Презентация КЭИ

1. Презентация

по теме: «Системы хранения данных: от HDD
к NVMe SSD. Принципы работы, сравнение и
перспективы технологий»

2. 1. Введение

• В современную эпоху цифровой трансформации объемы генерируемых
данных растут в геометрической прогрессии. Это делает системы хранения
информации одним из ключевых компонентов любой вычислительной
системы – от персональных компьютеров и центров обработки данных до
мобильных устройств. На протяжении десятилетий доминирующей
технологией были жесткие диски (HDD), однако в последние годы
произошла настоящая революция, связанная с повсеместным внедрением
твердотельных накопителей (SSD).
Данный реферат прослеживает эволюцию систем хранения данных от
традиционных HDD к высокоскоростным NVMe SSD. Цель работы –
всесторонне сравнить эти технологии, детально рассмотреть их принципы
работы, выделить преимущества и недостатки, а также проанализировать
дальнейшие перспективы развития отрасли накопителей информации.

3. 2. Жесткие диски (HDD): классическая магнитная запись

2.1. Принцип работы и архитектура
Жесткий диск (Hard Disk Drive, HDD) – это электромеханическое
устройство, основанное на принципе магнитной записи. Его ключевые
компоненты:
· Металлические пластины (диски): покрыты ферромагнитным материалом.
Данные хранятся в виде последовательности намагниченных (1) и
ненамагниченных (0) областей.
· Привод двигателя: вращает пакет пластин с высокой скоростью (5400,
7200, 10000 или 15000 оборотов в минуту).
· Головки чтения/записи: позиционируются над поверхностью пластин с
помощью поворотного привода. Головки считывают и изменяют
намагниченность микроскопических областей на расстоянии в несколько
нанометров от поверхности.
· Контроллер: управляет работой механических компонентов и преобразует
цифровые данные в магнитные импульсы и обратно.
Для доступа к данным требуется физическое перемещение блока головок к
нужной дорожке (время поиска, seek time) и ожидание, пока нужный сектор
окажется под головкой (время задержки вращения, latency). Это является
главным ограничением производительности HDD.
2.2. Ключевые характеристики и limitations
· Преимущества:
· Низкая стоимость: Наименьшая цена за гигабайт среди всех технологий.
· Большая емкость: Доступны модели объемом до 20-24 ТБ и более.
· Долговечность хранения: При отключенном питании данные могут
храниться десятилетиями.
· Недостатки:
· Низкая скорость: Ограничены физикой вращения и перемещения.
· Высокое энергопотребление и нагрев: Из-за наличия двигателя и
сервопривода.
· Чувствительность к вибрациям и ударам: Механические компоненты
уязвимы.
· Высокий уровень шума.

4. 3. Твердотельные накопители (SATA SSD): революция скорости

3.1. Принцип работы на основе флеш-памяти NAND
Твердотельный накопитель (Solid-State Drive, SSD) – это
полностью электронное устройство, не имеющее
движущихся частей. Его основу составляет флеш-память
типа NAND.13:43
· Ячейки памяти: Хранят данные в виде электрического
заряда в "плавающем" затворе транзистора. Типы ячеек
(SLC, MLC, TLC, QLC) определяют количество битов на
ячейку и, как следствие, плотность, стоимость, скорость и
долговечность.
· Контроллер: "Мозг" накопителя, управляющий всеми
операциями: чтение/запись, кеширование, шифрование,
коррекция ошибок (ECC) и выравнивание износа (Wear
Leveling).
Доступ к данным происходит практически мгновенно, так
как исключаются механические задержки. Операции
чтения выполняются быстрее операций записи, которым
предшествует процесс стирания ячеек (блоками, а не по
отдельности).
3.2. Сравнение SATA SSD и HDD: эволюционный скачок
Первые массовые SSD использовали интерфейс SATA,
унаследованный от HDD.
· Скорость: SATA SSD в десятки раз превосходят HDD по
скорости последовательного и случайного доступа
(особенно при работе с мелкими файлами). Пропускная
способность интерфейса SATA III ограничена ~600 МБ/с.
· Задержки: Задержки у SSD измеряются микросекундами,
у HDD – миллисекундами (разница в 100-1000 раз).
· Надежность: Отсутствие механики делает SSD
устойчивыми к вибрациям и ударам.
· Энергоэффективность: Потребляют меньше энергии и не
шумят.
· Недостатки SSD: Ограниченное количество циклов
перезаписи (ресурс TBW), более высокая стоимость за
гигабайт, риск безвозвратной потери данных при
длительном отключении питания.

5. 4. NVMe SSD: квантовый скачок в производительности

4.1. Принцип работы и архитектура (NVMe vs
AHCI)
Интерфейс SATA стал узким местом для
производительных SSD. Ответом стал протокол NVMe
(Non-Volatile Memory Express), разработанный
специально для современных энергонезависимых
памятью, подключаемых через шину PCI Express
(PCIe).
· Архитектура PCIe: Позволяет использовать несколько
линий (lanes) для передачи данных (например, PCIe 3.0
x4 = 4 ГБ/с, PCIe 4.0 x4 = 8 ГБ/с, PCIe 5.0 x4 = 16 ГБ/с).
Это снимает ограничения SATA.
· Протокол NVMe vs AHCI:
· AHCI (Advanced Host Controller Interface): Старый
протокол, созданный для HDD с одним общим
очерёдностью команд (queue) глубиной всего 32
команды.
· NVMe: Поддерживает до 65535 отдельных очередей
команд, каждая из которых может содержать до 65536
команд. Это позволяет обрабатывать огромное
количество параллельных операций ввода-вывода, что
идеально соответствует многопоточным архитектурам
современных процессоров и операционных систем.
Задержки сокращаются еще в несколько раз.
4.2. Сравнение NVMe SSD и SATA SSD
· Скорость последовательного чтения/записи: NVMe
SSD (особенно PCIe 4.0/5.0) превосходят SATA SSD в
5-10 и более раз (3000-12000 МБ/с против 550 МБ/с).
· Скорость случайного доступа (IOPS): NVMe
обеспечивает в несколько раз более высокие показатели
операций ввода-вывода в секунду, что критично для баз
данных, виртуализации и профессиональных
workloads.
· Задержки: Задержки NVMe на 30-50% ниже, чем у
SATA SSD.

6. 5. Сравнительный анализ технологий хранения данных

Параметр HDD SATA SSD NVMe SSD
Принцип работы Механический, магнитный Электронный, флеш-память NAND
Электронный, флеш-память NAND
Интерфейс SATA SATA PCIe + NVMe
Пропускная способность ~80-200 МБ/с ~550 МБ/с ~3000-12000+ МБ/с
Задержки (Latency) Высокие (мс) Низкие (мкс) Сверхнизкие (мкс)
Производительность (IOPS) Низкие (десятки-сотни) Высокие (десятки тысяч) Очень
высокие (сотни тысяч - миллионы)
Стоимость за ГБ Самая низкая Средняя Высокая
Энергопотребление Высокое Низкое Низкое (в режиме простоя)
Устойчивость к ударам Низкая Высокая Высокая
Уровень шума Есть Отсутствует Отсутствует
Надежность (MTBF) Средняя Высокая Высокая
Ограничение по записи Отсутствует Есть (TBW) Есть (TBW)

7. 6. Перспективы развития технологий хранения данных

• 6.1. Развитие NVMe и PCIe
• Будущее за дальнейшим развитием стандарта NVMe и шины PCIe:
• · PCIe 5.0, 6.0: Удвоение пропускной способности с каждым поколением.13:43
• · NVMe 2.0: Спецификация, расширяющая возможности стандарта, включая поддержку HDD с интерфейсом PCIe
(ZNS, Key-Value команды).
• · NVMe-of (NVMe over Fabrics): Позволяет использовать преимущества NVMe в сетях хранения данных (SAN),
обеспечивая сверхнизкие задержки доступа к удаленным накопителям.
• 6.2. Новые технологии памяти
• · 3D XPoint (Optane): Технология от Intel и Micron, позиционировавшаяся как память, находящаяся между DRAM и
NAND по скорости и стоимости. Хотя производство потребительских продуктов свернуто, ее принципы могут быть
использованы в будущем.
• · QLC (Quad-Level Cell) и PLC (Penta-Level Cell): Увеличивают плотность хранения и снижают стоимость за ГБ, но в
ущерб скорости записи и долговечности. Будут доминировать в архивационных и потребительских решениях.
• · Вычислительные системы хранения (Computational Storage): Накопители со встроенными процессорами,
способные обрабатывать данные непосредственно на месте их хранения, разгружая центральный процессор.
• 6.3. Будущее HDD
• HDD не исчезнут в обозримом будущем. Их ниша – холодные и теплые данные в дата-центрах, где важна
минимальная стоимость хранения огромных объемов информации (архивы, резервные копии, big data). Технологии,
такие как HAMR (тепловая магнитная запись) и MAMR (микроволновая магнитная запись), позволят увеличить
емкость отдельных дисков до 50+ ТБ.

8. 7. Заключение

• Эволюция систем хранения данных прошла путь от механических HDD через
переходные SATA SSD к высокопроизводительным NVMe SSD. Каждая технология
имеет свои четкие ниши применения:
• · HDD остаются оптимальным выбором для хранения больших объемов данных,
где стоимость является решающим фактором.
• · SATA SSD – отличный баланс цены, емкости и скорости для массового
пользователя и апгрейда старых систем.
• · NVMe SSD – это вершина производительности, незаменимая для энтузиастов,
профессионалов и критически важных задач в серверных средах.
• Дальнейшее развитие будет идти по пути увеличения скорости (PCIe), плотности
(QLC/PLC) и интеллектуализации накопителей (Computational Storage), в то время
как HDD продолжат свое существование в качестве "цифровых архивов"
человечества.