aneb tradice stále svazuje

Ačkoliv SSD nemají žádné plotny, vzhledem k rozšířenosti pevných disků je známe především v přislušných tradičních formátech, a to především v mobilním 2,5". Především mobilní zařízení ale vyžadují stále tenčí komponenty a u SSD není důvod, proč by jejich PCB s elektronikou muselo být obaleno velkým kovovým či plastovým pouzdrem, který nemá s nimi žádnou přímou spojitost. Nicméně to nevypadá, že by přinejmenším v desktopových počítačích měly převládnout jiné formáty nad 2,5", alespoň tedy ne v blízké budoucnosti, čemuž napovídá i vývoj nových konektorů pro SATA Express.

V mobilním světě, kde se hardware stále více integruje na jednu základní desku a modularita zaniká, není však moc důvodů lpět na tradičních formátech. Moduly pamětí RAM jsou dnes již standardně součástí základní desky, a tedy jsou nevyměnitelné a navíc je často nemůžeme ani doplnit pamětí navíc. Nic takového se ale pro SSD naštěstí zatím ještě nechystá, neboť stále půjde o samostatné moduly, jejichž samotná výměna není žádný problém.

Dnes se kromě 2,5" SSD prodávají ještě modely pro rozhraní mSATA, což je mobilní obdoba pro klasické SATA, pouze s výhodou prostorové úspornosti. Jak už jsme uvedli, formát mSATA přišel již ve specifikacích SATA 3.1 z roku 2011 a vypůjčil si pro sebe konektory PCI Express Mini Card (mini-PCIe). Tato rozhraní jsou kompatibilní co se týče velikosti karet a provedení konektoru, ale neznamená to, že každý konektor mini-PCIe je automaticky kompatibilní se zařízeními mSATA.
Logickým východiskem se stal přechod na podobný, ale jinak zcela nový formát, který byl dříve známý jako M.2. Jedná se o Next Generation Form Factor (NGFF), jenž se má stát široce přijmutým standardem šitým na míru právě pro SSD, ovšem nebude určen výhradně jim. Jedná se rovněž o nástupce mini-PCIe, čili se v tomto formátu budou vyrábět i moduly s bezdrátovým rozhraním (Wi-Fi, Bluetooth, WiGig, NFC), moduly s GPS/Glonass či zkrátka vše, co je určeno pro rozhraní PCI Express a může být dostatečně malé.

NGFF je už určený pro rozhraní SATA Express a pochopitelně zvládne obsloužit také zařízení s rozhraním Serial ATA, aby se zachovala kontinuita. Dále umožní rozhraní SATA Express pracovat v režimu AHCI a účelem je opět zachování zpětné kompatibility s ohledem na komunikaci s koncovým zařízením. Cenou za tuto kompatibilitu bude to, že nebude využit celý výkonnostní potenciál moderních SSD. Tím pravým ořechovým tak má být SATA Express a NVM Express.
NVM Express (NVMe) jsou specifikace či ovladače určené pro přístup k SSD přes rozhraní PCI Express. Až SATA Express s NVMe se tedy kompletně vymaní z područí rozhraní Serial ATA a příslušných standardů vyvinutých pro mechanická úložná zařízení a dostanou svůj vlastní standard. Díky němu se s nimi bude nakládat spíše jako s paměťmi DRAM, ke kterým mají rozhodně blíže než k pevným diskům. Zkratka NVM se skládá ze slov Non-Volatile Memory jako velmi široké označení pro paměti využívané v SSD. Takové paměti jsou všechny, které k udržení informace nepotřebují být neustále napájeny, čili to v podstatě platí i pro pevné disky, ale na to nehleďme.
SSD s podporou NVMe mají přinést nižší latence, čili celkové zpoždění při přístupu k datům (až k 10 µs), celkově vyšší výkon a také samozřejmě i funkce pro zabezpečení a zajištění bezchybného přenosu dat. Jejich první specifikace přitom přišly na svět již před více než dvěma lety, ovšem první SSD s NVMe se objevilo až letos, a to Samsung XS1715 slibující propustnost až 3000 MB/s. Nicméně jde o průmyslový model pro rozhraní PCI Express 3.0 x4, takže zatím nic pro běžného zákazníka.

Jaké hlavní výhody má pak NVMe nad AHCI? Jak popisuje příslušný dokument (pdf), především jde o to, že se více spoléhá na paralelní zpracování úloh bez nutné synchronizace. Zatímco AHCI podporuje pouze jednu frontu s maximem 32 příkazů (jde o známé Queue Depth 32 - QD32), pak u NVMe je to 65536 front, každá se stejným počtem příkazů. Už dnešní procesory také mají přímo v sobě integrované rozhraní PCI Express, čili budou moci přímo komunikovat s SSD přes NVMe, a právě díky tomu máme vyhlídky nižší latence. Dle očekávání má NVMe přinést samo o sobě zvýšení výkonu zařízení SSD, ale nyní je ještě moc brzy mluvit o tom, jak podstatné to bude.

Podpora NVMe ze strany operačních systémů není ještě ideální, ale situace se lepší. Windows ho ještě nepodporují nativně, ale ovladače samotné k dispozici jsou a co se týče Linuxu nebo FreeBSD, u nich je NVMe již součástí jádra. Trend je tedy nastolen. Nástupu rozhraní SATA Express nic nebrání, přičemž cestu do našich počítačů mu budou nejdříve dláždit modely využívající AHCI, aby se nakonec prosadilo NVMe, jehož doménou zatím budou servery a podniková sféra.