נפרדים מהכונן הקשיח המסורתי? הצצה מעמיקה ל-SSD

אז מה ההבדל בין HDD ל-SSD והאם ימיו של הכונן הקשיח המסורתי ספורים? הצצה מעמיקה על הטכנולוגיה שעומדת בבסיסם של שני הכוננים

תמונה: flickr, cc-by, Scoobay

הפוסט נכתב על ידי חדוי שפילברג, מהנדס חומרים בהכשרתו המתמחה במוליכים למחצה. מאז שנת 2000 עובד באפלייד מטריאלס בתפקידי ניהול אפליקציה, ניהול פרוייקטים ופיתוחי אפליקציה שונים בחטיבת ה-Wafer Inspection.

השנה היא 2020 בחברת תוכן מובילה. פעם נהגנו לקרוא להן תחנות שידור. ההתקן הסובב היחיד בחדרי איחסון השרתים יהיו מאווררי התקרה. אם נפתח את אחד הכוננים נגלה בו מערך של שבבי זיכרון (צ’יפים), ללא חלקים נעים. 60 שנות זיכרון בסיבוב הסתיימו להן.

העובד החדש בשכונה הוא ה-Solid State Drive) SSD) שמחליף בהדרגה את אחיו הוותיק המוכר והטוב Hard Disk Drive) HDD).

מה זה בכלל SSD ובמה הוא שונה מ-HDD?

כונן דיסק קשיח HDD (גם כונן קשיח או דיסק קשיח) הוא התקן אחסון מגנטי בלתי נדיף, בעל גישה אקראית לנתונים דיגיטליים. הוא כולל מגשים נוקשים הסובבים על ציר המונע בתוך מארז מגן. הנתונים נקראים באופן מגנטי ונכתבים אל המגש על ידי ראשי קריאה/כתיבה הצפים על גבי שכבת אוויר מעל מגשים. מאז הוצגו לראשונה על ידי IBM בשנת 1956, ירדו הכוננים הקשיחים במשך השנים בגודלם הפיזי ובעלות מחד, תוך הגדלה משמעותית בקיבולת, מאידך והיו המכשיר הדומיננטי עבור אחסון נתונים במחשבים מאז שנות ה-60 המוקדמות.

HDD פועלים כיום ע”י ממשקים סדרתיים בעלי מהירות גבוהה למשל Serial ATA) SATA) או Serial Attached SAS) SCSI). תהליך הייצור של ה-HDD כולל כתיבה על גבי דיסק מאסטר מגנטי בקרן אלקטרונים של מיליארדי גבשושיות סיליקון המסודרות קונצנטרית במרחקים של כ-100nm זו מזו. ראש הקריאה/כתיבה שנע מעל אותן גבשושיות בדיוק מירבי, דומה למחט הפטיפון שהיתה “מנגנת” על פני השטח של תקליט וויניל ישן של סינטרה. הביקוש העולמי הגובר לאיחסון דיגיטלי ממשיך להניע פיתוח טכנולוגיות שיגדילו את הצפיפות האזורית של אותן גבשושיות על גבי הדיסקים הקשיחים. כיום כבר ניתן לייצר בשיטות המאפשרות רזולוציה של 25nm בין הגבשושיות. אם ניקח בחשבון שכל גבשושית סיליקון קטנטונת יכולה לאחסן ביט אחד של זיכרון מגנטי ברגע נתון ואת אפשרות השיכפול המוזילה בצורה ניכרת את תהליך ייצור הדיסקים, נבין מדוע קיימת דחיפה משמעותית של יצרני ההארד דיסקים למכור כונני איחסון זיכרון סובבים.

מפת הדרכים של היצרנים המובילים נותנת מענה לצפיפויות בסדר גודל של 1Tb/in2 , כלומר 1 טרה-בייט של אינפורמציה לכל אינץ’ רבוע. למעשה הדיסקים הקשיחים (ה-HDD) נותנים את המענה הטוב ביותר מבחינת קיבולת, עלות, וצפיפות נתונים לדרישות האיחסון הקיימות כיום. אך האם יהיה זה נכון גם בעוד 5 שנים?

השימוש ב”מטמון”

עלות הייצור של דיסק מדיה מגנטית מודפסת גם בטכנולוגיות המתקדמות היא כ-5$ בממוצע. בכדי לשמר, למשל, רוחב פס של 6Gbps (שישה ג’יגה ביט בכל שניה) נדרשים יצרני הכוננים הקשיחים להוסיף זיכרון מטמון בו מאוחסנים רק הנתונים הרלוונטיים ביותר בתוך סקטורים דחוסי אינפורמציה הנקראים אל המחשב המארח בכל פעם. על פי עיקרון התפוקה השולית הפוחתת קיימת נקודה שמעבר לה בניית “מטמון” ענק אינה עוד יתרון. הרעיון המרכזי של תוספת הזיכרון שהינה לאפשר זמן איחזור מידע קצר ביחס לרוחב פס גדול הולכת לאיבוד, פשוט מכיוון שנדרש יותר זמן לחפש את המידע שבו ויותר מסורבל לשמר אותו. ככל שהכונן יהיה יותר זמן עסוק בלשמר מידע מעודכן ומלא במטמון, קיים סיכוי רב יותר שמשתמש הקצה יחוש בירידה בביצועים. ההתפתחות הטכנולוגית של תעשיית המוליכים למחצה הביאה לאפשרות שימוש בהתקני איחסון מסוג חדש.

SDD מורכב משבב זיכרון בתוספת בקר שנועד לנהל את זרימת הנתונים בין כונן האיחסון לבין המחשב, ללא חלקים מכנים נעים. השאלה הראשונה שנשאלת היא האם זכרון המבוסס מוליכים למחצה (צ’יפ למעשה) יהיה מסוג DRAM או מסוג פלאש NAND. הוויכוח בין שימוש בשבב זיכרון מסוג DRAM לבין Flash – מהירות – היא שם המשחק.

ידוע כי כתיבה לזיכרון פלאש איטית יותר מאשר כתיבה לזיכרון DRAM. האין מהירות הינה המטרה העיקרית של התקנת SSD מלכתחילה? – כן ! יחד עם זאת, לומר כי התקן איחסון בטכנולוגיית הפלאש איטי יותר מאשר ה-DRAM היא למכור את הטכנולוגיה בזול. ראשית, נתוני הקריאה לזיכרון פלאש דומים מאוד למהירות הקריאה של ה-DRAM. שנית, היצרנים הטובים יותר של פלאש SSD נוהגים לשלב זיכרון מטמון מסוג DRAM בכוננים בכדי להאיץ את הכתיבה. למיטב היצרנים יש אלגוריתמים במכשירים אשר מסוגלים לשטוף את הנתונים מזיכרון המטמון לזיכרון הפלאש ברקע מבלי להשפיע על הביצועים.

אם נשווה בגרף אחד את ביצועיהם היחסיים של שני סוגי ה-SSD לעומת דיסקים מסורתיים מסתובבים, זה ייראה כך:

ניתן לראות שאפילו אם התקנים מבוססי DRAM מהירים פי 3 מהתקנים מבוססי Flash עדיין שניהם מהירים בשלושה סדרי גודל מממהירות הכתיבה לדיסק הסובב. אם כך, האם הבדלי המהירות בין השבבים משמעותיים מספיק בכדי שתהיה אבן הבוחן היחידה העומדת לרשות ראשי מחלקת ה-IT בחברה גדולה בבואם לבחור התקן איחסון אחד על משנהו?

בפוסט הבא נבחן את מכלול ההבדלים הטכנולוגיים בין התקני SDD מבוססי DRAM לבין אלו המבוססים על NAND פלאש ונבין (אולי) לאן נושבת הרוח…

פוסט זה נכתב על ידי חדוי שפילברג, העוסק בתפקידי ניהול אפליקציה, ניהול פרוייקטים ופיתוחי אפליקציה שונים בחטיבת ה-Wafer Inspection ב-Applied Materials ופורסם במקור בבלוג הרשמי של Applied Materials ישראל.


פוסט בחסות חברת Applied Materials


אפלייד מטיריאלס הינה החברה המובילה בעולם בתחום פתרונות טכנולוגיות הננו-ייצור (Nanomanufacturing Technology). החברה מספקת סל רחב של מוצרים חדשניים בתחום הציוד, התוכנה והשירות עבור יצרני השבבים המוליכים למחצה, צגים שטוחים, תאים סולריים פוטו-וולטאים, אלקטרוניקה גמישה וזכוכית יעילה אנרגטית.

מאז הקמתה בשנת 1967, אפלייד מטיריאלס מפתחת, מייצרת ומשווקת את טכנולוגיית הננו-ייצור המסייעת כיום בהפקתו של כמעט כל שבב מוליך למחצה וצג שטוח בעולם.

החברה מעסיקה כ-13,000 עובדים ב-91 אתרים הפרוסים על פני 22 מדינות ברחבי העולם. מוצרי החברה השונים מיוצרים בארה”ב, במזרח הרחוק, באירופה ובישראל. בשנת הכספים 2010 דיווחה אפלייד מטיריאלס על הכנסות בשווי 9.5 מיליארד דולר, ועד היום הגישה החברה כ-8,200 פטנטים.

החטיבה העסקית הממוקמת בישראל, PDC, Progress Diagnostics and Control משוייכת לקבוצת מערכות הסיליקון של אפלייד מטיריאלס ועוסקת בפיתוח, בייצור ובהטמעה של מוצרי בקרת איכות לתהליכי ייצור המוליכים למחצה.

כתב אורח

אנחנו מארחים מפעם לפעם כותבים טכנולוגים אורחים, המפרסמים כתבות בתחומי התמחות שלהם. במידה ואתם מעוניינים לפרסם פוסט בשמכם, פנו אלינו באמצעות טופס יצירת קשר באתר.

הגב

15 תגובות על "נפרדים מהכונן הקשיח המסורתי? הצצה מעמיקה ל-SSD"

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 

* שימו לב: תגובות הכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של Geektime, לרבות דברי הסתה, הוצאת דיבה וסגנון החורג מהטעם הטוב ו/או בניגוד לדין ימחקו. Geektime מחויבת לחופש הביטוי, אך לא פחות מכך לכללי דיון הולם, אתיקה, כבוד האדם והדין הישראלי.

סידור לפי:   חדש | ישן | הכי מדורגים
דני
Guest

פוסט יפה. אהבתי שהכל מוצג בצורה פשוטה ואפילו שאני כבר מכיר את הטכנולוגיה היה נעים לקרוא. מחכה לפוסט הבא.

חדוי
Guest

בכיף, אשתדל לפשט ככל הניתן …

דותן
Guest

השוואה מעניינת. אני אשמח אם תתייחסו בכתבת ההמשך לעניין האמינות של הssd ועד כמה נכונה או לא נכונה הפוסטים באינטרנט שמדברים על אורך החיים המוגבל של הכונן בשל הגבלת כמויות הכתיבה והקריאה ממנו. תודה

חדוי
Guest

תודה, דותן.
בהמשך הסדרה אתייחס לנושא אורך החיים של ההתקן ואולי אציג גם כמה דוגמאות של בדיקות שנעשו ע”י יצרנים מובילים. הגבלות הקריאה . כתיבה שאתה מזכיר אכן קיימות, אולם כשבוחנים לעומק מספר פרמטרים השוואתיים רואים כי רב היתרון על החיסרון. במיוחד נכון השימוש בהתקנים מסוג Flash לעומת DRAM. מכיוון, שלדעתי, אין המהירות הפקטור היחיד שיש להביא בחשבון בבואנו לרכוש התקן אחד על משנהו, אשתדל להראות זאת בטבלה משווה כך שיהיה אפשר מיד לקבל מושג לגבי כל פרמטר השוואתי. ואכן, אתה צודק – אמינות יהיה אחד מהם.

עמית
Guest

מחיר, מחיר, מחיר. שווה לראות אם גרף נפילת המחיר/GB של SD יתקרב אי פעם מספיק לזה של הקשיחים, כשההגדרה החשובה היא מתי זה ‘מספיק’..

חדוי
Guest

עמית, מחיר הוא בהחלט גורם מכריע. מיצוב על פי מחיר הוא פקטור יותר קונספטואלי מאשר טכנולוגי. בהמשך אגע גם בסוגיית המחיר מכיוון שכמו בכל דבר בחיים, העלות מול התועלת היא משהוא שאנו שוקלים באופן תדיר. אולם, כל עוד נמצא מישהוא בשוק שמוכן לשלם הרבה בשביל ביצועים יותר טובים, תוכל לראות שלעיתים פער מחירים של פי-200 עבור התקני SSD אינו מהווה מכשול. במיוחד נכון הדבר לגבי שוק השרתים (ולשם אני מכוון את הדיון).

ליאור
Guest
פוסט מעניין. לא הבנתי מה מייצג הגרף? האם זה זמן גישה? אם כן – זהו נתון אחד ולא כ”כ מייצג לגבי ביצועים של SDD. כונן SDD מהיר ביותר, מעביר נתונים סדרתיים בערך פי 4 מהר יותר מכונן קשיח אלקטרומגנטי מהיר. זה אמנם מהיר בהרבה, אך רחוק מאוד מ “3 סדרי גודל”. מנסיון ומבדיקות על המחשב שלי, מעבר מ WD Caviar Black ל OCZ Vertex 2 שיפר בממוצע פי 2 את זמן העלאת התוכנות. לא יותר. 120GB של SSD עלו לי קצת יותר מטרה של כונן רגיל. רק לשים דברים בפרופורציה. בנוסף הייתי שמח לראות לינקים לכונני SSD מבוססי DRAM. חיפשתי… Read more »
חדוי
Guest
הי ליאור, אנסה להסביר ואפרט בטבלה בפוסטים הבאים. מהירות קריאת נתונים מזיכרון Flash דומה למהירות קריאת נתונים מזיכרון DRAM. מהירות כתיבת נתונים לזיכרון Flash נמוכה ממהירות כתיבת נתונים לזיכרון DRAM. זהו אחד הגורמים המבדילים בין רכיב זיכרון מסוג Flash לרכיב זיכרון מסוג DRAM ונובע בעיקר משיטת טכנולוגיית הייצור של הצ’יפים השונים. רכיב ה DRAM כשמו, כן הוא, זיכרון בגישה דינאמית. אולם הוא נדיף. ללא מתח חשמלי פשוט לא יקרא ולא יכתוב. זהו גורם מבדל חשוב נוסף שיש לו השלכות כלכליות על העלות הכוללת של התקן האיחסון. בכל מקרה, שניהם מהירים בהרבה (עשרות מיקרו שניות) מזמן הגישה הממוצע לדיסק הקשיח הסובב,… Read more »
איל בק
Guest

הכותב מתייחס לזמן גישב כיוון שזה המדד הכי משמעותי אשר משפיע על חווית המשתמש.
בסופו של דבר, מרבית הפעולות הין אקראיות ובמובן זה SSD אכן מהיר מספר סדרי גודל מעל מדיה מגנטית

איל בק
Guest

הכותב מתייחס לזמן גישה כיוון שזה המדד הכי משמעותי אשר משפיע על חווית המשתמש.
בסופו של דבר, מרבית הפעולות הין אקראיות ובמובן זה SSD אכן מהיר מספר סדרי גודל מעל מדיה מגנטית

חדוי
Guest

בדיוק, איל.
ומכיוון שמרבית הפעולות הן אקראיות, זמן הגישה לכונן הולכת והופכת פקטור פחות ופחות משמעותי, כי במקביל טכנולוגיית המוליכים למחצה משתפרת. אקראיות היא שם המשחק. כונן סובב לא יכול לקרוא או לכתוב באופן אקראי והאקראיות הופכת לו לרועץ.

משה קפלן
Guest
כפי שכתבו המגיבים מעלי בהחלט יש שני פרמטרים חשובים שצריך לשים לב אליהם: 1. משך החיים של דיסקי ה – SSD 2. העלות התשובה לראשונה היא סדר גודל של 3 שנים, ושל השנייה היא 10 ש”ח ל – GB (שזה פי 10-100 מעלות דיסקים מגנטיים). כמובן שבהנתן שני הנתונים הללו נשאלת השאלה מי יהיה מעוניין בכאלה מוצרים. והתשובה פשוטה כמו שנכתב במאמר: בשלב ראשון ב – DC הגדולים, וגם שמה רק במקומות רלוונטים. בשבועות האחרונים נשאלתי כמה פעמים האם כדאי לנו לעבור ל – SSD, ובכל המקרים היה מדובר על מערכות מבוססות בסיס נתונים גדול. אז למה אלו הצרכנים הראשונים:… Read more »
חדוי
Guest
תודה משה. שאלת המחיר לגבי משתמש הקצה הקטן יחסית תלויה בכמות השימוש באיחזור הנתונים שהוא צריך. אני מסכים איתך שיש עדיפות ל Data Centers גדולים לעבור לשימוש ב SSD אפילו במחיר גבוה יותר פי-100. לגבי אורך החיים – קיימים יצרנים שמריצים SSD בבדיקות כבר מאז 2005 , פותחו אפליקציות שמשדרגות את זמן החיים ואת קצב איחזור הנתונים (כאנאלוגיה לאפליקציות שיש לך עבור smart phones שמאריכים את חיי הסוללה). השימוש ב HDD וב SSD בארונות השרתים במקביל, נעשה בגלל שהטכנולוגיה, חדשה” יחסית ונדרש זמן “פסיכולוגי” לאמצה. ב HDD נפח האיחסון הוא פקטור שיווקי שקל למכור (ג’יגה, טרה, פטה) – אולם טכנולוגיית… Read more »
שאשו
Guest
כתבה מפורטת ! כל הכבוד השבוע מסרתי לידי אחד המתכנתים בחברתנו מחשב חדש הכולל כונן SSD יש לציין דרך אגב – שהמחשב לכשעצמו סופר מהיר ( מק בוק פרו חדש), בזמן הרכישה , המתכנת התעקש לוותר על כונן HDD הגדול שמגיע עם המחשב כברירת מחדל ( 750 GB ) ולהחליפו ב 128 SSD והנה התוצאות : לאחר כמה שעות עבודה אני רוצה לאמר שהמהירות היא פשוט מדהימה פעולות התקנה של תוכנות גדולות נהפכו לממש בדיחה מהירות הקריאה מהדיסק היא פשוט פנטסטית 8 שניות לסטארט אפ ! הערה אחרונה : כולנו חיכינו לימים שבו הכוננים הקשיחים שלנו יהיו יותר גדולים, קלים… Read more »
רמיאל הכנעני
Guest

נו אני במתח , איפה פוסט ההמשך ?

wpDiscuz

תגיות לכתבה: