Выбор из множества форм-факторов SSD

SSD-накопители выпускаются в самых разных форм-факторах. Давайте рассмотрим некоторые из них, чтобы лучше понять, где они могут найти применение.

SSD-накопители имеют самые разные механические конфигурации и расположение разъемов. Эта статья призвана прояснить некоторые моменты, которые могут вызвать затруднения у пользователей при выборе типа SSD-накопителя, наиболее подходящего для конкретной ситуации.

На самом высоком уровне SSD определяются не только их емкостью в гигабайтах или терабайтах, скоростью (с использованием различных показателей, на которых мы здесь не будем останавливаться) или, естественно, ценой. Они также подразделяются по типам интерфейсов и физическим размерам, сочетание которых часто называют форм-фактором SSD. Накопитель может называться 2,5-дюймовым SATA (или 2,5″ SATA) или 2230 NVMe.

Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных категорий SSD, чтобы получить общее представление о том, как все это работает.

До начала XXI века твердотельные накопители (SSD) были дорогостоящим вариантом для определенных нишевых применений и, чтобы завоевать признание, должны были соответствовать стандартам остальной компьютерной индустрии. Это означало, что они не только соответствовали интерфейсам жестких дисков (HDD), но и во многих случаях были изготовлены в соответствии с механическими контурами HDD, внешние размеры которых были рассчитаны на размер диска внутри корпуса. К тому времени в индустрии HDD утвердились два основных диаметра дисков: 2,5 дюйма и 3,5 дюйма. Они взаимодействуют с помощью одного из двух стандартных интерфейсов:

• ATA — AT Attachment, относящийся к IBM PC-AT начала 1980-х годов, также называемый IDE (Integrated Drive Electronics).
• SCSI — Small Computer System Interface.

Когда SSD начали широко использоваться, интерфейс ATA был признан достаточно медленным, чтобы сдерживать высокоскоростные возможности SSD, однако SCSI, хотя и был быстрее, был дорогостоящим в реализации, поэтому была введена более быстрая последовательная версия протокола ATA, получившая название Serial ATA или SATA. В связи с этим исходный интерфейс ATA получил новое название PATA (Parallel ATA).

Сторонники SCSI постарались повторить преимущества SATA, представив интерфейс Serial-Attached SCSI, сокращённо SAS.

Хотя многие SSD-накопители с интерфейсом PATA по-прежнему доступны, в основном это нишевый продукт, поставляемый специализированными поставщиками для устаревших систем. SSD-накопители с интерфейсом PATA, как правило, предназначены для применения в сфере промышленной автоматизации и изготавливаются с нестандартными механическими размерами, меньшими, чем у жестких дисков, которые они имитируют.

Рынки SSD-накопителей PATA и SCSI в значительной степени были захвачены SSD-накопителями SATA и SAS, которые поставляются в корпусах формата жестких дисков 2,5″ и 3,5″ и до сих пор широко используются. Эти два интерфейса прошли через последовательные увеличения скорости, которые могут быть обеспечены SSD-накопителями, но которые намного быстрее, чем любой жесткий диск.

SSD-накопители SATA широко используются везде: от старых ПК и настольных компьютеров до серверов и массивов хранения данных. Большинство SSD-накопителей SATA продается в 2,5-дюймовом форм-факторе, размеры которого повторяют размеры 2,5-дюймового жесткого диска. Хотя рынок SSD-накопителей SATA не растет, этот формат должен оставаться широко доступным еще несколько лет.

SSD-накопители SAS в основном используются в массивах хранения данных, но даже в этой области их использование сокращается, поскольку они заменяются одним или несколькими из перечисленных ниже SSD-накопителей на базе PCIe. Тем не менее, SSD-накопители SAS по-прежнему широко доступны и обычно продаются в корпусе, размеры которого соответствуют размерам 3,5-дюймового HDD.

Еще одно изменение произошло примерно в то же время, когда SSD стали широко распространены. Пользователи жестких дисков, которым требовались высокая скорость и большие объемы, часто подключали к системе несколько жестких дисков с помощью RAID-контроллера или адаптера хост-шины (HBA). Оба этих устройства представляли собой платы, управлявшие несколькими жесткими дисками и направлявшие их коммуникации к ЦП через интерфейс PCIe (Peripheral Component Interface, Express).

Системы, требующие экстремальной скорости, иногда соединяли дорогостоящие на тот момент SSD-накопители с помощью платы HBA или RAID.

Предприимчивые разработчики SSD, во главе с новатором в области PCIe SSD — компанией Fusion-IO, оптимизировали эти системы, объединив чипы нескольких SSD и HBA или RAID-контроллера на одной PCIe-карте, как правило, используя один из уменьшенных форматов PCIe, который составлял половину полной высоты и половину длины (HHHL, от half-height, half-length) полноразмерной PCIe-карты. Этот формат SSD также получил название Add-In Card, или AIC.

SSD-накопители PCIe обеспечивали значительное преимущество в скорости по сравнению с жесткими дисками, подключенными через HBA или в массивах RAID, однако их емкость была ограничена, поскольку питание таких накопителей осуществлялось через разъем PCIe, обеспечивающий всего 25 Вт. (Жесткие диски, подключенные через RAID-контроллер или карту HBA, снабжались собственным шнуром питания.) Эта проблема была решена благодаря последующим обновлениям стандарта PCIe, которые обеспечили поддержку высокого энергопотребления, что позволило разработать SSD-накопители PCIe большей емкости.

Эти SSD-накопители PCIe на базе HBA и RAID страдали еще одним недостатком — HBA и массивы RAID никогда не настраивались так, чтобы хост-сервер мог загружаться с них, поэтому пришлось разрабатывать новые стандарты и программное обеспечение. Кроме того, не существовало стандартов протоколов для HBA и RAID-карт, поэтому каждый SSD-накопитель PCIe использовал протокол, отличный от протоколов своих конкурентов.

В то время как отдельные компании решали эти проблемы по-своему, был сформирован отраслевой консорциум для разработки стандартов, позволяющих взаимозаменяемость SSD-накопителей PCIe, — и был разработан стандартный протокол Nonvolatile Memory Express (NVMe). NVMe, который взаимодействует через интерфейс PCIe, был разработан как перспективный протокол, который не только решил несколько проблем SSD на базе флэш-памяти NAND, но и проложил путь для использования других технологий памяти в качестве хранилищ без необходимости внесения изменений в существующее программное обеспечение.

С внедрением NVMe для SSD открылся совершенно новый мир. Теперь системы могли загружаться с SSD, подключенных по интерфейсу PCIe, что позволяло использовать один SSD с NVMe в качестве единственного носителя данных в системе.

SSD-накопители также могли обеспечивать хранение данных в гораздо более тонком форм-факторе, чем HDD, поэтому в самых тонких ноутбуках начали использовать новый форм-фактор SSD-накопителей, поддерживающий интерфейс SATA на незакрытой односторонней PC-карте. Разработчики компьютеров пришли к выводу, что протокол PCIe может обеспечить более высокую пропускную способность, чем SATA, и инициировали создание форм-фактора m.2 — SSD очень малого формата, который занимает гораздо меньше места и может поместиться в корпус ПК самого миниатюрного форм-фактора, занимая гораздо меньше места, чем SSD с интерфейсом SATA, которые изначально использовались в ПК. Это стало катализатором появления форм-фактора «тонких и легких» ПК, который так популярен сегодня.

Формат M.2 был разработан до того, как интерфейс PCIe стал широко использоваться в твердотельных накопителях (SSD), поэтому устройства этого формата можно приобрести как с интерфейсом PCIe, так и с интерфейсом SATA. Выступы на краях платы не позволяют пользователям подключить SSD-накопитель M.2 с интерфейсом PCIe к разъему SATA и наоборот. Однако со временем использование интерфейса SATA в формате M.2 сошло на нет, и в настоящее время SSD-накопители M.2 с интерфейсом SATA встречаются редко.

Формат m.2 обычно представляет собой голую PC-карту, которая сочетает в себе две стандартные ширины — 22 мм и 30 мм (помимо нескольких других определенных значений) — и несколько вариантов длины. Существует несколько стандартных толщин, поддерживающих односторонние платы с минимальными размерами для тонких и легких ПК, а также множество других толщин для поддержки двухсторонних плат и радиаторов. SSD, обозначаемый как «m.2 2280», имеет ширину 22 мм и длину 80 мм.

Форматы M.2 и правила именования

Примерно в то же время, когда проходила стандартизация m.2, формат U.2 был усовершенствован, чтобы обеспечить закрытую версию исходного формата HHHL PCIe. Корпус поддерживает «горячую» замену SSD для замены с передней панели в стоечных установках. Это стало необходимым, поскольку высокоскоростной интерфейс PCIe приобрел массовую популярность в крупных центрах обработки данных. Пользователи центров обработки данных привыкли к «горячей» замене вышедших из строя устройств хранения с передней панели сервера, а до появления U.2 PCIe не поддерживал ни «горячую» замену, ни доступ с передней панели. Новый стандарт U.2 был разработан, чтобы это стало возможным.

Однако SSD-накопители U.2 не помещаются в серверы формата 1U «Pizza Box» — форм-фактор, который становился преобладающим в то время, когда был представлен m.2. И стандартный на тот момент формат дополнительных карт PCIe SSD, и новый SSD U.2 были слишком большими для использования в серверах 1U. Это привело к разработке форм-факторов SSD PCIe с возможностью «горячей» замены для использования в центрах обработки данных.

Для удовлетворения этой потребности были введены более компактные форматы, которые не только поддерживали «горячую» замену в корпусе 1U, но и уделяли больше внимания критически важному вопросу воздушного потока в модулях стойки. Этот формат называется EDSFF (Enterprise and Datacenter Standard Form Factor).

SSD-накопители EDSFF доступны в двух вариантах длины: Long (E1.L, 318,75 мм) и Short (E1.S, 111,49 мм или 118,75 мм). Оба варианта поддерживают несколько вариантов толщины, чтобы разместить более толстые печатные платы с флэш-чипами с обеих сторон и, что, возможно, еще важнее, радиаторы, поскольку эти SSD-накопители работают на высоких скоростях в серверных средах. Высокие скорости этих SSD приводят к значительному рассеиванию энергии, а серверы и без того известны проблемами с внутренним управлением тепловым режимом. Небольшая ширина этих SSD (31,5 мм–33,75 мм) позволяет разместить их в серверном шасси 1U и обеспечивает возможность извлечения через переднюю панель. Другой, менее распространенный формат, похож на него, но шире (76 мм), так как был разработан для использования в корпусах 2U. Он называется форматом E3.S и E3.L. Многие из современных SSD-накопителей с самой высокой емкостью, достигающей сотен терабайт, предлагаются именно в этих форматах.

В отрасли для большинства SSD-накопителей утвердился интерфейс PCIe, и она будет и впредь следовать за новыми поколениями PCIe. Однако для протокола NVMe, который реализуется поверх PCIe для поддержки SSD-накопителей, ожидаются менее частые обновления. На сегодняшний день кажется, что самые значительные изменения, которых следует ожидать, связаны с созданием SSD-накопителей с технологией QLC и гигантской емкостью в сотни терабайт для поддержки гипермасштабируемых центров обработки данных искусственного интеллекта. Solidigm изучает возможности жидкостного охлаждения, в то время как такие компании, как IBM и ScaleFlux, задействовали внутренние интеллектуальные возможности SSD, чтобы разгрузить хост как от рутинных задач, таких как сжатие данных, так и от более сложных процедур, таких как мониторинг активности чтения/записи на предмет атак программ-вымогателей.

Отрасль продолжает исследовать новые направления. Компания Samsung приложила значительные усилия, чтобы адаптировать SSD к протоколу CXL, который основан на семантике памяти, а не на семантике файлов/блоков. Их прототип, первоначально названный SSD с семантикой памяти или MS-SSD, был переименован в CMM-H TM, что означает «гибридный многоуровневый модуль памяти CXL». Пока еще слишком рано говорить, встретит ли такой продукт успех на рынке.

Внутри SSD предпринимались различные попытки включить механизмы, позволяющие хост-системе более оптимизировать управление внутренними процессами SSD. Например, с помощью потоков данные хранятся в соответствии с процессом, который их использует. Другой пример — хранение ключей-значений, которое обещает революционизировать хранение данных, позволяя использовать интеллектуальные возможности, доступные в настоящее время в системах хранения, и отказаться от устаревшего подхода, при котором хост управляет отдельными адресами внутри устройства хранения.

SSD, как и любая другая технология, будут претерпевать значительные изменения по мере развития технологий. Эта область будет продолжать предоставлять все больше возможностей и обеспечивать все большую емкость.