Твердотельный накопитель SSD

Курсовая работа

на тему:

"Способы записи информации на винчестер, головки чтения-записи"

 

 

Введение

 

Винчестер (Hard Disk Drive, HDD, накопитель на жестких магнитных дисках, НЖМД, жесткий диск, «винт», «хард») - это устройство, предназначенное для долговременного хранения операционных систем, программ и данных.

По способу записи и чтения информации винчестеры относятся к магнитным накопителям. Все файлы, размещенные на HDD, будут сохраняться без каких-либо потерь независимо от того, включен ПК или нет. Любые файлы могут быть скопированы, а программы проинсталлированы на HDD. Винчестер - самая важная вещь для Вас и вашей информации.

Относительно корпуса ПК различают внутренние и внешние винчестеры. Внутренние HDD - дешевле, но их максимальное количество ограничивается числом свободных отсеков корпуса, мощностью и количеством соответствующих разъемов блока питания. Установка и замена внутренних HDD требует выключения ПК. Внутренние HDD с возможностью «горячей» замены (Hot Swap) представляют собой те же винчестеры, но установленные в специальные кассеты с разъемами. Кассеты вставляются в специальные отсеки со стороны лицевой панели корпуса, конструкция позволяет вынимать и вставлять накопители при включенном питании. Для стандартных корпусов существуют недорогие приспособления (Mobile Rack), обеспечивающие оперативную съемность стандартных винчестеров.

Внешние HDD имеют собственные корпуса и блоки питания, их максимальное количество определяется возможностями интерфейса. Обслуживание внешних накопителей может производиться и при работающем ПК (критично для серверов), хотя и может требовать прекращения доступа к части дисков.

Для больших объемов хранимых данных применяются блоки внешних HDD - дисковые массивы и стойки - сложные устройства с собственными интеллектуальными контроллерами, обеспечивающими (кроме обычных режимов работы), диагностику и тестирование своих накопителей.

Самые сложные и надежные устройства хранения состоят из множества HDD и называются RAID-массивами.

Характеристики:

·   Интерфейс:

Серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

·   Ёмкость:

Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на сентябрь 2011 г. достигает 4000 ГБ (4 Терабайт) и близится к 5 Тб [5]. В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГБ.

·   Физический размер (форм-фактор):

Почти все современные (2001-2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма - под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

·   Время произвольного доступа:

Среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения / записи на произвольный участок магнитного диска.

Диапазон этого параметра - от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 - 3,7 мс), самым большим из актуальных - диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 - 12,5 мс). Для сравнения, у SSD накопителей этот параметр меньше 1 мс.

·   Скорость вращения шпинделя:

От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10000 (персональные компьютеры), 10000 и 15000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

·   Надёжность

·   Потребление энергии

·   Сопротивляемость ударам

·   Скорость передачи данных при последовательном доступе:

внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Сведения из истории:

Жесткие диски почти так же сложны, как и микропроцессоры. Кроме того, за последние двадцать лет они достигли потрясающего прогресса в емкости, скорости и цене. Одни из первых винчестеров для персональных компьютеров имели объем порядка 5-10 Мб и цену порядка $100 за Мб. Современные накопители на жестких дисках имеют емкости, превышающие сотни гигабайт. А стоимость мегабайта информации уменьшилась до уровня менее одного цента за мегабайт! Это показывает улучшение данного показателя более чем на миллион процентов за последние 20 лет.

В начале 70-х годов фирмой IBM был разработан первый накопитель на жестких магнитных дисках (14-дюймовый).

Диск позволял записать 30 дорожек по 30 секторов в каждой из них (30/30) и мог хранить до 16 Кбайт информации. Вначале ему присвоили название 30/30, именно по этому жесткий диск получил название винчестер. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск именно так.

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в российском же компьютерном сленге название «винчестер» сохранилось, сократившись до слова «винт».

В 1973 году фирма IBM создала первый HDD с несколькими дисками емкостью 140Мб, который продавался по цене $8600.

Развитие HDD-технологий можно разбить на пять этапов:

·   Первый (до 1979 года) - использование «классических» индуктивных головок записи / воспроизведения;

·   Второй этап (1979-1991 гг.) - применение тонкопленочных головок;

·   Третий (1991-1995 гг.) - применение магниторезисторных (MR, Magneto-Resistive) головок;

·   Четвертый (1995-2000 гг.) - применение супермагниторезистивных головок (GMR, Giant Magneto-Resistive): уменьшение магнитного зазора в записывающей головке и повышение чувствительности головки чтения за счет использования материалов с аномально высоким коэфициэнтом магниточувствительности;

·   Пятый (с 2000 года) - появление моделей с новым типом магнитного покрытия - с антиферромагнитной связью (AFC) при сохранении параметров магнитных головок;

Рассмотрим эти этапы несколько подробнее:

·   1956 год

Выпущен жесткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC.

Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объем памяти 50 вращавшихся в нем покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных байт (3,5 Мб в пересчете на 8-битные байты). Производился до 1957 года.

·   1961 годизобретает головку для жестких дисков, которая «летает» на воздушной подушке или на «воздушных подшипниках».

·   1963 год

Первый съемный жесткий диск «1311» от IBM, оснащенный шестью 14-дюймовыми пластинами и 2.6 Мбайт.

·   1966 годпредставляет первый диск, использующий головку для записи из ферритовой катушки.

·   1973 годанонсирует 3340, первый современный «Винчестер», с герметичным монтажом, смазанными шпинделями, и малой массой головок.

·   1978 год

Первый патент технологии RAID (избыточный массив независимых дисков).

·   1979 год

от IBM использует семь 14-дюймовых пластин для хранения 571 Мбайт, первый диск использующий тонкопленочные головки.

·   1980 годпредставляет первый гигабайтный жесткий диск. Он размером с холодильник, весит около 550 фунтов, и стоит $ 40.000.

·   1983 годвыпускает первый 3,5 - дюймовый жесткий диск; RO352 включает в себя две пластины и хранилище в 10 Мбайт.

·   1984 годDigital создает первую контроллерную плату жесткого диска для IBM PC / AT - и устанавливает стандартны.

·   1985 годData, Compaq Computer, и Western Digital начинают сотрудничество, чтобы разработать 40-пиновый IDE интерфейс (IDE = Intelligent Drive Electronics, более известный как Integrated Drive Electronics).Digital выпускает первые контроллерные платы ESDI (Enhanced Small Device Interface), предоставляющие большие емкости и более быстрые жесткие диски для использования в персональных компьютерах.

·   1988 годTek выпускает «220», первый 2,5 - дюймовый жесткий диск предназначенный для растущего рынка ноутбуков, он использует две пластины для хранения 20 Mбайт.

·   1990 годDigital представляет свой первый 3,5 - дюймовый жесткий диск Caviar IDE.

·   1991 годпредставляет 0663 Corsair, первый диск с тонко-пишущими магниторезистивными (MR) головками. Он включает в себя восемь 3,5 - дюймовых пластин и сохраняет 1 Гбайт.

·   1992 год- первая компания на рынке, выпускающая 2.1 Гбайт жесткие диски (Barracuda с 7200-оборотами в минуту).

год

·   Western Digital разрабатывает Enhanced IDE, улучшеный интерфейс жесткого диска, который разбивает 528 MB/sec пропускной барьер.

·   1996 годсохраняет 1 миллиард бит на квадратный дюйм.

·   1997 годпредставляет первый диск, использующий гигантские магнито-резистивные (GMR) головки, 16.8 GB Deskstar 16GP Titan, в котором размещаются 16.8 Гбайт на пять 3,5 - дюймовых пластин.

·   2002 год

Новые разработки Seagate обеспечивают перпендикулярную магнитную плотность записи в 100 Гбит на квадратный дюйм.

·   2003 годDigital представляет первый 10000-rpm жесткий диск SATA, 37 GB Raptor, предназначенный для предприятий. Правда, геймеры осваивают его также быстро.

·   2005 годпредставляет свой MK4007 GAL, который содержит 40 Гбайт на одной 1,8 - дюймовой плате, и использует технологию перпендикулярной магнитной записи.

·   2006 год

Жесткий диск для ноутбуков Momentus 5400.3 от Seagate - первая 2,5 - дюймовая модель с использованием перпендикулярной магнитной записи (повышает его объем до 160 Гбайт).

Релиз Seagate Barracuda 7200.10, в 750 Гбайт - крупнейший жесткий диск на тот день.

·   2008 годDigital, не смотря на провалы у конкурентов, успешно преодолевает очередной барьер и выпускает первый 3.5» диск объемом 2 Тбайт

·   2009 год

Официально опубликованы спецификации SATA 3.

·   2010 годDigital снова первые - выпущены диски объемом 3 Тбайт.

·   2011 год

Благодаря агрессивному маркетингу производителей дисков и чипсетов, SATA3 постепенно становится стандартом де-факто.

 

Твердотельный накопитель SSD

 

Перед тем как, рассматривать способы записи информации на винчестер и виды головок чтения записи, целесообразно было бы рассказать о другом устройстве хранения информации и сравнить его с HDD накопителями.

Этим устройством является Твердотельный накопитель (SSD, solid-state drive) - компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Не содержит движущихся механических частей,

Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти.

В настоящее время твердотельные накопители используются в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах.

Проведем сравнение HDD и SDD в реальных рабочих условиях.

Запуск, выключение системы, а также уход и выход из спящего режима:

Посмотрим, сколько времени уходит на старты и выключения операционной системы на различных носителях. Так же на уход и выход из гибернации.

Для начала сравним, как тут стартовала чистая система.

 

Чистая система	SSD Corsair X128	HDD 7200.2	HDD 5400.6
Cтарт	22-24-24 (21-53-53) с	32-43-53 (±2) с	42-50-57 с
Уход в гиб.	13 с	18 с	17 с
Выход из гиб	17 (от 15 до 22) с	19-21-44 (1,06) с	20-21-55 с
Завершение работы	8 (6-9) с	14 с	12 с

 

При старте системы SSD значительно быстрее. SSD быстрее и в остальных дисциплинах, где-то существенно, где-то не очень, если считать, что на треть - это «не очень».

В борьбе дисков наконец-то немного вырвался вперед 7200.2. Как видите, с ним система будет запускаться и выходить из гибернации чуть-чуть быстрее. Причем преимущество стабильное, хоть и небольшое - вы сэкономите 2-4 секунды.

Посмотрим, что получится, если использовать рабочую систему.

 

Рабочая системаSSD Corsair X128HDD 7200.2HDD 5400.6
Старт	26-30-54 с	33-50-2.06 с	35-50-1.50 с
Уход в гиб.	24 с	37 (30, 38,39) с	36 (45) с
Выход из гиб	18-20-1 мин - долго	21-28-долго	20-24-долго
Завершение работы	19 с	23 (22, 17, 28) с	22,5 с

 

Сразу оговорюсь, что значит «долго» - это больше двух с половиной минут. По ощущениям, в разных случаях это время составляло где-то от трех с половиной до пяти минут. Но на работу активность диска почти не влияет.

Жесткие диски идут очень близко, разницы в работе невозможно заметить. Вполне возможно, новый жесткий диск на 7200 оборотов даст чуть лучшие результаты, но насколько? Секунду? При этом разброс результатов достигал иногда 5-6 секунд. Т.е., как видите, на рабочей системе разница в производительности диска нивелируется. Возможно, она проявится в каких-то специфических задачах (говорят, в некоторых случаях кодирования видео диск очень важен), но при выполнении стандартных задач разница именно по цифрам незначительна.запускается быстро, в гибернацию уходит быстро (плюс, что немаловажно, в то время, когда система пишет данные для ухода в гибернет, ноутбук уже можно собирать в сумку, не надо ждать), выходит… по цифрам не намного быстрее, но мне все равно показалось, что с ним система работает пошустрее. Плюс, если жесткий диск крутится постоянно и аж слышен хруст от работы, то с SSD данные считывают порциями и с паузами. Выключение системы везде примерно одинаково, но я думаю, что этот процесс просто не настолько зависит от дисковой подсистемы.

Везде время увеличилось примерно вдвое. Причем именно вдвое - независимо от того, маленькая или большая исходная величина. Следовательно, если вы хотите получить максимально быструю систему, то надо не только апгрейдить накопители, но и уделять внимание оптимизации самой системы, а главное - отбирать приложения, которые будут работать. Это гораздо дешевле и также способно принести неплохие дивиденды.

Тесты на копирование файлов:

Ну что же, перейдем к самым, на мой взгляд, интересным тестам - тестам на копирование данных. Эти тесты нам интересны по двум причинам: во-первых, это именно тот случай, когда скорость дисковой подсистемы определяет затрачиваемое время, а во-вторых, по этим данным косвенно можно определить, как быстро будут запускаться приложения и открываться файлы: ведь это тоже операции чтения с диска. По ним можно оценить скорость работы дисков и SSD в ежедневном режиме, когда они, например, запускают приложение или открывают файл.

Напомню, файлы копировались с одной партии диска на другую, т.е. диск и читал, и писал данные.

 

	SSD Corsair X128	HDD 7200.2	HDD 5400.6
Фильм D-C	9 с	35 (32, 42) с	26 с
Фильм C-D	7 с	25 (25, 30) с	28 (24 и 32) с
Документы D-C	26 (24, 30) с	1 мин 19 с	1 мин 22 с
Документы C-D	28 (23, 30) с	1 мин 40 с	1 мин 40 с (1,36, 1,44)
Архивы D-C	8 (7, 11) с	32 с	35 с
Архивы C-D	14 (12, 16) с	28 с	42 с
Копирование 4,7 ГБ	1 мин 20 с (1,14, 1,31)	4 мин 41 с*	3 мин 31 с
Разархивирование	1 мин 20 с (1,01-1,55)	3 мин 45 с **	2 мин 17 с (3,08)
Стирание с С	24*** с	н/д	44 мин 15 с***
Стирание с D	21*** с	5 мин 06 с***	42 мин (16 мин 41 с)**

Пометочки

*Это с D на C. C на D копируется за 3,45

**Это на C. На D разархивируется за 5,11.

*** проводник стирает все за секунду-две

В целом, видно, что у всех накопителей скорость зависит от размера файлов, хотя у SSD разницы между фильмом и набором архивов почти нет (только проявилась странная зависимость от того, куда копируется). Чем ближе процесс чтения и записи к линейному, тем выше скорость. В абсолютных цифрах накопитель SSD лидирует с большим отрывом: речь идет чаще всего о трех-четырехкратном превосходстве. Все, что называется, «летает». В самой сложной категории, наборе документов, отрыв еще более значителен.

Кстати, раз уж речь зашла о сравнении, обратите внимание, что копирует большой объем 5400.6 сильно быстрее, чуть ли не на минуту. Да и разархивирование у него происходит в среднем быстрее (хотя при разархивировании время сильно скакало). В копировании файлов 7200.2 не удалось выйти вперед, хотя я на это рассчитывал.

Установка и запуск приложений:

Итак, посмотрим, насколько разница велика в повседневной работе, а именно, в таких задачах как установка и запуск программ. В принципе, я старался подобрать с одной стороны приложения, которые используются относительно часто, а с другой - большие пакеты, где разница во времени установки существенная, и которые требуют относительно много времени для завтрака.

 

Установка	SSD Corsair X128	HDD 7200.2	HDD 5400.6
Пакетная установка	2 мин 23 с	6 мин 13 с	н/д
Acronis	2 мин 31 с	2 мин 45 с	н/д
Zonealarm	1 мин 03 с	2 мин 05 с	н/д
Adobe	4 мин 31 с	12 мин 41 с	н/д
Cyberlink	1 мин 40 с	3 мин 10 с	н/д
Office 2007	3 мин 32 с	4 мин 55 с	н/д
Crysis Warhead	24 мин.	28 мин 53 с	34 мин 50 с
HawX	4 мин 13 с	9 мин 08 с	08 мин 24 с

 

Поскольку большая часть тестов на 5400.6 не запускалась, сравнение пойдет в основном между одним жестким диском и SSD. В целом, как мы видим, преимущество SSD - в два-три раза. Правда, есть некоторые исключения, например, Acronis поставился примерно за одно время, да и разница при установке Office не так уж велика. Либо при установке этих приложений работа именно с диском не играет существенной роли, либо приложение устанавливается так, что SSD работает неэффективно. Обратите внимание на игры. При установке Crysis Warhead разница невелика, более того, еще и очень странно распределились места среди жестких дисков. Зато HawX демонстрирует практически классическую схему.

Как видите, в большинстве случаев преимущество SSD сохранилось.

Выводы:

Скорость:

В подавляющем большинстве случаев SSD значительно быстрее традиционных жестких дисков. Преимущество составляет от двух до трех раз - это очень много, отрыв просто огромен. Таким образом, итоги синтетического тестирования в целом подтвердились, хотя там преимущество SSD было еще более значительным. Впрочем, это нормально: операционная система и много других факторов вносит свой вклад, сглаживая разницу в скорости работы различных типов накопителей.

Размер:

Что касается размера, то в абсолютных же цифрах SSD сильно проигрывает. На данный момент даже 128-гигабайтные модели стоят очень больших денег, к тому же, цена очень сильно зависит от емкости: чем больше места, тем дороже (и сильно дороже) накопитель. В то же время, 500-гигабайтный жесткий диск можно прикупить очень недорого.

Если речь идет о домашнем мультимедийном ноутбуке, да еще и единственном (т.е. без внешних носителей для архива), то SSD точно не подойдет: его емкости очень быстро перестанет хватать. В этом случае SSD принесет прирост скорости, но придется иметь дополнительный внешний жесткий диск для хранения данных.

Надежность:

Еще один огромный плюс SSD: повышенная надежность в повседневной работе. Ведь он нечувствителен к ударам и вибрации. Однако при этом у него есть определенные сроки службы связанные с количеством циклов перезаписи информации на него. В среднем оно измеряется от 10000 до 100000 циклов.

Цена:

Самый сложный аспект, ибо стоят современные быстрые SSD очень дорого. Примерно раза в 3-4 дороже жесткого диска, который еще и раза в три более емкий. Т.е. насколько быстрее, настолько меньше и настолько же дороже.