Funkčnost, rozhraní a technologie pevných disků

Princip fungování a základní vlastnosti

SSD disky jsou zcela tiché, což je způsobeno jejich principem zápisu, který je stejný jako u USB flashdisků. SSD zařízení neobsahují žádné pohyblivé součásti, které by se otáčely rychlostí několik tisíc otáček za minutu, čímž by zvyšovaly hluk a současně i teplotu celé komponenty. Díky tomu jsou SSD disky také mnohem odolnější a lépe snášejí otřesy i výrazně hrubší zacházení.

Pozn.: SSD disky by tak vlastně ani "disky" být nazývány neměly. Žádný kotouček ve smyslu plotny čili disku v něm totiž vůbec není.

Všechna data jsou organizována po blocích stejně jako u pamětí EEPROM. Není tak nutné před zápisem smazat všechna již jednou uložená data z celé paměti. To je možné právě díky používání datových bloků. Pokud chceme přeprogramovat pouze jeden blok, bude smazán pouze ten a obsah ostatních bude zachován.
Vlastní mazání celého modulu probíhá poměrně rychle, protože se vždy upravují větší celky (bloky paměťových buněk) - typicky mezi 128 B a 32 kB najednou, což může být ale podobně jako u pamětí EPROM považováno také za určitou nevýhodu, protože je vždy nutné smazat zároveň i všechna ostatní zainteresovaná paměťová místa v přepisovaném bloku. Flash čipy ke své práci využívají Fowler-Nordheimova tunelového jevu. Smazaná paměť má v každé buňce uloženu hodnotu FFh a zápisem ji můžeme nulovat.
Základní vlastností disků SSD je také skutečnost, že po výpadku napájení nedochází ke ztrátě uložených dat. Toto představuje hlavní nevýhodu v používání jinak poměrně výhodných RAM disků, které využívají k ukládání dat klasických modulů operačních pamětí. Proto také vyžadují neustálý přísun elektrické energie. V opačném případě by začaly zapomínat. O RAM discích si více můžete přečíst v předchozí kapitole SMART, RAID a speciální typy disků.

SSD disky nejsou tolik prostorově náročné a ve své podstatě je to jen několik maličkých čipů a jedno PCB. Proto se dnes můžeme setkat také s různými formáty takovýchto výrobků. Vyrábějí se jak 2,5", 1,8", tak i 3,5" verze. Výběr je proto velmi rozmanitý.

Největší nevýhodou technologie je ale omezený počet přepsání každé buňky, po jejichž překročení přestává paměťové místo pracovat. Tento počet ani dnes nedosahuje příznivých hodnot. Naštěstí si však jejich integrovaný řadič sám hlídá životnost jednotlivých segmentů a zajišťuje optimální využití celé přítomné kapacity, dokonce je schopen příp. i zařídit patřičné vypnutí pokažené buňky. Tento limit omezení počtu zápisů na jednu buňku kolísá v závislosti na kvalitativním provedení čipu zhruba v jednotkách miliónů zápisů. Jak moc to ale k běžnému provozu stačí, to ukáže až čas.

Paměť používanou v SSD discích označujeme navíc termínem Memory Technology Device (MTD), který značí, že taková zařízení pracují podobně jako paměť, avšak jsou používána jako bloková zařízení pro ukládání dat. Od pevných disků klasické konstrukce se tyto potom odlišují hned v několika aspektech, přičemž práce s nimi je o trochu složitější:

Prvním rozdílem mezi zařízeními MTD a klasickými blokovými zařízeními je již jednou zmíněné rozdělení na datové bloky, které nahrazují tzv. clustery klasických pevných disků, jakožto nejmenší alokovatelnou jednotku, která je zavedena pro konkrétní souborový systém. Tuto jednotku tedy zavádí operační systém, a to proto, aby byla práce s pevným diskem efektivnější. To je rozdíl oproti sektorům, které představují nejmenší fyzicky alokovatelnou jednotku na pevném disku. NTFS například umožňuje využít clustery o velikosti 8 B až 64 KiB.
Oproti klasickým blokovým zařízením, jakými pevné disky a další úložná zařízení jsou, se u MTD zařízení setkáme také s dalším velkým rozdílem. Nad každým blokem můžeme provést až 3 různé blokové operace - kromě čtení a zápisu se zde tak definuje ještě další akce, která slouží k vymazání nadefinovaného datového bloku.

Životnost takového bloku je definována a udávána právě v počtech vymazání a tato hodnota se u dnešních pevných disků pohybuje zhruba v jednotkách milionů. Po překročení tohoto limitu již dále není možné na dané paměťové místo zapisovat, a to se tak stává poškozené. Tyto bloky však nejsou nijak fyzicky skryty, a proto se tento problém musí ošetřit softwarově, tedy přímo v používaném operačním systému.

Nastíněný problém je v současnosti považován za největší nedostatek jinak skvělé a celkem i propracované technologie. U flashdisků to zase tolik nevadí a například 1 000 000 dovolených přepsání každého bloku s největší pravděpodobností bude dostačovat morálnímu zastarávání celé USB klíčenky, ale v případech, kdy je flash paměť použita v SSD discích, je to již poměrně problém. Obzvláště kdyby disk měl být nasazen v serverovém prostředí.

Pokud totiž na takovém pevném disku budeme mít uložen operační systém a zavádět jej z něho, přičemž na něm bude uložen také swapovací soubor a dočasné soubory, bude tohoto limitu dosaženo poměrně velmi brzy. Windows totiž swapují i ve volném čase, a to proto, aby nemusely odkládat data z paměti, kdy se nějaký nedočkavý program rozhodne, že paměť zaplní. V tuto chvíli se pak hodí mít RAM volnou, protože každý okamžik navíc by byl velkým zdržením.

Pozn.: Toto je výhoda i při uspávání počítače, které je provedeno v režimu spánku čili hibernace (STD - Suspend to Disk, Hibernate, S4). To ve zkratce pracuje tak, že veškerý obsah operační paměti je uložen do souboru hiberfil.sys, který má vždy stejnou velikost jako součet nominálních kapacit paměťových modulů instalovaných v počítači. Tuto velikost proto nelze nijak změnit kromě vytažení jednoho z instalovaných modulů. Nejen proto je tak důležité mít na systémovém disku nebo oddílu dostatečnou rezervu volné kapacity.
Vzhledem k tomu, že hibernace vyžaduje uložení obsahu paměti na pevný disk, trvá celá operace podstatně déle než při přechodu do jiných úsporných režimů a právě výše zmíněné průběžné odkládání do swapovacího souboru může operaci jistým způsobem zrychlit. Při požadavku tak stačí jen poukládat zbytek.

Další velkou výhodou tohoto režimu je, že při výpadku napájení nepřijdete o rozpracovaná data, jako by tomu bylo například u režimů S1 a S3 (POS - Power on Suspend a STR - Suspend to RAM). Uspaný počítač má také v tomto režimu na rozdíl od jeho konkurentů absolutně nejnižší spotřebu, protože žádná z připojených komponent již nemusí být více napájena a udržována při životě.

Velký problém a jeho řešení

Všechny výše zmíněné aspekty pak způsobí, že se na jednu z paměťových buněk zapisuje mnohem častěji než na jinou. Tato buňka by pak logicky moc dlouho nevydržela. Výše zmíněná limitní hodnota počtu výmazů by pro ni byla smrtelná.

Dosavadní technologie výroby ale nedovoluje tento problém nějak efektivněji řešit, co tedy s tím? Řešením je implementace technologie do řadiče celého zařízení, která bude evidovat jednotlivé výmazy různých paměťových bloků. Ta se dále musí postarat také o to, aby se omezil zápis na místa, která již vykazují oproti ostatním buňkám vyšší počet přepsání. Celá paměť díky tomu bude využívána poměrně rovnoměrně a s největší pravděpodobností se nestane, že by některá z buněk odešla o mnoho dříve, než přestane být spolehlivý celý SSD disk.

Pozn.: Řadič SSD zařízení byl u prvních modelů disků také zdrojem poměrně nepříjemného a pomalého zápisu. To už je ale naštěstí pouhou minulostí.

Na druhou stranu, pokud bude SSD disk využíván pouze pro operační systém, který bude navíc zazálohovaný, nebude výše zmíněný problém natolik dramatický. Na data se stejně dnes tyto disky moc nehodí, protože jejich kapacita se pohybuje stále někde jinde, než je kapacita klasických desktopových pevných disků. Rozdíl ve svižnějším běhu systému ale rozhodně poznáte.

Pokud si tak dnes koupíte SSD, musíte počítat s tím, že jej na věky používat nelze, přičemž právě v tomto případě to platí mnohokrát více než v případě jiných počítačových komponent. To platí i přesto, že výrobci těchto zařízení uvádějí životnost dat až neskutečně vysokou. Jeden příklad za všechny je například pevný disk Patriot Extreme Performance Warp v2 s kapacitou 64 GB, jehož výrobce slibuje dobu bezchybného provozu disku neskutečných 1,5 milionu hodin, čili něco přes 171 let. Nakolik však je při odhadu počítáno se životností jednotlivých buněk není bohužel tak jednoznačné. Podle výrobce také budeme moci data z tohoto disku přečíst i za dobu delší, než je pět let.
Pozn.: Pro představu můžeme také uvést, že výše zmíněný 64GB model SSD je složen z osmi flash čipů, přičemž každý má samostatnou kapacitu 8 GB a jejich výrobcem je společnost Samsung. Patriot dále uvádí, že rychlost čtení z tohoto disku je 175 MB/s a zápisu na něj pak 100 MB/s. Až neuvěřitelná se poté zdá oproti klasickým pevným diskům hodnota seeku, čili rychlosti vyhledávání dat na celém disku. Ta se totiž pohybuje podle různých testů kolem 0,2 ms. Pro úplnost ještě uveďme, že u normálních IDE a SATA disků musíme počítat s přístupovou dobou zhruba čítající 12 ms. Disk je vyráběn technologií SLC.

Problémy a výhody masivního rozšíření

Co tedy brání těmto skvělým zařízením, která jsou použitelná v mnoha směrech lidských činností, v jejich obrovském rozmachu? Není to jen výše zmíněný problém, ale také problém další, ekonomičtější. Tím je jejich stále ještě příliš vysoká cena nebo, chcete-li, poměr cena/kapacita. Například výše zmíněný disk Patriot můžeme dnes sehnat zhruba za něco přes pět tisíc, což je v porovnání s jeho kapacitou (64 GB) stále poměrně hodně. Za tyto peníze a ještě o trochu méně byste získali třeba i 1TB disk, jakým je například Hitachi Ultrastar A7K1000. Jistou nevýhodou je také o něco vyšší zatížení procesoru během práce s diskem.

Na druhou stranu jsou SSD díky absenci pohyblivých částí velmi spolehlivé a běžně se u nich uvádí pracovní teplotní rozsah 0°C až 70°C a vysoká odolnost proti nárazům/vibracím. Proto jsou velmi vhodné k uchovávání a archivacím dat, protože CD či DVD disku spolu s pevnými disky klasické konstrukce jsou v tomto směru nedostatečné (jsou až přespříliš ovlivněné podmínkami skladování samotného nosiče).
Velkou výhodou těchto subnotebooků je především nízká spotřeba zapříčiněná právě osazením nízko energeticky náročného SSD modulu, avšak Asus si je nevýhod také sám vědom. Proto do celé škály svých "éčkových" notebooků zařadil i modely s klasickými pevnými disky (PC 1000HD, PC904HD), aby si zákazník mohl sám vybrát právě podle svých preferencí a možností.

Pozn.: Dobrý řešením je také použití dvou pevných disků - jeden postavený na technologii SSD a druhý klasický. První pro systém a druhý pro uživatelská data. Takovéto rozdělení by bylo vhodné především u notebooků, jejichž málo výkonné pevné disky někdy až přespříliš brzdí běh celého systému. Takovému nasazení brání ale většinou jeden důležitý aspekt - jedná se o notebook, místo pro dva pevné disky většinou nebývá.
V průběhu času maximální kapacita SSD disků utěšeně narůstá, čímž způsobuje i kýžené snižování cen všech těchto zařízení, to však stále není dostatečné k tomu, aby se SSD mohly stát natolik zajímavé, že by představovaly v našem počítači jediné místo pro ukládání dat.

Pevné disky SSD mají ještě další výhodu v podobě velmi nízké energetické náročnosti, což je velmi vhodné především pro uživatele notebooků. Například spotřeba níže zmíněného disku Intel X25-M činí rovné 2 W. V klidu je dokonce ještě nižší a pohybuje se kolem 0,75 W. Pro představu můžeme uvést, že spotřeba klasických pevných disků činí cca 12 W, přičemž další z níže představených disků (VelociRaptor) se uskromnil na metě 7 W.

Přehled cen zde nemá cenu asi příliš zmiňovat, protože neustále dochází ke snižování, avšak i přesto se na tomto místě o malou cenovou hlídku pokusíme. V dnešní době (začátek roku 2009) jsou asi nejvíce žádané SATA 3 Gb/s pevné SSD disky, které tak můžeme mít na různých internetových obchodech za cenu zhruba začínající na 1 900 Kč za 32GB model A-Data SSD XPG až například po cenu atakující hranici 20 tisíc korun za některý z několika již dostupných 250GB modelů. Není také bez zajímavosti, že ceny se v závislosti na jednotlivých výrobcích mohou velmi lišit a 128GB disk A-Data tak například získáte za cenu zhruba o 3 000 Kč nižší oproti disku Patriot stejné kapacity.

Pokud budeme uvažovat SSD disky určené do slotů ExpressCard, můžeme si na dnešním trhu obstarat modely o kapacitách 4 - 32 GB, a to za cenu pohybující se zhruba mezi 800 a 1 700 korunami, samozřejmě opět v závislosti na různých internetových obchodech a jednotlivých výrobcích. Ceny za 16GB a 32GB externí modely připojitelné k USB se pohybují od cca 1 000 do 2 000 Kč.
Rekordmanem v oblasti SSD disků se stává produkt společnosti OCZ Technology série Vertex. Tyto nové modely jsou vyráběné technologií MLC a mají též novou architekturu s integrovanou vyrovnávací pamětí o velikosti 32, nebo 64 MB, a to právě podle nabízené kapacity celého disku. Největší model pak disponuje až úctyhodnou kapacitou 250 GB, to vše za ještě úctyhodnější cenu 869 USD.