דילמת ה-SSD: זכרון DRAM או NAND פלאש?

אחרי שכבר למדנו להכיר את כונני ה-SSD, אנחנו צוללים פנימה כדי ללמוד מה ההבדל בין ה-DRAM ל-NAND.

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.

בפוסט הקודם הכרנו את שחקן החילוף של ההארד דיסקים – דיסק מבוסס צ’יפים העונה לשם SSD – Solid State Drive, ועסקנו בדילמה של התקני ה-SSD: האם סוג רכיבי הזכרון צריך להיות מסוג DRAM או מסוג NAND פלאש?

בטבלה 1 מרוכזים מספר מאפיינים חשובים המבדילים בין שתי הטכנולוגיות.

מבוסס על נתונים שנאספו מתוך StorageSearch.com

ממבט מהיר בטבלה נתרשם כאילו התקני ה-DRAM  מובילים על התקני הפלאש ברוב הפרמטרים. אבל מה באמת חשוב? מה באמת קובע?

סגולה לאריכות ימים

בניגוד ל-DRAM, להתקני זיכרון ה-Flash תוחלת חיים מוגבלת. יתר על כן, לשבבי פלאש שונים יש מספר שונה של מחזורי כתיבה לפני ששגיאות מתחילות להתרחש. שבבי פלאש עם 300,000 מחזורי כתיבה נפוצים, וכיום שבבי הפלאש הטובים ביותר מדורגים מעל 1,000,000 מחזורי כתיבה לכל בלוק (עבור 8,000 בלוקים לכל שבב). עכשיו, רק בגלל שלשבב פלאש יש מחזור כתיבה נתון, אין זה אומר כי השבב יחל בהשמדה עצמית ברגע שיגיע לסף.

זה אומר שלפלאש עם 1,000,000 מחיקות/כתיבה גבול סף הסיבולת יגרום רק ל 0.02 אחוז מאוכלוסיית המדגם להפוך לגוש רע (bad sector) כאשר יגיע סף הכתיבה בבלוק מסויים. יצרני פלאש SSD טובים, משתמשים בשתי דרכים להגדיל את תוחלת החיים של הכוננים: ראשית, אלגוריתם “איזון” הבודק כמה פעמים כל בלוק בדיסק נכתב. אלגוריתמי “wear-balancing” המאזנים את הנתונים בצורה אינטליגנטית, מקטינים את השחיקה של הבלוקים ומשמרים את הדיסק. ניתן לחסום בלוק שנכתב מעל סף אחוז מסויים ברקע. על מנת למנוע ירידת ביצועים ה-SSD יחליף את הנתונים בבלוק זה עם נתוני בלוק אחר שסומן “לקריאה בלבד”. שנית, בלוקים פגומים כאשר מתרחשים, ממופים בדיוק כמו שקורה גם על דיסק מסתובב. עם דפוסי שימוש של כתיבת ג’יגה ליום SSD מבוסס פלאש יאריך ימים, מאות שנים, תלוי בקיבולת. אם יש מטמון DRAM בנוסף, יחיה אף יותר.

העיקר שלמות הנתונים

רוב יצרני פלאש SSD משתמשים באלגוריתמים לבדיקת שגיאות המסוגלים לתקן כמה בתים בודדים בבלוק של 512 בייטים. חלקם מיישם בדיקת שגיאות miscorrect פחות חזקה של שלוש שגיאות בייט כ-20% מהזמן. מיטב יצרני פלאש SSD יכולים לתקן שש שגיאות בתים אקראיות (ולזהות תשע) בבלוק של 512 בייטים. רמת ביקורת שגיאות גבוהה תבטיח שהכונן יחיה הרבה יותר זמן מאשר אנשי ה-IT יצטרכו לדאוג.

שלא ימכרו לכם זיכרון נדיף

שלא כמו ה DRAM, פלאש מטבעו בלתי נדיף. אקסיומה ישנה קובעת כי “טווח הקשב של המחשב הוא כאורך כבל החשמל שלו”. זה בהחלט נכון לגבי ה-DRAM. בעוד בזיכרון הפלאש יישמרו הנתונים מעל 10 שנים ללא חשמל, קצת יותר מ-10 אלפיות השנייה ללא מתח וה-DRAM יתחיל לחוות מקרה עצבני ביותר של אמנזיה. בכדי למנוע זאת, SSD מבוססי DRAM חייבים להוסיף סוללות נטענות ודיסקים בכדי לשמור את הנתונים מללכת לאיבוד במהלך הפסקת חשמל. את הסוללות והדיסקים יש לתחזק בכדי שיספיקו להעברת הנתונים אל הזיכרון הבלתי-נדיף.

בואו נשקול לפחות שני תרחישים: הפסקות חשמל עלולות לקרות ברצף מהיר, זה עלול לגרום להפעלת גיבוי של SSD כדי להתחיל מחדש, אשר למעשה מרוקנת את הסוללות בטרם עת. משמעות הדבר היא שהסוללות לא ישמרו מספיק כוח כדי להשלים מחזור גיבוי. שנית, גיבוי ושיחזור של הנתונים לוקח זמן. זה יכול לקחת 30 עד 60 דקות או יותר. זמן גיבוי לרוב אינו כואב, אך איחזור המידע עלול לגרום להארכת הזמן מרגע ההשבתה. כאשר החשמל חוזר, השרת יכול להיות מוכן זמן רב לפני שנתוני ה-SSD משוחזרים מדיסק הגיבוי שלו. מה שאומר שהשרת לא יהיה זמין למשך שעה נוספת בהתאם ליישום – וזה יכול לנוע ממצב של מטרד בלבד עד כדי השבתה עסקית מסכנת.

מארז

רוב כונני ה-SSD מבוססי ה-DRAM גדולים ונמכרים במארזים תעשיתיים .(Rack mount) הם דורשים ספק כוח פנימי גדול, מאווררים, סוללות וכונני דיסקים כדי לשמר נדיפות. לשם השוואה כונני SSD מבוססי פלאש הרבה יותר קטנים, בדרך כלל בתצורה של דיסק רגיל. לכן מטבעם גמישים יותר בצורת השימוש בהם. לעתים קרובות ניתן להשתמש בהם במקום דיסקים מסורתיים במערכי אחסון או ב-bays פנימיים של שרת דיסק. יישומים משובצים ומערכות ניידות דורשים לעיתים קרובות תצורה הרבה יותר קטנה של SSD מבוססי פלאש.

אמינות

שני סוגי ה-SSD אמינים למדי שכן יש מעט, אם בכלל, חלקים נעים. משמעות הדבר היא כי שני הסוגים של כונני SSD הרבה יותר אמינים מאשר דיסקים מסורתיים. עם זאת, בסביבה תובענית ונוקשה יותר, דווקא כונני SSD מבוססי פלאש יפגינו בדרך כלל עמידות גבוהה יותר לוויבראציות ויסבלו טווחי טמפרטורה גדולים יותר מכוננים מבוססי DRAM. חלק מ-SSD מבוססי פלאש נחשבים אפילו קשוחים לשימוש בנאס”א ובצבא ארה”ב. אלה ישרדו בתנאים קיצוניים שיהפכו כל תיבת rack-mount לעיי חורבות.

צריכת חשמל והפצת חום

אחד היתרונות של זיכרון פלאש הוא צריכת חשמל נמוכה הרבה יותר מאשר זיכרון ה-DRAM . לכן, כונני SSD מבוססי פלאש מפיצים הרבה פחות חום מאשר עמיתיהם ה-DRAM. זה גם אומר שהם לא צריכים מאווררים הדורשים מרחב וחשמל לעצמם, מה שמייצר חום ורעש.

תג מחיר

מחלקת ה-IT לא תרכוש פתרון איחסון מבלי להסתכל על תג המחיר שלו. בעוד ששבבי ה-DRAM ושבבי זיכרון פלאש דומים במחיר, העלות הכוללת לכל מגה תהיה בדרך כלל נמוכה יותר עבור כונני SSD מבוססי פלאש. זאת בשל עיצובם הפשוט, חוסר הצורך בסוללות גיבוי ובדיסקים, כמו גם השטח שהם תופסים.

אז מהירות הכי חשובה או לא? בחינה מעמיקה של הפונקציונליות ורשימת התכונות השונות, מאפשרת להתאים כוננים “סופר סטארים” מבוססי זיכרון פלאש לצרכים הספציפיים של האירגון.

יצרני ה-SSD  פועלים במרץ, בכדי למנף את ביצועי הזיכרון הפנימי של הכוננים, בשני תחומים עיקריים:

  • רמת המקבילות במערך הזיכרון
  • רוחב הפס של הזיכרון הפנימי

העלות הגבוהה של ביצועים עיליים

אם נצא מנקודת הנחה שלכל יצרני הכוננים יש גישה לאותם שבבים של RAM או פלאש, צורת החיבורים במערך הזיכרון הפנימי יוצרת הבדלים של עד פי – 10 בין הביצועים של התקני SSD מסחריים. זה לכשעצמו מאלץ מורכבות באיזור הבקר ומייקר את ההתקן. גודל בלוק הזיכרון הפיסי הנדרש גדול יותר עבור הפלאש, עד כדי פי – 50. הבעיה נפתרת חלקית ע”י שימוש בזיכרון מטמון בממשק ה-host אך מגדילה את נפח הכתיבה משמעותית.

הבעיה עם פעולות הכתיבה של קלט/פלט בפלאש SSD

פעולות כתיבה נישנות של אפליקציות מסויימות (פוטושופ, משחקי מחשב, וכד’…) אל ומתוך כונן הפלאש יכולות לגבות זמן ארוך בסדר גודל ממה שהיצרנים מדווחים עליו בספציפיקציות שלהם. לפיכך, נדרש לקבוע מאפיין לפיו ניתן יהיה לאמוד ולהשוות יכולות איחסון בין הכוננים השונים. המושג פעולות קלט/פלט אקראיות (Random IOPs) השתרש במשך השנים כקריטריון ביצועים שימושי למידול אפליקציות על גבי שרתים. קריטריון מס’ פעולות קריאה/כתיבה אקריאיות הפך מ-2003 לדיבור שגור בעולם השיווק של יצרני SSD המכוונים לתחום הגבוה של השוק. מה שיפה בקריטריון זה שקל למכור אותו לצרכנים בעלי רקע בכונני איחסון סובבים, מכיוון שהמספרים המצוטטים נותנים הרגשה ריאליסטית מה תקבל אם תחליף את הדיסק המסתובב שלך בכונן SSD. בימים בהם שלטו שבבי ה-DRAM כמעט בכל האירגונים שהשתמשו בהתקני איחסון SSD, לא היתה לזמני איחזור מידע כתוצאה מפעולת קריאה או כתיבה חשיבות מכרעת, לשתיהן היתה בערך אותה תפוקה. לפיכך, ספקים לא נדרשו להבדיל ביניהן. בטבלה 2 מוצגים מדדים כמותיים המשווים בין טכנולוגיות האיחסון השונות.

”]בפוסט הבא נראה מדוע דווקא גורם האקראיות הפך לאויב הגדול של התקני האיחסון בסיבוב, ה-Hard Disk הטובים והמוכרים.

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

7 תגובות על "דילמת ה-SSD: זכרון DRAM או NAND פלאש?"

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
יוסי מזרחי
Guest

לא הזכרתם כאן כלל את נושא העלויות. בכמה דיסקים מבוססי DRAM יקרים יותר? האם יש צפי שדיסקים מהסוג הזה ימכרו לקהל הצרכני ולאנשים שהם צרכנים כבדים (גיימרים, גרפיקאים) יהיה צורך בדיסקים כאלו?

חדוי שפילברג
Guest
יוסי, תודה על השאלה אכן שאלת המחיר הינה נושא עקרוני במיוחד עבור צרכנים מסוגים שונים. לפיכך, חשבתי להגדיש פרק נפרד לדיון בנושא תימחור הכונן. ההבדלים במחיר בין כוננים מבוססי פלאש לבין כוננים מבוססי DRAM הם בסדרי גודל. המחיר והמיצוב של כוננים מבוססי DRAM גבוה מאד מכיוון שהיצרנים מכוונים התקנים אלה לפלח שוק מסויים של ארגונים ופחות לצרכן הפרטי. באופן כללי המחיר של הכוננים מאד וולאטילי מכיוון שיש ביקוש רב, אולם ההערכה היא שנראה פחות ופחות DRAM לאורך השנים, כי הפרשי הרווח מזכרונות פלאש הולך וגדל והטכנולוגיה שלהם הופכת נפוצה יותר בקרב המספר המועט של יצרני הזכרונות המובילים. לפיכך, גם גיימרים… Read more »
ליאור בר-און
Guest

תודה על הפוסט – אבל הנה שאלה מטרידה:

מה ההבדל בין “כונן SSD מסוג DRAM” ומחשב שמחזיק הרבה זיכרון (מה שנקרא פעם NAM)?
ראיתי באתר של Violin Memory שהם מדברים על “כונן” שתופס 3U ב Rack, שזה כמו שרת גדול.

זה נשמע כאילו כל הסיפור של ה “SSD מסוג DRAM” הוא תרגיל שיווקי לרכוב על גל הפופלאריות של כונני SSD בכדי למכור חוות זיכרון (לא דבר חדש) – ואין כאן שום טכנולוגיה עקרונית חדשה.
עצם זה שהזיכרון הוא נדיף – כבר מייצר סימן שאלה גדול האם מדובר באמת בדיסק קשיח או פיתרון חליפי מתחום אחר.

תודה מראש על התשובה.

חדוי שפילברג
Guest
הי ליאור, איני חושב שיש כאן תרגיל שיווקי (חוץ מזה מה רע בשיווק טוב אם הוא משיג את מטרת הארגון?). כל חברה שמכבדת את עצמה אינה יכולה לבסס עצמה על מוצר בודד אחד אם היא שואפת לגדול. הפורט פוליו של Violin Memory חייב להציע מגוון מוצרים. מכיוון שהחברה ביססה עצמה בשוק ההתקנים המהירים והיקרים יותר (high end market) היא משתמשת בזיכרונות מסוג DRAM בכונניה התעשייתיים. מאידך, היא לא מתעלמת מהעובדה שיצרני זיכרונות ה DRAM מתמעטים וחייבת לבצע שינוי הדרגתי בהיצע המוצרים שלה. ניתן לעשות זאת בשלוש דרכים: לקנות פטנט, לקנות טכנולוגיה, לשתף פעולה עם יצרן משלים אחר …. אדון בכך… Read more »
דוד קודיש
Guest

מוכרח לומר שפעם ראשונה שאני שומע על כונני SSD מבוססי DRAM אז תודה! אני יודע שיש זכרונות DRAM שמוסיפים להם סוללה כדי למנוע בעיות כתוצאה מהפרעות מתח אבל זה לא ממש כונן.

איכשהו אני לא רואה את השוק של כונני ה- DRAM תופס נפח משמעותי. ישנם בשוק הרבה טכנולוגיות שמתיימרות להוות אלטרנטיבה לשוק ה- DRAM כמו MRAM, PCM ואחרות שיתנו מהירויות של DRAM עם זכרון בלתי נדיף (המחיר שלהם יהיה שאלה אחרת).

מעניין.

דידי עצמוני
Guest
כונני SSD מבוססי DRAM או פלאש הינם מהירים מאד והם תחילתה של מהפכה בעולם האיחסון בהיבט של ביצועים. כיום יש מערכות כמו K2 של קמינריו – החברה בה אני עובד (www.kaminario.com) ואחרות אשר מייצרות מערכות אחסון המיועדות לחברות אנטרפרייז, מבוססות SSD, המספקות את כל השירותים להם מצפים ממערכות כאלו (שכפול פנימי, חיצוני, יתירות וכד’). המעניין הוא שיש גם צורך בארכיטקטורה חדשה ופיתוח מתאים על מנת לנצל את הטכנולוגיות הנ”ל – מהירות ביצועים מצד אחד ונדיפות (ב-DRAM) ועמידות (בפלאש) מצד שני. אם יש משהו שלמדתי בארבע השנים האחרונות הוא שזה ממש לא “לדחוף” זכרון או כוננים לשרת. גלוי נאות – אני… Read more »
חדוי שפילברג
Guest
תודה על הגילוי הנאות , דידי. בהחלט כפי שעניתי לדוד, הדילמה המוצגת בפוסט הנוכחי היא אמיתית. השאלה הראשונה שניסיתי לגעת בה בפוסט הראשון היתה היכן יש יתרון לכונן מסוג SSD על פני HDD. השאלה בה ניסיתי לגעת בפוסט השני היתה איזה סוג של SSD עדיף למטרון האירגון. כפי שציינת, ואני מניח שאתה יכול לרתום לכך הוכחות טוב ממני, כוננים מבוססי DRAM מיועדים לפלח שוק אחר מכוננים מבוססי FLASH ובעיקר משמשים לארגונים גדולים בהם נדרשים ביצועים מהירים. זה לא שולל את העובדה שנדרש פיתוח ארכיטקטורה תומכת חדשה שתנהל את הנתונים על מנת לשמר מהירות. במקביל זכרונות ה FLASH עברו כברת דרך… Read more »
wpDiscuz

תגיות לכתבה: