Публикации

!Quest

Высоконадежные твердотельные накопители информации компании Foremay (2017)

     Постоянно увеличивающаяся производительность вычислительных систем, широкое внедрение “облачных” серверов и повсеместное использование промышленных компьютеров требует наличия устройств хранения данных, обладающих большой емкостью и быстродействием наряду с низким энергопотреблением и повышенной стойкостью к внешним воздействиям. Такими свойствами отличаются твердотельные накопители (SSD, Solid State Drive), которые благодаря развитию технологий их производства и уменьшению стоимости постепенно вытесняют традиционные HDD диски. В рамках данной статьи рассматривается SSD продукция Foremay – компании, являющейся одним из ведущих разработчиков и поставщиков высоконадёжных твердотельных накопителей информации.

ВВЕДЕНИЕ
     Растущая популярность SSD накопителей обусловлена рядом преимуществ, главное из которых – очень высокая скорость чтения и записи, недостижимая на практике механическими жесткими дисками, предел которых составляет 130-140 Мбит/с. Например, многие предлагаемые в настоящее время модели SSD имеют скорость 570 Мбит/с, превышающую даже пропускную способность стандарта SATA III. Такое быстродействие позволяет загрузить операционную систему за несколько секунд, значительно ускорить запуск и использование установленного программного обеспечения, и как следствие повысить производительность труда.
     Высокая надежность SSD во многом определяется отсутствием магнитных носителей и вращающихся механизмов, очень чувствительных к жёстким условиям эксплуатации. SSD накопители не теряют работоспособность под воздействием сильных ударов, вибрации, давления и высоких температур, также они не требуют строго горизонтальной или вертикальной пространственной ориентации. Согласно статистике, в среднем менее 1% SSD устройств выходит из строя после первого года работы, для HDD эта цифра составляет 15%, что неприемлемо для ответственных применений, так как ущерб при потере информации может многократно превышать стоимость диска [1]. Безопасность хранимых данных также является важным фактором для ответственных применений, встроенная функция быстрого уничтожения информации при угрозе ее утечки стала стандартной при производстве SSD дисков. Аналогичная задача у HDD накопителей занимает слишком много времени, т.к. при этом их необходимо физически разрушить или размагнитить, что не так уж просто. По эксплуатационным характеристикам выигрыш тоже на стороне SSD, их применение снижает затраты на электроэнергию примерно в три раза, они обладают более низким тепловыделением и нулевым уровнем собственного шума. Сравнительные характеристики накопителей HDD и SSD представлены в таблице 1.

Ключевые отличия HDD- и SSD-накопителей информации
     К минусам SSD накопителей можно отнести лишь более высокую цену за 1 Гбайт емкости, но эта величина значительно снизилась по сравнению с первыми моделями и имеет тенденцию к дальнейшему сокращению. Также какое-то время назад, в начале производства SSD дисков, существовала проблема их короткого срока эксплуатации. Сейчас же, при соблюдении определенных правил, время работы может достигать десятков лет, не редкость гарантия производителя на диски в 5 или даже 10 лет.
     На основании всего вышесказанного можно сделать вывод, что эффективность использования SSD существенно выше. Это подтверждается появлением стабильного спроса на SSD накопители, согласно данным аналитиков компании IHS iSuppli в 2016 году суммарный оборот рынка твердотельных дисков превысил 20 млрд. долларов (рис. 1).

Статистические данные по рынку SSD-дисков за 2011–2016 гг.
     Твердотельные накопители – это немеханические полупроводниковые запоминающие устройства на основе массива микросхем flash памяти, характеризуемые минимальной задержкой операций чтения или записи и большим количеством IOPS (Input/Output Operations per Second, операций ввода/вывода в секунду). Они изготавливаются в различных форм-факторах и с самыми разными интерфейсами подключения, от устаревшего PATA и самого распространённого SATA (включая CFast) до скоростных PCI Express. Компактные накопители для ноутбуков начали переход от mSATA к новому интерфейсу M.2 NGFF. Управление памятью осуществляется при помощи специального контроллера, указывающего место для размещения данных и обеспечивающего процесс чтения/записи (рис. 2). Наиболее распространённый вид SSD накопителей использует для хранения информации память типа NAND, предоставленную в трех вариантах: SLC (в ячейках можно сохранить 1 бит данных), MLC (2 бита) и TLC (3 бита).
     Каждая ячейка flash памяти может выдержать ограниченное число циклов записи, с увеличением количества бит на одну ячейку этот показатель уменьшается. Для бытового применения (ноутбуков, планшетов и т.д.) обычно используются MLC и TLC решения, имеющие в среднем не более 3000 и 1000 циклов перезаписи соответственно, которых, тем не менее, вполне достаточно для обычных задач, где жизненный цикл изделия не превышает 2-3 лет. Для решения ответственных задач, как правило, используется более дорогой вариант памяти – SLC с количеством циклов перезаписи, достигающим 100 тысяч и гарантирующим долговременную надежность устройства. Другие отличия промышленного и бытового накопителя касаются схемотехнических и конструктивных особенностей и во многом определяются условиями эксплуатации. Бытовые SSD устройства обладают весьма неплохим диапазоном рабочих температур от 0 до +70°C [2]. Производители высоконадежных накопителей закладывают в проект максимально надёжные компоненты, в том числе рассчитанные на расширенный диапазон температур (от -40 до +85°C). Улучшить степень механической и электрической защиты позволяет нанесение на печатную плату и микросхемы специального конформного покрытия, которое не применяется в бытовых устройствах. Из дополнительных опций можно отметить защиту от потери питания, обычно это конденсатор большой емкости, заряда которого хватает на то, чтобы диск завершил необходимые операции.

Основные блоки SSD-накопителя информации

SSD НАКОПИТЕЛИ КОМПАНИИ FOREMAY
     Компания Foremay, основанная в 2002 году группой ветеранов IT отрасли из IBM, Cisco, NEC, Alcatel и AT&T Bell Labs, является ведущим разработчиком и поставщиком высоконадёжных твердотельных накопителей информации, используемых в вычислительных центрах промышленного и специального назначения, встраиваемых системах и серверном оборудовании, рабочих станциях и мобильных устройствах [3]. Компания находится среди лидеров рынка, например, в свое время она первой представила 2.5" SATA SSD диски емкостью 1, 2, 4, 8 и 10 Тбайт, 1.8" microSATA SSD устройства емкостью 2 Тбайт и промышленные накопители формата 2.5" NVMe (SFF-8639) с емкостью 8 Тбайт.
     Foremay предлагает полную линейку SSD решений, начиная от микросхем (DOC, Disk-on-Chip) flash памяти и заканчивая модулями (DOM, Disk-on-Module) и твердотельными накопителями типа plug-n-play, пользующихся наибольшей популярностью. Высокое качество изделий гарантируется строгой системой контроля производственного процесса и 100% тестированием всех комплектующих. В настоящее время семейство SSD устройств Foremay включает в себя более 100 моделей, сгруппированных в четыре отдельные серии в зависимости от основного назначения. Для упрощения принятия решения при выборе подходящей серии можно воспользоваться блок-схемой, изображенной на рис. 3, и таблицей 2.

Основные различия серий SSD-накопителей Foremay
     Твердотельные диски Foremay с максимально доступной на рынке емкостью обладают защитой от ударов и вибрации, устойчивы к перепадам температур. Отличный уровень криптозащиты, базирующийся на усовершенствованных технологиях шифрования, наравне с функцией самостирания позволяет использовать их в приложениях с повышенными требованиями безопасности. Одним из главных преимуществ продукции компании Foremay является увеличенный срок службы по сравнению с аналогами от других производителей. SSD диски имеют широкий выбор доступных диапазонов рабочих температур (0..+70, -40..+85, -45..+95 и -55..+125°C), соответствуют либо превосходят требования стандарта MIL-STD-810F/G, кроме того, ряд высоконадежных моделей выпускается в герметизированном пыле- и влагозащищенном исполнении.

Упрощённый алгоримт выбра SSD-дисков компании Foremay
     В качестве разъемов интерфейсов применяются стандартные SATA, mSATA, microSATA, half slim SATA, IDE, NVMe U.2, M.2, CF, CFast, SAS, PCIe, PXIe, VPX, CPCI, GigE, FC или описанные в технических условиях заказчика. В таблице 3 представлены основные параметры популярных стандартных моделей SSD накопителей Foremay. Предлагаемое заказное проектирование, помимо этого, может включать в себя доработку корпусного исполнения выбранного устройства с целью повышения степени защиты (IP57 и более), создание специальных антивибрационных кронштейнов для жестких условий эксплуатации, позволяющих значительно увеличить надёжность крепления, а также разработку с нуля комбинированных накопителей определенной емкости на основе SLC- и MLC-дисков. Lля обеспечения надежного функционирования устройств используются:
     1. Технология выравнивания износа: ресурс твердотельного накопителя напрямую зависит от количества циклов перезаписи отдельных блоков памяти. Если регулярно размещать данные в один и тот же блок, он быстро выходит из строя, тем самым уменьшается первоначальная емкость диска. Для равномерного распределения данных по всем областям памяти Foremay разработала собственные динамические алгоритмы, реализуемые SSD контроллером.
     2. Обнаружение и коррекция ошибок: в SSD устройствах Foremay применяется BCH ECC – наиболее действенный алгоритм исправления ошибок, позволяющий устранить до 12 ошибочных бит в каждом блоке размером 512 кбайт.
     3. Управление “поврежденными” блоками памяти: «поврежденными» называют блоки памяти, содержащие один или более бит, достоверность которых не гарантируется. Они могут появиться во время транспортировки или в процессе эксплуатации. Foremay использует эффективный алгоритм управления подобными блоками для детектирования и корректировки ошибок в течение всего срока службы. Эта процедура совершенно открыта для пользователя при использовании SMART.
     4. SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology – технология самоконтроля, анализа и отчётности): служит для оценки состояния диска встроенной аппаратурой самодиагностики и предсказания времени выхода его из строя. Помогает обнаружить потенциальную проблему, выполнить  повторную калибровку, коррекцию ошибок и тем самым предотвратить утерю важных данных.
     5. Технология NCQ (Native Command Queuing – аппаратная установка очерёдности команд): используется для получения максимального быстродействия и увеличения количества операций в секунду (IOPS). С учетом наиболее важных системных команд позволяет оптимальным образом управлять последовательностью запросов к диску, повышая производительность задач, связанных с произвольным чтением, а также обработкой данных от двух и более источников.

Характеристики стандартных моделей SSD-накопителей Foremay
     Продукцию Foremay применяют в своих устройствах такие известные бренды, как Boeing, Harris, NEC, Honeywell, Lockheed martin, NASA, Mitsubishi motors, Fujitsu, Airbus, Cisco, Sun microsystems и многие другие. Среди типовых применений можно отметить:
     ● Устройства хранения, используемые для решения критически важных, ответственных задач (оборудование военного и правительственного назначения);
     ● Промышленные портативные компьютеры для жестких условий эксплуатации;
     ● Встраиваемые системы, требующие наличия компактных SSD накопителей;
     ● Системы резервирования и восстановления после аварийных ситуаций;
     ● Телекоммуникационные коммутаторы и серверы 3G/4G сетей;
     ● Серверное оборудование банков и страховых компаний;
     ● Промышленные серверы, веб серверы, системы сбора данных;
     ● ATM/POS терминалы;
     ● ПК/ноутбуки для графических дизайнеров, архитекторов, разработчиков ИС и т.д.;
     ● Робототехника и АСУ;
     ● Навигационное оборудование;
     ● Оборудование нефте- и газодобывающей отраслей;
     ● Системы безопасности и видеонаблюдения.

СЕРИЯ SC199
     Твердотельные накопители серии SC199, относящиеся к старшим представителям линейки SSD продукции компании Foremay, изготавливаются на основе специально отобранных микросхем flash памяти типа NAND, обладают расширенным набором дополнительных опций и повышенной прочностью конструкции. Они могут успешно использоваться в полевом оборудовании нефте- и газодобычи, эксплуатируемом в неблагоприятных условиях окружающей среды, рабочих станциях с высокой степенью защиты, применяемых в аэрокосмической и военной отрасли промышленности, а также в другом высоконадежном оборудовании.
     Данная серия включает в себя накопители одиннадцати типоразмеров с емкостью от 16 до 4000 Гбайт и несколькими, наиболее распространенными интерфейсами, внешний вид отдельных устройств показан на рис. 4. Скоростные показатели зависят от варианта исполнения. Например, накопители типоразмера 2,5 дюйма с поддержкой NVMe в режиме чтения развивают скорость до 1600 Мбит/с, а в режиме записи – до 1500 Мбит/с. В зависимости от применения существует возможность выбора подходящего накопителя – в рамках серии доступны модификации, рассчитанные как на обычный (-40..+85°C), так и на расширенный (-55..+125°C) диапазон температур.

Внешний вид некоторых SSD-накопителей из серии SC199 компании Foremay
     Все устройства серии SC199 отличаются наличием аппаратного шифрования по алгоритму AES с 256-разрядным ключом, а 2.5" SATA III версия, кроме того, имеет поддержку стандарта TCG Opal 2.0. С целью устранения возможности несанкционированного доступа к данным в зависимости от модели применяются от одного до трех вариантов (типов) защитного стирания. Первые два различаются способом активации (программный или аппаратный при помощи внешнего воздействия) и позволяют после переформатирования повторно использовать все блоки памяти. Третий тип гарантирует полное стирание данных и невозможность последующего восстановления информации. При нем происходит уничтожение ключа шифрования и встроенного ПО, а также физическое разрушение ячеек NAND памяти, в течение нескольких секунд накопитель становится непригодным к эксплуатации. Эти операции выполняются при помощи встроенного SSD контроллера UC007, являющегося собственной разработкой компании Foremay.

СЕРИЯ EC188
     Устройства серии EC188 предназначены для хранения и обработки информации в «облачных» системах, надежных корпоративных рабочих станциях и производительных серверах с большим количеством одновременных запросов, требующих наличия накопителей с большой емкостью, скоростью чтения/записи и хорошей износоустойчивостью. Двенадцать типовых моделей, предлагаемых в настоящее время, оптимизированы для использования в RAID массивах и могут эксплуатироваться в двух диапазонах рабочих температур (-40..+85 и 0..+70°C). 2,5- и 3,5-дюймовые устройства, выполненные на основе интерфейсов SATA III и SAS (Serial Attached SCSI), обладают максимальным дисковым пространством 8 Тбайт (рис. 5). Их скорость чтения/записи не превышает 550/510 Мбит/с.

Внешний вид накопителя 2,5" SATA III из серии EC188 компании Foremay
     Твердотельные накопители данного типа совместимы со всеми распространенными серверными операционными системами: Windows, Mac OS X, Linux (промышленная версия), Solaris, FreeBSD и т.д. Серийные устройства на базе интерфейса PCIe имеют емкость от 1 до 32 Тбайт и выгодно отличаются повышенной до 3800/3100 Мбит/с скоростью чтения/записи. Путем применения матрицы из шести независимых дисковых PCIe накопителей, включенных в массив RAID 0, можно получить масштабируемое решение с объемом до 200 Тбайт. Также стоит обратить внимание на готовую серверную платформу 2U Rackmount, представляющую собой идеальное решение для корпоративной сети хранения данных (SAN, Storage Area Network). Подключение к сети осуществляется при помощи интерфейсов 10/40/56 GigE, PCIe или Fiber Channel. Производительность 2U Rackmount при операциях с произвольным доступом к памяти достигает 1,5 млн. IOPS.

СЕРИЯ TC166
     Высококачественные SSD накопители серии TC166 ориентированы на применение в терминальных системах оборонного и промышленного назначения. Устройства с емкостью от 8 Гбайт до 10 Тбайт имеют низкое собственное потребление и малый уровень шума, хороший запас прочности и длительный срок беспроблемной эксплуатации. Помимо интегрированных технологий управления Flash памятью, таких как SMART, APM (Advanced Power Management) и ECC, накопители TC166 в зависимости от предназначения получают дополнительные функции и свойства: аппаратного шифрования, быстрого удаления информации с учетом требований военных стандартов и защитного покрытия корпуса.

Внешний вид накопителя 2,5" SATA III из среии TC166 компании Foremay
     В серии преобладают модели, оснащенные SATA интерфейсом. Максимальная скорость операций чтения/записи, зависящая от версии стандарта, составляет 550/510 Мбит/с для модификаций SATA III и 250/210 Мбит/с для SATA II (рис. 6). Возможность выбора из трех стандартных форм-факторов (1.8", 2.5" или 3.5") позволяет использовать устройства серии как в настольных системах, так и в ноутбуках. Также в рамках серии доступны съемные накопители промышленного использования в виде карт памяти, отлично подходящие для использования в качестве загрузочных дисков.

СЕРИЯ OC177
     Основная особенность серии OC177 – минимальные габариты, данные накопители идеально подходят для хранения данных во встраиваемых системах различного назначения. Выполненные в виде модулей и отдельных микросхем, устройства OC177 в разных форм-факторах с интерфейсами SATA, micro SATA, IDE, ZIF могут успешно использоваться в промышленных одноплатных компьютерах или в других ответственных применениях. Каждый накопитель выпускается в двух вариантах: общего назначения с допустимыми рабочими температурами в пределах от 0 до +70°C и в высоконадежном исполнении с диапазоном температур -40..+85°C. При этом первые устройства отличаются от вторых увеличенным в 2-4 раза значением максимальной емкости.

НАКОПИТЕЛИ SATA DOC
     Особый интерес представляет твердотельные накопители SATA DOC, изготавливаемые в виде микросхем. Оснащенные стандартными интерфейсами IDE или SATA, они характеризуются ёмкостью от 16 до 64 Гбайт NAND памяти и скоростью чтения/записи 450/200 Мбит/с. Конструктивно выполнены в BGA корпусах размером от 22×22×1,8 мм (рис. 7). Такие накопители предназначены для монтажа непосредственно на плату, устраняя тем самым необходимость установки отдельного диска для хранения данных. С учетом заявленной высокой надежности, устойчивости к вибрациям, ударам и температурным перепадам устройства на их основе можно использовать в полевых условиях.

Внешний вид накопителя SATA DOC из серии OC177 компании Foremay

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
     В настоящее время рынок SSD продукции продолжает расти ударными темпами, постепенно вытесняя традиционные жёсткие диски. Современные SSD накопители развиваются в сторону увеличения ёмкости и надёжности, появляются новые интерфейсы и совершенствуется специализированное программное обеспечение. Компания Foremay, длительное время занимающаяся выпуском как типовой, так и заказной SSD продукции, предлагает широкую линейку твердотельных накопителей. Высоконадежные устройства Foremay, предназначенные преимущественно для ответственных применений, выгодно отличаются высоким быстродействием, разнообразием конструктивного исполнения и используемых интерфейсов и гарантируют сохранность данных в течение всего заявленного срока эксплуатации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. Баишев. Твердотельные диски – надежное решение для ответственных применений (часть 1). // Современные технологии автоматизации, 2007, №3, с. 78-80
2. Д. Кабачник. Развитие рынка промышленных твердотельных накопителей. // Современные технологии автоматизации, 2016, №3, с. 96-101
3. Официальный сайт компании Foremay // www.foremay.net

Твердотельные накопители Foremay