Гибридные жесткие диски. Гибридные диски SSHD

Что такое SSHD?

Твердотельные гибридные диски, или SSHD, это сочетание традиционных жестких дисков и новых технологий SSD накопителей. Если вы пытались обновить жесткий диск для ноутбука или настольного компьютера, то можно встретить термин SSHD. Это новый маркетинговый термин, который придуман Seagate для обозначения того, что ранее называлось гибридными жесткими дисками. Этот термин может привести к путанице на рынке, поскольку покупатели могут принять их за полностью твердотельные накопители (называемые SSD).

Скоростные параметры или HDD и SSD vs SSHD

Процесс увеличения скорости работы в операционной системе и приложения с помощью таких гибридных дисков выглядит следующим образом:

После установки операционной системы на гибридный жесткий диск, первая загрузка произойдет с обычной скоростью, но после нескольких перезагрузок, время будет уменьшаться благодаря внесению микроконтроллером устройства в объемный кэш наиболее часто используемых областей данных операционной системы. Тесты показали, что загрузка системы с SSHD всего на 5-10% медленнее, чем на обычном SSD. То же самое будет происходить и с различными приложениями, играми и т.п. Главное, чтобы на диске хватило объема флэш-памяти для всего необходимого.

В конце 2011 года и начале 2012 года тесты на скорость показали, что гибридные твердотельные накопители объёмом в 750 ГБ HDD и 8 ГБ кэш-памяти медленнее SSD при произвольном чтении/записи и последовательном чтении/записи, но быстрее, чем жёсткие диски при запуске приложений и выключении.

Объем кэш-памяти существенно влияет на стоимость конечного изделия. Поэтому при выборе накопителя нужно обязательно учитывать, насколько ресурсоемкие приложения Вы собираетесь на нем запускать и их количество.

В основе технологии гибридных накопителей лежит принятие решения о том, какие элементы данных являются приоритетными для флэш-памяти, а какие нет. Поэтому SSHD могут работать в двух основных режимах:

Автоматический режим или self-optimized

В этом режиме гибридный винчестер самостоятельно принимает все решения, относящиеся к распределению данных и не зависит от операционной системы.

Хост-Оптимизированный режим или host-hinted

В этом режиме работы, гибридный SSHD включает расширенный набор команд SATA «Hybrid Information». На основе этих команд, операционная система и драйвер устройства, учитывая структуру файловой системы, принимает решение о том, какие элементы данных размещать в NAND флэш-памяти.

Некоторые специфические особенности SSHD, такие как host-hinted режим, требуют программной поддержки в операционной системе. Поддержка host-hinted операции появилась только в Windows 8.1, в то время как патчи для ядра Linux доступны с конца 2014 года. В дальнейшем ожидается их включение в ядро Linux.

Историческая справка

В 2007 году Seagate и Samsung представили первые гибридные диски: Seagate Momentus PSD и Samsung SpinPoint MH80. Обе были 2,5-дюймовыми и объёмом в 128 Мб или 256 Мб флэш-памяти. Продукты не получили широкого распространения.
В мае 2010 года компания Seagate представила новый гибридный продукт под названием накопитель Momentus XT и использовала термин «твердотельный гибридный диск» (SSHD). В него входят 500 Гб памяти на НЖМД с 4 Гб интегрированной флеш-памяти NAND.
В апреле 2013 года компания WD представила 2,5-дюймовые накопители WD Black SSHD, в том числе SSHD толщиной в 5 мм с 500 Гб обычной памяти и флэш-памяти размером в 8 Гб, 16 Гб и 24 Гб.
По данным wikipedia

Преимущества SSHD

Слоган Seagate для их линейки SSHD: «Производительность SSD. Емкость HDD. Доступная цена». Это попытка сообщить, что эти новые накопители будут обладать всеми преимуществами двух технологий без какого-либо значительного увеличения стоимости. Эти устройства считаются просто традиционными HDD, которые добавляют твердотельный накопитель небольшой емкости к контроллеру накопителя, который ведет себя как дополнительный кэш для часто используемых файлов.

Что позволяет быстрее получать доступ к этим файлам, поскольку они хранятся на твердотельном диске а не физическом жестком диске. Это ничем не отличается от того, что стандартный HDD это основное хранилище компьютерной системы, а небольшой SSD используется в качестве кеша в системе, подобной технологии Intel Smart Response.

Типы

Cравнение гибридного накопителя и двух накопителей FCM (Flash Cache Module) конструкции.
Существует две основных «гибридных» технологии хранения данных, которые сочетают в себе NAND флэш-память, или SSD, с HDD технологией: Dual-привода гибридных систем и гибридных твердотельных накопителей.

Гибридная система с двумя накопителями

Гибридные системы с двумя накопителями сочетают в себе использование отдельных SSD и HDD устройств, установленных в одном компьютере. В целом, оптимизация производительности управляется либо с помощью пользователя компьютера (ручное размещение наиболее часто используемых данных на SSD), либо с помощью программного обеспечения операционной системы компьютера (путём объединения SSD и HDD в гибридные тома (разделы)

, незаметные для конечных пользователей). Примерами реализации гибридных разделов в операционных системах являются bcache И dm-cache в Linux[2], и Fusion Drive от Apple.

В ноутбуках, как правило, такая система использует флэш-кэш модули

(FCM). FCM использует отдельный SSD-накопитель (обычно mSATA SSD-модуль) и HDD, в то время как управлением оптимизацией занимается либо ПО компьютера, драйверы устройства или комбинации обоих. Технология SRT (Smart Response, умный отклик) от Intel — наиболее распространённая реализации FCM для гибридных систем на сегодня.

Существуют также системы для ноутбуков, которые также используют отдельные SSD и HDD в одном 2.5-дюймовом корпусе, но заодно предоставляют (в отличие от SSHD) в то же время (в отличие от гибридных твердотельных накопителей) раздельный доступ к обоим накопителям. Таким образом, можно использовать накопители на своё усмотрение[3].

Также всё чаще гибридный жёсткий диск SSHD используется в серверах, что позволяет существенно снизить их стоимость, в отличие от чистых SSD.

Гибридный твердотельный диск

Понятие Гибридный твердотельный накопитель

(SSHD) относится к продукции, которая включает значительное количество NAND флэш памяти в жёсткий диск[4].

Основополагающим отличием является интегрированная система кэширования наиболее часто используемых секторов. Микроконтроллер устройства сам копирует в быструю кэш память наиболее часто используемые области данных.

Стоит ли присмотреться к SSHD?

Требования к емкости. SSHD по существу такой же, как традиционный HDD, но с дополнительным пространством внутри диска для хранения твердотельного кэша. SSHD имеет примерно такую же емкость, что и обычные HDD. Варианты этих накопителей для ноутбуков и настольных компьютеров имеют одинаковую емкость. Так что это утверждение полностью верно.

Сравнение цен на SSHD. С точки зрения емкости, SSHD стоит дороже, чем традиционный жесткий диск из-за добавления дорогой твердотельной кэш-памяти и дополнительной прошивки для управления процессором кэширования. Цены от 10 до 20 процентов больше, чем на традиционные HDD.

SSHD намного дешевле, чем полностью SSD устройство. Для емкостей SSD будет стоить в пять-двадцать раз дороже SSHD. Причиной такого большого дисбаланса в цене считается что твердотельные накопители большей емкости требуют дорогих чипов памяти NAND.

Производительный SSHD, или SSD и жесткий диск?

Настоящим испытанием гибридного диска является его производительность по сравнению с традиционными жесткими дисками и твердотельными накопителями. Производительность сильно зависит от цели использования компьютерной системы.

Производительность SSHD также будет сильно зависеть от объема памяти, используемой для кеша. SSHD-накопители могут иметь 8 ГБ этого твердотельного кэша, что считается небольшим объемом, который можно быстро заполнить. Это требует частой очистки кэшированных данных системой. В результате люди, которые получат преимущество от этих накопителей, — это те, кто использует свой компьютер с ограниченным числом приложений.

Например, пользователь, который использует компьютер только для просмотра веб-страниц, чтения и отправки электронных писем, и использование пары приложений производительности. Геймер, играющий в разные компьютерные игры, не увидит тех же преимуществ, поскольку для системы кэширования требуется многократное использование одних и тех же файлов, чтобы определить, какие файлы хранить там. Если файлы не используются повторно, преимущество твердотельного кэша ограничено.

Время загрузки — пример того, как можно улучшить стандартную систему. Улучшение не будет соответствовать полностью SSD диску, но оно может предложить увеличенную скорость загрузки по сравнению с традиционными HDD.

Помимо скоростей загрузки, улучшения переменны. Если копируете большой объем данных (например используете его для резервного копирования другого диска), кэш будет быстро перегружен, и накопитель будет работать на том же уровне, что и обычный жесткий диск, но меньше, чем дорогая модель HDD.

Обзор гибридных SSHD-накопителей Toshiba

Вступление
Участники тестирования
Упаковка и комплектация
Аппаратная составляющая
Алгоритмы кэширования
Технические характеристики
Конкуренты
Тестовый стенд
Тестирование производительности
Запуск операционной системы и приложений
Anvil’s Storage Utilities
Futuremark PCMark 7
AS SSD Benchmark
CrystalDiskMark (64bit) 3.0.1
Intel NAS Performance Toolkit 1.7.1

Операции с различными типами файлов внутри накопителя

Время доступа при операциях случайного чтения и записи

Немного лирики

Заключение

Вступление

Время идет, технологии развиваются. Все сильнее растут объемы хранимых данных. А если растут объемы, должны расти скорости. И в определенный момент времени возникает вопрос не только линейной скорости, но и времени доступа.
Сравним это с библиотекой и библиотекарем: когда в распоряжении последнего небольшой стеллаж с книгами, нахождение нужной не занимает много времени, но вот появляется второй стеллаж, за ним третий… Линейная передача книг не меняется: взял книги стопкой, принял книги стопкой. А когда нужно найти конкретную книгу, тут и начинается проблема: библиотекарю нужно отсмотреть картотеку, затем дойти до нужного стеллажа, найти на нем полку, а на ней уже саму книгу и принести ее. И чем больше объем, тем больше времени будет занимать это самое «дойти и принести». Отчасти вопрос времени можно решить изменением расположения проходов, установкой стеллажей с более плотной компоновкой полок, в конце концов, придать ускорение самому библиотекарю…

Но все это при условии продолжения роста объемов хранимых данных – лишь отсрочка. Кардинальный рост быстродействия мы сможем получить только при кардинальной же смене системы самой работы. Но, как это водится, разовое обновление – занятие слишком дорогое и далеко не всегда оказывается по карману. И на нашем примере: иногда практикуется хранение книг не только в «натурном виде», доступ к их содержимому можно получить в виде цифровой копии.

То же самое мы видим и в отношении жестких дисков: классическое и ставшее давно привычным решение в виде магнитных пластин является дешевым и простым способом хранить данные, но по нынешним временам он не отличается быстродействием, в то же время флеш-память быстра, но дорога.

Что есть классический HDD? Это одна или несколько магнитных пластин, приводимых в движение электродвигателем и являющихся основным и единственным хранилищем данных, БМГ (блок магнитных головок), благодаря которому производится считывание данных с поверхности пластин, основной контроллер и небольшой буфер в виде DRAM-памяти. Последняя может использоваться микропрограммой накопителя не только для своей работы, но и хранения некоторых мелких пользовательских данных, однако с ограничениями: объем микросхемы DRAM очень небольшой (как правило, он составляет 32-64 Мбайт) и она энергозависима.

анонсы и реклама

2080 Super Gigabyte Gaming OC за 60 т.р.

Compeo.ru — правильный компмагазин без подвохов

RTX 2060 дешевеет перед приходом 3ххх

Ryzen 4000

серии в составе компьютеров уже в Ситилинке

РУХНУЛА цена MSI RTX 2070 после анонса RTX 3ххх

Core i9 10 серии вдвое дешевле такого же 9 серии

Цена на память снижена в 2 раза в Регарде — везде дороже

Энергозависимость DRAM ставит крест на более широком использовании буферной памяти и установке более емких микросхем – требуется резервное питание, которое в случае неожиданного отключения основного позволит не останавливать двигатель жесткого диска, а осуществить экстренную запись данных. При этом запись чаще всего нелинейная, что означает дополнительные энергозатраты на позиционирование БМГ.

Неким компромиссом может оказаться внедрение в накопитель небольшого объема флеш-памяти. Именно небольшого, иначе теряется экономический смысл – слишком велика окажется разница в цене по сравнению с обычными HDD и конкурентоспособность такого решения будет невелика. А из-за небольшого объема теряется смысл использования флеш-памяти именно как части объема конечного устройства и его целесообразнее использовать в качестве кэша. Дополнительно к буферу DRAM.

И этот массив флеш-памяти будет использоваться по соответствующей схеме: в качестве упреждающего на операциях чтения. В итоге усложняется микрокод контроллера накопителя: теперь ему приходится не только работать в обычном режиме, но и заниматься мониторингом частоты обращения к тем или иным блокам данных для того, чтобы копировать их во флеш-память. И при последующем обращении к ним извне пытаться считать их не с медленных пластин, а с быстрой флеш-памяти. Не стоит забывать и про типичные алгоритмы, которые требуются для работы с NAND: выравнивание износа, отслеживание состояния ячеек и так далее.

Но производители жестких дисков все-таки пошли на комбинирование двух аппаратных методов хранения – таким образом свет увидели Solid State Hybrid Drive, SSHD. По цене, правда, вышло не совсем дешево: переплата составляет 20-40% в зависимости от объема SSHD (чем емче, тем меньше доплата). Использование SSHD является еще и более котируемым с точки зрения имиджа. А вот насколько оправдано такое решение с точки зрения производительности? Сможет ли SSHD хотя бы близко подобраться к обычному SSD? Хотя бы конкретно тестируемые нами сегодня модели?

Попробуем определить это в рамках нашего материала.

Участники тестирования

Представим новых участников:

Toshiba SSHD 500 Гбайт (MQ01ABF050H) . Примерная цена в московской рознице – около 5500 рублей;
Toshiba SSHD 1 Тбайт (MQ01ABF100H) . Примерная цена в московской рознице – около 8100 рублей.

Цены указаны на момент написания данного материала.

Упаковка и комплектация

Упаковка выполнена в виде картонных коробок, с дизайном оформления, знакомом еще с тестирования SSD-накопителей Toshiba HG5d.

Надо сказать, что прибывшие образцы уже повидали многое и, судя по их состоянию, полагаться на то, что они смогут полноценно защитить свое содержимое, не стоит. Тем более, что внутри не пакет-«дутик» и даже не пластиковый блистер, а всего лишь картонка с карманом из полиэтилена, которая фиксирует накопитель ровно в центре коробки.

Комплектация, увы, не блистает богатством, точнее, ее просто нет как таковой:

Обнаруживается само устройство, пара гарантийных карточек, гарантийный буклет и инструкция по установке.

Аппаратная составляющая

Стандартный «ноутбучный» форм-фактор 2.5”.

Отличается лишь высота корпусов:

Модификация объемом 500 Гбайт – 7 мм, 1 Тбайт – 9.5 мм. Объясняется это внутренним устройством: оба накопителя используют магнитные пластины, на которые Toshiba уместила по 500 Гбайт, соответственно, мы имеем дело с конфигурацией из одной пластины с двумя считывающими головками и двух пластин с четыремя считывающими головками.

При этом вся элементная база, распаянная на печатной плате, вполне привычно «обращена» вовнутрь конструкции. Подобным нехитрым приемом они [элементы] защищены от «сноса» с печатной платы в результате неосторожного движения накопителя по поверхности, скажем, стола.

К счастью, мы обладаем возможностью посмотреть, какая именно элементная база скрыта от глаз и внешнего воздействия.

Между самой печатной платой и «банкой» собственно накопителя проложены специальная прокладка из мягкого материала типа поролона, играющая роль демпфирующего и предохраняющего элементы от сколов при прогибе печатной платы.

Печатные платы обоих накопителей совершенно идентичны:

Но следует учитывать, что при необходимости простой перестановкой плат в большинстве случаев не обойтись – потребуется также перенос содержимого ПЗУ контроллера.

Контроллер Marvell 88I9317-RA12 отвечает за работу HDD-части, ему сопутствуют ESMT M14D2561616A – микросхема памяти DDR2 объемом 32 Мбайт (присутствие обозначения «2.5B» в маркировке означает работу в режиме DDR2-800 с таймингами 5-5-5 при напряжении 1.8 В) и 3BC69JTRG4 TLS2605 – микросхема флеш-памяти, выполняющая функции хранения микрокода и служебных данных контроллера накопителя.

SSD-часть реализована с помощью контроллера Toshiba LINK-A-MEDIA 58NC7710GHB. Перед нами – яркий образец принципов работы Toshiba: компания является обладателем собственного литографического производства, а потому она не приобретает готовые контроллеры, она приобретает только дизайн кристалла и право на его использование, а также микрокод к нему. Причем и в первое, и во второе Toshiba имеет право вносить некоторые модификации самостоятельно. А также – наносить маркировку по своему усмотрению.

А опыт работы у инженеров Toshiba богатый, и каких только контроллеров не встречалось в ее накопителях: LSI SandForce, Marvell, JMicron, LAMD. Кстати, не смотря на полную идентичность, набор параметров SMART все же различается.

Контроллер управляет одной-единственной микросхемой флеш-памяти Toshiba TH58TEG6H2HBA4C. Я думаю, многие оценят тот факт, что последняя является SLC NAND, выполненной по весьма «крупному» по современным меркам техпроцессу 32 нм. В современных гибридных накопителях (например, Seagate) можно обнаружить MLC NAND, которая сама по себе обладает меньшим ресурсом, да еще и выполненную по более тонким техпроцессам вроде 24 нм.

Toshiba не поскупилась на более дорогую и устойчивую к износу память: между прочим, 32 нм SLC NAND Toshiba, по неофициальным данным, должна выдерживать порядка 170-200 тысяч циклов перезаписи, что в десятки раз превышает возможности популярной ныне в обычных твердотельных накопителях MLC NAND, выполненной по техпроцессам 19-25 нм. Несложно подсчитать, что общий объем записанных данных вполне может достигнуть значения в полтора петабайта, чего хватит на четыре года при ежедневной записи по терабайту данных.

Поэтому, по крайней мере, в теории (брак, неудачная партия), обладателя SSHD-накопителей Toshiba вообще не должен волновать вопрос износа. А дополнительной подстраховкой должно быть, что по мере износа и выхода из строя ячеек флеш-памяти, микропрограмма контроллера будет просто выводить их из работы, а HDD-часть при этом не будет затронута вообще. Поэтому даже если «умрет» весь массив флеш-памяти, устройство в целом продолжит свою работу.

Алгоритмы кэширования

Прежде чем приступить собственно к тестированию производительности, нам необходимо посмотреть, как на самом деле ведет себя заявленный Toshiba алгоритм кэширования данных, о котором компания пишет на своем официальном сайте:

Все SSHD-накопители Toshiba поддерживают алгоритм самообучения, позволяющий диску «запоминать» данные, к которым пользователь обращается чаще всего, и помещать их в кэш NAND-памяти, чтобы ускорить к ним доступ. Соответственно, данные, которые используются редко, переносятся на жесткий диск для долгосрочного хранения. Этот алгоритм применяется на протяжении всего срока эксплуатации накопителя, постоянно оптимизируя его работу.

Рассматриваемые SSHD Toshiba обладают массивом флеш-памяти объемом 8 Гбайт, но нужно отдавать себе отчет в том, что в нашем распоряжении оказывается и полтерабайта-терабайт классических магнитных пластин с совершенно иными характеристиками и вышеупомянутый буфер никак не сопоставим с ними по объему. Поэтому в значительной части случаев нужно рассчитывать на производительность, демонстрируемую именно ими, а не SSD-частью, ведь кэшироваться будет лишь небольшая часть данных, остальное все равно будет храниться только на магнитных пластинах и считываться с них.

Маленькое уточнение, которое нужно также учитывать: как правило, алгоритмы кэширования не анализируют файловую систему и не обрабатывают файлы, для них нет таких понятий, они работают на более низком уровне – с LBA-адресами, к которым в конечном итоге обращается система и программы. Таким образом убиваются сразу два «зайца»: упрощается программный код прошивки контроллера и нет нужды кэшировать лишнее, занимая весьма ценную флеш-память тем, к чему обращений может и не происходить.

Занимательные показатели, не правда ли? Микропрограмма старается кэшировать часть нагрузки не только на операциях чтения, но и на операциях записи и при попытках обращения тем данным, что были только что записаны (а именно так работают все популярные тестовые приложения), выдает их копию, сохраненную в массиве флеш-памяти. Поэтому при замерах производительности стоит быть несколько более внимательным, нежели в обычных случаях. Надо сказать, далеко не все пользователи учитывают подобную «тонкость».

Судя по полученным показателям, производительность стабилизируется при переходе от 4 к 8 Гбайт и далее, поэтому в тех тестах, где это возможно, мы будем увеличивать объем тестовых данных, к данным же, полученным в других приложениях стоит отнестись с повышенным вниманием.

Кому нужно выбрать SSHD?

Основным рынком для твердотельных гибридных дисков считаются ноутбуки. Ограниченное пространство в этих системах не позволяет устанавливать в них более одного диска. Это утсройство может обеспечивать высокую производительность, но его меньшие размеры ограничивают объем данных, которые могут быть на них сохранены. Цена значительно возрастает с увеличением емкости SSD.

Традиционный HDD имеет много места, но не работает так же хорошо. SSHD может предложить способ умеренного повышения производительности без ущерба для емкости хранилища и тех, кто пожелает обновить существующую систему ноутбука или пойти на компромисс между двумя устройствами в новой системе.

Их рекомендуется выбирать, если существуют настольные SSHD. Настольные системы, включая множество небольших и тонких корпусов, могут вместить несколько дисков. Для этих систем комбинация небольшого SSD диска с простым жестким диском, обеспечит более высокие улучшения производительности при чуть более высокой стоимости по сравнению с SSHD.

Это подходит для любой системы, которая имеет возможность использовать технологию Intel Smart Response. Исключением считаются те мини-настольные ПК, в которых достаточно места для одного HDD; они могут извлечь выгоду так же, как ноутбук от SSHD.

Типы[ | ]

Гибридная система с двумя накопителями[ | ]