Tallennustekniikan vallankumous Tuulettimen lisäksi nyky-pc:n ainoa liikkuva osa on kiintolevy. Muiden osien kehitystahtiin verrattuna kiintolevy onkin lähes antiikkinen keksintö. Tallennustekniikan tulevaisuus nojaa muistipiireihin perustuviin solid state -levyihin. Kiintolevyjen kehitys on keskittynyt lähinnä kapasiteetin kasvattamiseen ja sen mukana tuomaan siirtonopeuden parantamiseen. Levyn pyörimisnopeus ja latenssit eivät juurikaan ole muuttuneet viimeisen kymmenen vuoden aikana. Lukupään siirtäminen oikeaan paikkaan kestää edelleen useita mikrosekunteja. Mikrosekunti kuulostaa olemattoman lyhyeltä ajalta, mutta esimerkiksi kolmen gigahertsin kellotaajuudella toimiva prosessori ehtii käydä siinä ajassa läpi kolme tuhatta kellojaksoa, ja lisäksi yhdessä kellojaksossa prosessori voi suorittaa useita käskyjä. Noin kymmenen mikrosekunnin hakuaika on pitkä muiden komponenttien nopeuteen verrattuna. Tämä vaikuttaa etenkin palvelimien nopeuteen, ja niissä kiintolevystä voi muodostua koko järjestelmän pullonkaula. Kun kiintolevyissä latenssia mitataan TEKSTI: OSSI JÄÄSKELÄINEN PIIRROKSET: ERIC LERAILLEZ mikrosekunneilla, muistipiireissä sitä mitataan nanosekunteina eli mikrosekunnin tuhannesosina. Muistipiirien halpeneminen herättääkin mielenkiinnon, että kiintolevy korvattaisiin nopeammilla ja vähemmän sähköä kuluttavilla muistipiireillä. Muistipiireihin perustuvaa tallennusjärjestelmää kutsutaan nimellä solid state disc. Oikeaoppisempi nimi olisi solid state drive, sillä varsinaisia levyjähän ei laitteessa ole. Tieto haihtuu tai ei Solid state -asemissa käytetyt muistipiirit voivat olla haihtuvia (volatile) tai haihtumattomia (non-volatile). Käytännössä ero on siinä, että jälkimmäisessä data säilyy vaikka koneen virta katkaistaan. Kumpaakin muistityyppiä on käytetty jo pitkään perus-pc:ssäkin. Bios-piirin flash-muistilla data säilyy vaikka virta katkaistaan, kun taas dram-keskusmuisti tyhjenee kun tietokoneen sammuttaa. Jos solid state -aseman tiedot haluaa säilyttää, tallennusvälineenäkin käytetään flash-muistia. Jos tietojen katoamisella ei ole väliä, voidaan käyttää drammuistia. Asemissa käytettävä flash-muisti perustuu yksinkertaisiin nand-tyyppisiin logiikkaportteihin, jonka vuoksi sillä toteutetut solid state -levyt ovat halvempia ja yksinkertaisempia kuin dramlevyt. Flash-muistiin perustuvia solid state -levyjä käytetään vaativissa olosuhteissa, teollisuus-pc:issä sekä joissakin kodin viihdekeskus-pc:issä. Mobiilikäyttäjän unelma Erityisesti mobiililaitteissa flash-levyasema on kotonaan. Tavallisen kiintolevyn levypinkka pyörii jatkuvasti vaikkei siltä luettaisikaan mitään. Tämä kuluttaa kallisarvoista akkusähköä aivan turhaan. Solid state -levyllä vastaavaa ongelmaa ei ole, sillä laitteessa ei ole liikkuvia osia. Aktiivikäytössäkin flashlevyn sähkönkulutus on vain murto-osa kiintolevystä. Hukkalämpö pysyy lähes olemattomana ja asema on täysin äänetön. Siirtonopeuksien väliset erot solid state- ja kiintolevyn välillä eivät ole suuria. Nopeimmat kiintolevyt ovat nopeampia kuin tavanomaiset flash-muistipiirit, mutta nopeampia ja kalliimpia flashmuisteja on olemassa. 38 MikroPC 6 / 2007
1 Hybridilevyn rakenne 1. HYBRIDILEVYN KOTELO on useimmiten standardikokoinen, jolloin se mahtuu joko pc:n 3,5tuumaiseen tai sylimikron 2,5tuumaiseen kiintolevypaikkaan. 2. ITSE KIINTOLEVYOSIO on rakenteeltaan identtinen normaalin kiintolevyn kanssa. Kotelon yläreunassa on levypakka, ja alareunassa on tarvittava elektroniikka sekä kiintolevyn lukupää. 2 3. MUISTIOSIO on useimmiten toteutettu flash-piireillä ja se toimii pusrkurina varsinaisen kiintolevyn kanssa. Etenkin sylimikrossa tällä saavutetaan merkittävää säästöä akkukestossa, kun kiintolevyä ei tarvitse pitää jatkuvasti päällä luku- ja kirjoitusoperaatioita varten. Flash-välimuistin kanssa levy käynnistetään vain, kun sille on todellista tarvetta. 4. HYBRIDIKIINTOLEVY kytketään tietokoneeseen yleensä standardilla s-ata-väylällä. Kalliimmissa dram-muistia käyttävissä solid state -levyissä s-atan väylänopeus ei kuitenkaan riitä, jolloin käytettävä väylä voi olla esimerkiksi neljän gigabitin valokuitu. 3 4 W W W. M I K R O P C. N E T Halvoilla flash-muistipiireillä kyetään siirtämään dataa parikymmentä megatavua sekunnissa, mikä on peruskäyttöön aivan riittävä nopeus. Levyn kirjoitus- ja lukunopeus ei kuitenkaan ole kaikki kaikessa, sillä myös kiintolevyn hakuaika vaikuttaa olennaisesti sen suorituskykyyn. Flash-pohjaisen levyn hakuaika on kertaluokkaa pienempi kuin tavanomaisen kiintolevyn. Pienemmän hakuajan avulla asemalla voidaan tehdä useampia levyoperaatioita sekunmikropc 6/2007 39 >
nissa joutokäyntiajan laskiessa. I/o-operaatioiden eli luku- tai kirjoitustapahtumien määrä yhtä ajanjaksoa kohden on parempi suorituskykymittari kuin pelkkä luku- tai kirjoitusnopeus, koska se huomioi myös latenssin. Sylimikron kiintolevy suorittaa joitain kymmeniä levyoperaatioita sekunnissa. Flash-muistipohjaisessa solid state -levyssä i/o-operaatioiden määrä nousee tuhansiin sekunnissa. Varsinainen datanluku on siis ripeämpää kuin kiintolevyllä, koska levy joutuu liikuttamaan lukupäätä jatkuvasti edestakaisin. Vaikka yleisimmät flash-levyt ovat lukuja kirjoitusnopeudeltaan hieman kiintolevyä hitaampia, solid state -asemaa käyttävä sylimikro voi silti tuntua nopeammalta ja se vastaa käyttäjän käskyihin ripeämmin, koska sen reaktioaika on nopeampi. Maalla, merellä ja ilmassa Solid state -asemia on käytetty vuosia avaruudessa ja muissa ääriolosuhteissa. Mutta jo maapallolta löytyy monia olosuhteita, joissa solid state -asema on järkevin tai jopa ainoa mahdollinen tallennusvaihtoehto. Muistipiirit sietävät kovaakin tärinää, jota voi ilmetä esimerkiksi myrskyisässä merenkäynnissä tai mukulakivikadulla pomppivassa ambulanssissa. Kiintolevyn ilmapatjan varassa lepäävä lukupää ei pysty näissä olosuhteissa toimimaan, koska se voi tärinän takia osua levypintaan. Solid state -asemat kestävät muitakin ääriolosuhteita kuten matalaa lämpötilaa tai alhaista ilmanpainetta erittäin hyvin. Kiintolevyn maksimi käyttökorkeus on kolme kilometriä. Sitä korkeammalla ilmanpaine on liian matala ja ilmavaippa lukupään ja levypinnan välillä saattaa jäädä liian pieneksi, jolloin lukupää osuu levyn pintaan. Seuraus tästä on datan menetys tai levyn hajoaminen. Solid state -levyssä ei käytetä ilmavaippaa, joten korkeusrajoituksiakaan levyn käytölle ei ole. Suomessa ei ole kilometrien korkuisia vuoria, mutta talven kovissa pakkasissa solid state -levy näyttää kyntensä. Sen käyttölämpötila on selvästi laajempi kuin kiintolevyllä. Solid state -levyn alin toimintalämpötila on parhaimmillaan jopa 40 C, kun taas kiintolevyillä alin käyttölämpötila on veden jäätymispiste. Tietoa vaivaa degeneraatio Flash-muistiin perustuvien solid state -asemien suurin tekninen rajoite on kirjoituskertojen rajallinen määrä. Useat muistivalmistajat lupaavat, että flash-muistipiirit toimivat miljoona kirjoituskertaa, muutamat venyttävät toiminta-aikaa jopa yli viiteen miljoonaan kirjoituskertaan. Vertailun vuoksi cdrw-levylle dataa voi kirjoittaa noin tuhat kertaa. Cd-levyllä käyttötapa on kuitenkin toisenlainen kuin flash-pohjaisessa solid state -asemassa. Kiintolevykäytössä pienetkin kirjoitusmäärät kumuloituvat nopeasti päivittäisessä käytössä. Modernit flash-muistipiirit ja -ohjaimet osaavat kierrättää muistilohkoja, jolloin ne kaikki kuluvat tasaisesti. Tällöin esimerkiksi yhden tiedoston kirjoittaminen miljoonaan kertaan ei saa edes yhtä muistialuetta saati koko levyä käyttökelvottomaksi. Flash-muistin käyttökelpoisuutta hei- > Kiintolevytekniikat Mobiili Pöytä-pc Palvelin 2,5 hd ssd, flash 3,5 hd (sata) 3,5 hd (sas) ssd, dram Kierrosta/min 5 400 7 200 15 000 Tyypillinen kapasiteetti, Gt 20 200 1 64 40 1 000 40 300 1 64 Kirjoituskerrat, noin ei ylärajaa Max. 5 miljoonaa ei ylärajaa ei ylärajaa ei ylärajaa Siirtonopeus, Mt/s 30 50 20 200 100 150 > 200 hakuaika, ms 12 0,02 0,1 10 8 0,01 0,02 IOPS (I/O Operations Per Second) 50 5 000 20 000 100 350 100 000 400 000 Virrankulutus, W 2 5 0,1 1 8 15 15 20 ei tietoa saatavilla MTBF (Mean Time Before Failure), tuntia 300 000 1 000 000 5 000 000 600 000 1 000 000 1 000 000 5 000 000 = Vuorokautta 12500 41700 208000 25000 41700 41700 208000 Hinta, euroa/gt 0,7 100 0,3 4 > 1000 40 MikroPC 6 / 2007
ReadyDrive puolestaan on suunniteltu ensisijaisesti mobiilikäyttöä varten. Siinä hybridilevyn flash-muistia käytetään asynkronisena kirjoitusvälimuistina, jolloin levypakkaa voidaan pitää kauemmin virransäästötilassa. Tämä säästää akkua, koska tallennettavat tiedot kirjoitetaan levylle vasta, kun se pitää muutenkin käynnistää. kentää hieman myös se, että vaikka levylle voi kirjoittaa tavu kerrallaan, tiedon poisto onnistuu vain lohko kerrallaan. Tilannetta helpottaa nykyisten tiedostojärjestelmien toimintaperiaate, jossa poistettavat tiedostot vain merkitään poistetuiksi. Toisaalta solid state -levyn mtbf-arvo (mean time before failure)on moninkertainen kiintolevyyn verrattuna. Mobiilikäyttöön tarkoitetuille kiintolevyille luvataan yleensä keskimäärin 300 000 tunnin käyttöaikaa. Varovaisimmatkin arviot lupaavat flash-asemille yli miljoonaa käyttötuntia. mukaan 128 256 megatavun flash-muisti on minimivaatimus hybridilevylle. Sitä pienemmällä flash-muistilla ei ole hyötyä. Hyöty ei jää vain teoreettiseksi mahdollisuudeksi, sillä Windows Vistaan on integroitu muutamia flash- ja hybridilevyjä hyödyntäviä tekniikoita. Windows Vistan ReadyBoost-ominaisuus kopioi useimmin käytetyt tiedostot solid state -levylle. Ominaisuutta voi käyttää ilman hybridilevyäkin, jolloin flashmuistin voi korvata esimerkiksi nopealla usb-tikulla. Flashin haastaja Sekä kiintolevyn että flash-muistin nopeus tai latenssi kalpenevat dram-muistiin perustuvan solid state -levyn rinnalla. Drammuisti on kuitenkin moninkertaisesti kalliimpaa kuin flash. Haihtuviin muistipiireihin perustuvat solid state -levyt ovat teknisesti flash-levyjä monimutkaisempia. Dram-muistipiireissä bitit on tallennettu kondensaattoreihin eikä diodeihin ja transistoreihin, joten muistipiirin sisältämiä bittejä pitää päivittää jatkuvasti ettei kondensaattori Välimallina hybridilevy Eduistaan huolimatta flash-muistia käyttävä solid state -levy ei sovi kaikkeen käyttöön. Parhaiten se sopii tilanteisiin, missä levylle kirjoitetaan harvakseltaan ja missä suoritettujen i/o-operaatioiden määrä on ratkaiseva tekijä. Välivaiheen ratkaisuksi on kehitetty niin sanottu hybridilevy, joka sisältää sekä flash-muistia että perinteisen kiintolevyn. Hybridilevyn flash-muistia ei pidä sekoittaa tavallisen kiintolevyn muutaman megatavun haihtuvatyyppiseen välimuistiin. Hybridilevyn flash-muisti säästää datan, vaikka virta sammutettaisiinkin. Suurista kiintolevyvalmistajista toistaiseksi vain Samsung ja Seagate valmistavat hybridilevyjä. Samsungin Flashon-tuoteperheen kiintolevyissä on 128- tai 256 megatavun Flash-osio, Seagate Momentus PSD -levyssä Flash-muistia on 256 Mt. Koska vain pieni osa levyn kapasiteetista on flash-muistia, hybridilevyistä saatava nopeusetu on vielä vähäinen. Vista herkuttelee hybrideillä Nykyiset hybridilevyt ovat vasta tekniikan haparoivia ensiaskeleita, ja Microsoftin Rajana fysiikan lait KIINTOLEVYN PERUSPERIAATE on pysynyt samana jo 1950-luvulta lähtien. Tuhansia kierroksia minuutissa pyörivää ferromagneettisella materiaalilla päällystettyä kiekkoa luetaan vain nanometrien päässä levyn pinnasta operoivalla magneettisella lukupäällä. Lukupää liikkuu servomoottorin avulla. Tällä tallennusmenetelmällä fysiikan rajat tulevat pian vastaan. Kun magneettialkioiden koko ja välimatkat pienenevät liikaa, kiintolevystä tulee dementikko: Bitin arvo unohtuu, kun ulkoinen magneettikenttä katoaa ja vierekkäisten magneettialkioiden arvot pääsevät vaikuttamaan toistensa varaukseen. Tämän superparamagneettisen ilmiön takia nykyisten kiintolevyjen bittitiheys 15 miljardia bittiä neliösenttimetrillä kolkuttelee jo fysiikan äärirajoja. Optimistisimpienkin arvioiden mukaan bittitiheyden voi korkeintaan kaksinkertaistaa nykyisestä. Yksi ratkaisu ongelmaan on pystysuuntainen magnetointi. Sen avulla tallennustiheyttä voi kasvattaa arviolta jopa viisin- tai kymmenkertaiseksi nykyiseen vaakasuuntaiseen magnetointiin verrattuna, ennen kuin superparamagneettinen ilmiö tulee siinäkin vastaan. Usea valmistaja käyttää jo pystysuuntaista tallennusta kiintolevyissä. Se mahdollistaakin kapasiteettiennätysten rikkomisen, ja esimerkiksi Hitachilta tulee kesällä myyntiin yhden teratavun kokoinen pystysuuntaiseen tallennukseen perustuva kiintolevy. Vaikka pystysuuntaisen tallennuksen on sanottu mullistavan kiintolevytekniikan, se on lopulta vain väliaikainen ratkaisu fysiikan määrittämien rajojen väistämiseen. Solid state -levyt eivät perustu magnetismiin, joten pitkällä aikavälillä ne tarjoavat pysyvämmän ratkaisun tiedontallennukseen. > MikroPC 6/2007 41
purkaudu. Lisäksi bitin arvon lukeminenkin saa kondensaattorin purkautumaan, eli pelkän lukuoperaation lisäksi sama arvo pitää päivittää uudelleen muistipiirille. Koska dram-muistipiirien data katoaa virran sammuessa, datan säilymisestä on huolehdittava erityisen tarkkaan. Halvin vaihtoehto on paristovarmennus, joka on kalliimmissa versioissa toteutettu n+1:llä toisistaan riippumattomalla paristolla. Hybridilevyjen kaltaisia dramratkaisuja on myös olemassa, mutta sitä käytetään vain varmuuskopiolaitteena. Nopea, nopeampi, dram Dram-muistin hakuaika on vain joitakin nanosekunteja ja nopeimmat ratkaisut kykenevät tekemään monta sataa tuhatta i/o-operaatiota sekunnissa. Siirtonopeus nousee useisiin satoihin megatavuihin tai jopa muutamiin gigatavuihin sekunnissa, mikä on huima ero nykyisiin kiintolevyihin verrattuna. Mikä tahansa väyläratkaisu ei sille riitä, vaan dram-muistipiireihin perustuva solid state -levyratkaisu käyttää esimerkiksi uscsi320-, 3 Gb/s sas- tai 4 Gb/s-valokuituliitäntää. Tiedon haihtumisen lisäksi dram-levyn ongelma on tekniikan kalleus. Siinä missä 32 gigatavun solid state flash -asema maksaa muutamista satasista tuhanteen euroon, vastaava dram-asema maksaa kymmeniä tuhansia euroja. Äärimmäisen kalliista hinnasta huo- Hybridilevyt ovat erityisen hyviä sylimikroissa. Flash-muistia käytetään välimuistin tapaan, jolloin kirjoitettava tieto siirtyy välimuistiin odottamaan pääsyä levylle. Levy käynnistetään vasta kun välimuisti tulee täyteen tai levyltä pitää hakea tietoa. Tämä parantaa sylimikron akkukestoa. Windows Vista tukee hybridilevyjen antamia mahdollisuuksia tiedonhaun nopeuttamiseen ja mobiililaitteiden akkukeston parantamiseen. limatta dram-piireihin perustuvalla solid state -levyllä on omat kohderyhmänsä. Pelkkä i/o-operaatioiden suoritusmäärä voi olla riittävä syy sen hankkimiseksi. Dram-pohjaiset solid state -asemat ovat tärkeitä palvelimissa, joissa kova iops-luku on tärkeämpi asia kuin varastotilan suuruus. Tällainen on esimerkiksi ankarasti kuormitettu tietokantapalvelin, jonka on välttämättä pidettävä data reaaliajassa. Saman iops-määrän toteuttaminen perinteisten levyjen avulla vaatisi jopa tuhansien kiintolevyjen raid-farmin. Tällaisessa käytössä dram-toteutus voi tulla jopa kustannustehokkaammaksi ratkaisuksi. Solid state -levy rikkoo ennätyksiä Texas Memory Systems mainostaa Ram- San 400 -tallennusyksikköään maailman nopeimpana. Storage Performance Councilin mukaan RamSan suorittaa jopa 400 000 i/o-operaatiota sekunnissa, mikä on monituhatkertainen määrä verrattuna palvelimissa perinteisesti käytettyihin sas-levyihin. Solid state -levyjen joukosta löytyy myös maailman nopeimpana pidetty 3,5- tuumainen levy, Curtis HyperXCLR. Valmistajan mukaan se kykenee ylläpitämään jatkuvaa 200 megatavun tiedonsiirtonopeutta sekunnissa ja suorittaa 25 000 levyoperaatiota sekunnissa. Toistaiseksi solid state -levyjen suurimpia ongelmia ovat korkea hinta ja pieni kapasiteetti. Solid state -levyn maksimikoko on yleensä 64 gigatavua, joskin useat valmistajat ovat julkaisemassa 128 tai jopa 160 gigatavun malleja. Myös Intel julkaisi maaliskuun puolivälissä omat solid state -asemansa. Solid state -asemien gigatavun hinta puolittuu ja tallennuskapasiteetti tuplaantuu vuosittain. Siitä huolimatta kapasiteetti on pari vuotta kiintolevyjä jäljessä. Järkevän hintaisen aseman kapasiteetti ei riitä ja vähänkään järkevämmän kokoisen aseman hinta on peruskäyttöön liian korkea. Tämä ilmiö kuitenkin katoaa vähitellen, ja viimeistään kun kiintolevyjen kapasiteetti törmää fysiikan lakeihin, solid state -levyt yleistyvät voimakkaasti. 42 MikroPC 6 / 2007