Co wpływa na wydajność dysków SSD – art. ekspercki Plextor

Co wpływa na wydajność dysków SSD?
O wyższości dysków SSD nad modelami HDD wie już zdecydowana większość użytkowników.
Jednak nie każdy zdaje sobie sprawę, z czego dokładnie wynika ta przewaga. Okazuje się, że
wysoka wydajność napędów półprzewodnikowych to nie tylko zasługa stosowania pamięci flash.
Dyski SSD to z pozoru nieskomplikowane urządzenia, które w rzeczywistości składają się z wielu
współpracujących ze sobą elementów. Wpływ na wydajność, oprócz kości pamięci, mają praktycznie
wszystkie podzespoły typowego dysku półprzewodnikowego. W praktyce okazuje się, że stworzenie
wydajnego i jednocześnie przystępnego cenowo dysku nie jest takie proste, jak by się mogło
wydawać.
Liczy się wnętrze
W dyskach SSD stosuje się 3 rodzaje kości pamięci, różniące się między sobą ceną, wytrzymałością i
wydajnością. Na samym szczycie stawki są pamięci SLC (Single Level Cell), stosowane głównie w
profesjonalnych dyskach serwerowych. Pojedyncza komórka jest w nich nośnikiem dla 1 bita danych,
co ma duży wpływ na wysokie prędkości transferów oraz żywotność. Bardziej przystępne są kości
wykonane w technologii MLC (Multi Level Cell), które oferują najlepszy stosunek ceny do wydajności.
W pojedynczej komórce MLC można zapisać 2 bity danych. Kolejne są układy TLC (Triple Level Cell),
które są coraz częściej stosowane przez producentów. Są najtańsze w produkcji, oraz oferują
wydajność wystarczającą do typowych, domowych zastosowań. Mają też najwyższą gęstość zapisu –
3 bity w komórce.
Ważnym elementem jest wyspecjalizowany kontroler dysku, zamontowany na płytce drukowanej,
który steruje układami flash. Jest on odpowiedzialny za ogólne działanie dysku, w tym logiczną
adresację komórek pamięci, kompresję i dekompresję danych, operacje odczytu i zapisu oraz tzw.
wear leveling, czyli równomierne zużycie pojedynczych komórek flash. Od jego wydajności zależy
szybkość przeprowadzania operacji kasowania oraz zapisywania danych do pojedynczych komórek
pamięci. Najpopularniejsze na rynku są kontrolery Marvell, SandForce, Phison, Micron oraz autorskie
firm Intel, Samsung, czy OCZ.
Tak jak tradycyjne dyski talerzowe, również napędy SSD są wyposażone w pamięć podręczną. Jej
głównym zadaniem jest przechowywanie danych przed fizycznym zapisaniem ich na dysku. Tzw.
bufor ma zazwyczaj rozmiar od kilkudziesięciu do kilkuset megabajtów. Pamięć podręczna
przyspiesza operacje zapisu plików w sytuacjach, kiedy ich rozmiar nie przekracza rozmiaru bufora.
Dlatego im więcej pamięci podręcznej, tym wydajność w niektórych zastosowaniach będzie wyższa.
Warto zaznaczyć, że nie wszystkie dyski SSD posiadają bufory pamięci – przykładem są modele z
kontrolerami SandForce.
Kolejnym elementem, który pośrednio wpływa na osiągi dysku SSD jest firmware, czyli
oprogramowanie układowe. Zawiera ono zestaw instrukcji niskiego poziomu, które zapewniają
prawidłowe działanie podstawowych funkcji dysku oraz jego komunikację z komputerem. W
kolejnych aktualizacjach takiego oprogramowania najczęściej znajdują się poprawki wykrytych
błędów oraz usprawnienia, dodające np. obsługę nowych technologii, czy standardów. W niektórych
przypadkach mogą one podnieść wydajność dysku o kilka lub kilkanaście procent.
Interfejs równie ważny
Sposób podłączenia dysku do komputera ma nadrzędny wpływ na jego wydajność.
Najpopularniejszym interfejsem, stosowanym w komputerach i laptopach jest bez wątpienia SATA,
występujący w różnych wersjach i standardach. SATA II jest najstarszym z nich i oferuje maksymalną
teoretyczną przepustowość na poziomie 350 MB/s. Z kolei nowszy standard, SATA III zapewnia
teoretycznie prędkości do 750 MB/s. W praktyce te wartości okazują się być jednak sporo niższe. Do
interfejsów SATA zaliczają się też mSATA oraz M.2, które zapewniają wydajność na poziomie SATA III,
ale charakteryzują się mniejszymi wymiarami złączy oraz samych dysków.
Interfejs, stosowany w coraz większej liczbie dysków SSD, to PCIe. Jest on wynikiem poszukiwania
alternatyw, pozwalających ominąć ograniczenia standardu SATA III. Prędkość transmisji danych w
przypadku tego złącza jest w stanie przekroczyć w teorii 1 GB/s. Co ważne, PCIe jest też bardziej
energooszczędne, w porównaniu do interfejsu SATA. Na rynku są również dostępne dyski ze złączem
M.2, które obsługują magistralę PCIe. Od modeli dedykowanych dla SATA różnią się one ceną – są
znacznie droższe, ale także wydajniejsze.
Jako ciekawostkę można wymienić SanDisk ULLtraDIMM, czyli prototypowy dysk SSD z interfejsem
DDR3. Rozwiązanie to omija ograniczenia kontrolerów wejścia/wyjścia, zintegrowanych w chipsetach
lub samym procesorze. Dzięki temu, napędy ULLtraDIMM oferują znacznie lepsze parametry w
porównaniu do tradycyjnych dysków SSD. Pojedynczy moduł zapewnia prędkość do 760 MB/s oraz do
1000 MB/s podczas zapisu i odczytu danych. Czas reakcji przy zapisie to mniej niż 5 mikrosekund, a
przy odczycie około 150 mikrosekund. Najszybsze dyski SSD potrzebują od kilku do kilkunastu
milisekund. Jak widać, różnica jest ogromna.
Jeszcze więcej wydajności
Producenci dysków SSD rozwijają też autorskie programy, które zwiększają prędkości odczytu i zapisu
danych w niektórych zastosowaniach. Najbardziej popularną z nich jest wydzielenie dodatkowego
obszaru z pamięci RAM i wykorzystanie go, jako bufora na dane. Wspomniana wcześniej pamięć
cache może mieć rozmiar maksymalnie kilkuset megabajtów. Bufor stworzony z pamięci RAM –
nawet 16 GB. Największe korzyści odniosą jednak tylko użytkownicy, korzystający z zasobożernych
programów – głównie do obróbki grafiki czy materiałów video. Najpopularniejsze programy tego typu
to Plextor PlexTurbo oraz Samsung Magician.
Ciekawym sposobem na zwiększenie wydajności jest stworzenie macierzy dyskowej RAID 0. Jest to
połączenie ze sobą dwóch lub więcej dysków fizycznych w taki sposób, aby były one widoczne w
systemie jako jeden dysk logiczny. Do tego typu rozwiązań najlepiej jest stosować modele o takiej
samej pojemności i szybkości. Użytkownik dostaje do dyspozycji sumaryczną pojemność wszystkich
połączonych dysków. Niezależne testy wykazały, że w typowych zastosowaniach ogólna wydajność
wzrasta o mniej więcej 33 %. Natomiast w testach wielozadaniowości, lub w przypadku programów,
które przetwarzają duże ilość danych, realny wzrost wydajności może wynieść ponad 100%.
Najlepsze podzespoły to nie wszystko
Kombinacja zastosowanych elementów decyduje, z jaką wydajnością będzie pracował dysk SSD.
Dlatego producenci stają przed trudnym zadaniem – zaprojektowanie dysku, który będzie miał
wysoką wydajność, a przy tym zachowa przystępną cenę, jest trudne. Potrzebna jest wiedza i
doświadczenie w dobieraniu poszczególnych komponentów oraz w projektowaniu odpowiedniego
oprogramowania.
Autor: Plextor, www.plextor.com