О прошлом и будущем твердотельных накопителей SSD

Однако таких заметных приростов производительности новые NVMe не показали, если сравнивать с обычными классическими жёсткими дисками и первыми SSD. Так что же есть на текущий момент и что же ожидать в будущем, рассмотрим далее.

SSD уже не просто только быстрые

С началом внедрения NVMe накопителей в дата-центры выявились некоторые недостатки. По статистике дата-центров Google, озвученное в 2016 году после шестилетнего наблюдения, серверные SSD диски NVMe значительно реже выходили из строя, чем обычные HDD. Однако было отмечено, что частота появления критических ошибок у NVMe значительно выше, чем у жёстких дисков.

Было отмечено, что на срок жизни микросхем памяти накопителя не так влияет количество перезаписей, как время его непрерывной работы. Скорее всего это было вызвано «старением кремния». Была выявлена ещё одна проблема, если при записи информации на накопитель он обесточивался, после этого почти всегда на нём появлялись критические ошибки с возможной полной потерей данных.

Благодаря этим исследованиям были выявлены проблемные места, которые необходимо доработать. Производители лучше проработали начальное резервирование ячеек и выравнивание износа. От предотвращения появления возможных сбоев при пропадании напряжения накопители оснащались или резервным источником энергии, или супер-конденсатором.

На сегодняшний момент частично остаётся проблема сохранения данных на NVMe накопителях пользовательского сегмента при длительном отсутствии питания, но речь идёт о сроках год и более.

Возможности реализации многодисковых массивов на NVMe накопителях значительно превосходят известные RAID для HDD. Всё большую популярность набирают отдельные аппаратные решения, которые могут суммировать все установленные накопители с возможной их горячей заменой и в системе отображать как один диск.

Такие контроллеры самостоятельно занимаются распределением нагрузок между дисками без участия центрального процессора и не расходуют ресурсов системы, как в случае с VROC.

NVMe + Smart NIC + GPU

В теории, некоторые недостающие функции шифрования и сжатия, или прямого доступа к памяти накопителя, можно было бы организовать совместно с умными сетевыми картами, или, наконец, научить видеокарты не только зарабатывать криптовалюту.

Все эти устройства используют общую шину PCI-e, и, теоретически, возможно было бы организовать какой-то протокол взаимодействия между программируемой сетевой картой и накопителем NVMe, чтобы данные шли минуя процессор, и не использовали его ресурсы. В идеале подошёл бы даже Smart NIC FPGA с его известными ограничениями. Но здесь мы опять сталкиваемся с непредвиденными проблемами, а именно:

1. Излишняя нагрузка на сам твердотельный диск. В системе он и так активно используется почти на 100%, то есть дополнительные запросы к нему приведут к перегрузке и избыточному тепловыделению
2. Всё же центральный процессор, в итоге, оказывается более предпочтителен ввиду его технических особенностей. Тот же графический процессор имеет совсем другое предназначение
3. Такой эксперимент пыталась поставить одна компания, которая реализовала связку NVMe + GPU. Ничем хорошим это так и не закончилось, потерпев фиаско. Контроллер накопителя сильно перегружал видеопроцессор, который, в свою очередь, перегружал микросхемы памяти с обильным тепловыделением с обеих сторон

Кроме того, ресурс NVMe не безграничен, и срок его службы заканчивается относительно быстро если сравнивать с видеокартами, которые работают, в подавляющем своём большинстве, до момента их морального устаревания. Разные сроки службы окончательно поставили крест на всех попытках объединения твердотельных дисков по шине с другими устройствами, потому что это элементарно создавало проблемы с установкой сроков и условий гарантийного обслуживания.

Скорость NVMe

Ещё больше вопросов к реальной скорости твердотельных дисков, которая на данный момент не превышает 10 ГБ/с, причём такая скорость применима только к накопителям 5 поколения для PCI-e 4x4. В это же время современная оперативная память DDR5 работает со скоростью 5600 Мб/с.

Такое соотношение действительно вызывает вопросы, почему всё ещё так медленно. Но здесь есть и свои тонкости. Если сравнивать стоимость гигабайта ОЗУ и твердотельного накопителя, то перевес будет однозначно не в пользу оперативной памяти. Да и размеры самих микросхем другие. В ближайшее время ожидается появление микросхем NAND объёмом 2 ТБ, что сделает возможным создание NVMe накопителя общим объёмом до 256 ТБ.

Но мы всё же о скорости. Сейчас полным ходом идёт разработка новых микросхем памяти PLС NAND. На сколько они будут быстрее или более ёмкие, пока можно только догадываться по отдельным отрывкам из малочисленных источников в сети.

Основная задача появления нового типа памяти – это получить конечный сбалансированный конкурентный продукт, который заинтересует большой круг потенциальных покупателей. И этот готовый продукт должен быть привлекателен не только ценой, а ещё и скоростью, надёжностью хранения данных, количеством циклов перезаписи, механизмом распределения нагрузок, и, конечно же, быстродействием. Появление новинок обещают не раньше 2025 года.

Для примера можно посмотреть, как появлялся тип памяти QLC. В теории, микросхемы должны были подешеветь на треть по сравнению с типом TLC из-за более высокой плотности. Однако, в реальности, разница составила не более 10%. Затраты на производство никто не отменял, в частности из-за ограничений по производительности оборудования завода.

А вот программирование QLC происходит в 4-6 раз дольше, чем у TLC, но вот количество циклов перезаписи больше вдвое. Соответственно каждая из них найдёт своего покупателя, кому-то нужна скорость, а кому-то – долговечность.

Горячо, а будет ещё горячее

Известно, что производительность NVMe с лихвой перекрывается их тепловыделением и иногда становится очень неприятным сюрпризом. Проблему установки таких накопителей в ноутбуки не обсуждал только ленивый. К тому же нередко возникают проблемы и в обычных компьютерах, где NVMe накопитель установлен в слот под видеокартой, щедро подогревающей и без того горячий SSD тёплым воздухом от собственной системы охлаждения.

Причём температуры, превышающие 50 градусов, очень многие производители называют губительными для накопителей, может наблюдаться их нестабильная работа и даже аппаратные сбои с потерей данных.

Если новые NVMe станут производительнее, то и тепла они будут выделять больше. И без того уже внушительные системы охлаждения этих накопителей, нередко значительно превышающих массу самой платы с микросхемами, может не хватать.

Системы охлаждения будущего могут выглядеть как миниатюрные башни охлаждения для процессоров, с несколькими трубками-теплоотводами и активным вентилятором во главе. Такая конструкция может создать множество неудобств при установке даже в материнскую плату обычного компьютера, что уже говорить о консолях и ноутбуках.