Подсистемы хранения данных
Закись азота для ПК: Intel Turbo Memory
Евгений Патий
"Экспресс Электроника"
Cамым медленным компонентом персонального компьютера была и остается сейчас дисковая память: как бы ни были хороши процессор, шина и архитектура кэша, неторопливый жесткий диск играет роль якоря. Наиболее остро этот недостаток ощущается во время загрузки операционной системы и приложений, когда и вспоминается знаменитое выражение "в нашем деле самое тяжелое - ждать!".
Влияние НЖМД на производительность системы определяется, в частности, механическими задержками — необходимо время для раскрутки диска, а также для перемещения считывающих головок при поиске данных в ответ на запрос пользователя. Механические задержки обусловливают самую длительную фазу типичной операции ввода/вывода — характерное время доступа к диску составляет 16 млн тактовых циклов процессора. Несмотря на все ухищрения разработчиков, существенного прироста скорости от жестких дисков добиться, по-видимому, нельзя. По крайней мере на нынешнем уровне развития индустрии дисковых накопителей и при следовании устоявшимся десятилетиями принципам построения этих устройств. Необходим качественный прорыв, в ожидании которого разрабатываются иные принципы загрузки, да и вообще, взаимодействия с дисковой подсистемой — иначе к чему, например, рождение идеи параллельной загрузки сервисов, алгоритмов «умной» предвыборки блоков данных с жесткого диска и т. д.
Помимо своей неторопливости, жесткие диски выделяются еще одним неприятным свойством — это одни из наиболее активных потребителей энергии внутри ПК. И если применительно к настольным компьютерам и серверам на этот недостаток в большинстве случаев допустимо смотреть сквозь пальцы, то ситуация с портативными компьютерами выглядит близкой к удручающей. Чем больше обращений к жесткому диску, тем больше энергии потребит этот узел, значит, тем меньшее время автономной работы. Решение напрашивается само собой: минимизировать взаимодействие с жестким диском в угоду снижению энергопотребления и повышению общей скорости системы.
Один из вариантов решения проблемы предлагает компания Intel — дебютирующую в составе грядущей платформы Santa Rosa технологию Intel Turbo Memory (ITM). Идея Intel проста и элегантна: организовать энергонезависимый кэш-буфер, в котором будут накапливаться данные с жесткого диска. Технология ITM была спроектирована специалистами подразделения Storage Technologies Group, входящего в состав подразделения Technology and Manufacturing Group корпорации Intel. Разработкой концепции, архитектуры и ряда инноваций руководил Ричард Коулсон (Richard Lee Coulson), старший заслуженный инженер-исследователь Intel и директор подразделения по архитектуре ввода/вывода. В рамках IDF Spring ‘2006 были представлены первые прототипы компьютеров, оснащенных аппаратным обеспечением с технологией ITM. На тот момент инженеры Intel описывали разработку как «аппаратный ускоритель на базе флэш-технологии NAND». Команда разработчиков под руководством Коулсона сработала на редкость оперативно: менее чем через три квартала с момента формирования объединенной рабочей группы специалистов Intel пользователи уже получили альфа-версии опытных образцов модулей ITM.
Нужно отметить, схожую идею продвигает компания Microsoft (технологии ReadyBoost и ReadyDrive): операционная система Windows Vista способна использовать в качестве кэш-буфера современные высокопроизводительные USB-накопители на базе флэш-памяти, однако в сравнении с разработкой Microsoft технология Intel Turbo Memory представляется в гораздо более выгодном свете. Во-первых, далеко не каждая флэшка подходит для кэширования данных на съемные носители (имеются сведения, что для этой цели годятся только 30% современных USB-флэш-накопителей), во-вторых, шина PCI Express, с которой работают модули Intel Turbo Memory, обладает гораздо большей пропускной способностью, чем USB 2.0.
Положа руку на сердце, признаем, что Intel Turbo Memory выглядит как вынужденная мера, а не инновация в чистом виде. Ричард Коулсон вспоминает: «Сотрудники Storage Technology Group изначально пытались устранить фундаментальное расхождение по производительности между процессором и подсистемой ввода/вывода.
Благодаря сотрудничеству с экспертами TMG по энергонезависимой памяти и надежности, мы разработали решение, в котором сочетаются глубокие знания платформы и энергонезависимой памяти». Так или иначе технология уже доступна «в металле», что дает повод более подробно ознакомиться с принципами ее работы.
Архитектура Intel Turbo Memory
Intel Turbo Memory — это технология энергонезависимого кэширования на базе флэш-памяти NAND, позволяющая преодолеть дисбаланс относительного быстродействия процессора и жесткого диска за счет сокращения числа обращений системы к медленным и энергоемким жестким дискам в ноутбуках. Первые испытания технологии показали, что запуск приложений и возобновление работы устройства из спящего режима, равно как и загрузка операционной системы, происходили примерно вдвое быстрее, при этом время автономной работы от батареи несколько увеличилось. К счастью, современный уровень развития микроэлектронных технологий позволяет создать компактные и емкие NAND-флэш-модули, что и положено в основу реализации ITM. Примечательно, что Intel не настаивает на усложнении логики системной платы ноутбука, а предлагает использовать мини-карты PCI Express. Если портативный компьютер имеет все необходимые интегрированные периферийные устройства и свободный слот для мини-карт, то установка эдакого «ускорителя» для жесткого диска выглядит довольно заманчиво.
Предполагается, что модули ITM будут попадать к OEM-партнерам компании либо как самостоятельные устройства, либо в комплекте с процессором. Также не возбраняется разработка аналогичных устройств по собственным спецификациям. Стремительному продвижению ITM способствует и ценовая политика Intel: ожидаемая стоимость модулей составит $23 за модуль объемом 1 Гбайт или $19 за набор из двух NAND-флэш-чипов объемом 512 Мбайт и ASIC. Стоимость модуля 512 Мбайт будет равна $19 или $15 в случае простого набора микросхем для OEM-производителей (два чипа по 256 Мбайт плюс ASIC).
Возвращаясь к сравнению описываемого решения с технологией от Microsoft, упомянем: Intel подчеркивает, что модули ITM сами по себе обладают гораздо меньшим энергопотреблением, чем USB-флэш-накопители (по информации от Intel — в три раза), что является маленьким плюсиком в дополнение к большому плюсу, обусловленному уменьшением количества обращений к жесткому диску.
С пользовательской точки зрения ситуация также выглядит более приемлемой — для задействования преимуществ Intel Turbo Memory не требуется выполнять никакой настройки за исключением установки соответствующего драйвера (существует версия для наборов логики Intel G965 и P965). Кроме того, очевидны положительные стороны и в вопросе сохранности данных: все-таки флэшка — это внешний съемный накопитель, в то время как модуль ITM установлен внутри корпуса ноутбука, кроме того, ОС Vista не способна работать с USB-флэш-дисками как с постоянными накопителями, что может привести к уменьшению преимуществ технологии Microsoft ReadyBoost. По сути, Intel Turbo Memory интегрирует функции ReadyBoost в платформы с пониженным энергопотреблением.
Относительно оправданности применения Intel Turbo Memory компания-разработчик называет следующие цифры: время загрузки приложений уменьшается до двух раз, загрузка операционной системы становится короче на 20%. Налицо значительное ускорение обращения к часто используемым и неважно как сильно фрагментированным данным и в экономии батарей за счет остановки жесткого диска во время операций чтения данных из модуля энергонезависимой памяти. Учитывая наличие алгоритмов параллельной загрузки служб и сервисов, «умного» предварительного считывания с жесткого диска, ощущения от работы на ноутбуке с Intel Turbo Memory однозначно сдвигаются в сторону улучшения.
Конструктивно модуль ITM состоит из контроллера Diamond Lake ASIC, заключенного в корпус размером 8×8 мм, и модулей NAND-флэш объемом 512 Мбайт или 1 Гбайт. Для функционирования необходимо Intel Matrix Storage Manager 7.0 и DFOROM — специальное программное обеспечение, запускаемое до загрузки операционной системы и обеспечивающее доступ к жесткому диску на уровне BIOS.
Intel Turbo Memory совместима с различными операционными системами и с любыми жесткими дисками, поддерживающими интерфейс Serial ATA. При этом необходимо подчеркнуть, что возможности использования NAND-памяти в вычислительных устройствах выходят далеко за рамки технологии ITM.
Intel Turbo Memory будет поддерживать обе флэш-технологии Microsoft, однако ReadyDrive, по всей видимости, оптимизирована для работы с гибридными жесткими дисками (о ReadyBoost имеются исчерпывающие сведения на сайте компании Microsoft, в то время как ReadyDrive освещена гораздо более скромно). Intel считает приоритетной задачей кэширование часто востребованных данных (ReadyDrive), для работы с которыми будет выделяться значительная доля флэш-памяти, имеющейся в составе модуля ITM, остальная память отводится под оптимизацию запуска операционной системы и служебного программного обеспечения (ReadyBoost).
Любопытно, что интерес к Intel Turbo Memory проявляют не только пользователи и производители ноутбуков на базе классического тандема Windows +Intel. В конце минувшего года компания Apple отказалась от использования в своих портативных компьютерах гибридных жестких дисков от Samsung в пользу ITM. Что, впрочем, еще раз напоминает о наличии нескольких «школ» в нелегком деле ускорения системы и снижения энергопотребления — либо гибридные накопители, либо агрессивное кэширование при помощи модулей NAND-флэш.
В заключение необходимо сказать, что имеются непроверенные сведения об аналогичной разработке Intel для сегмента настольных ПК. Если с энергопотреблением здесь ситуация гораздо более щадящая, то скорость жестких дисков в настольных компьютерах также заставляет искать обходные пути. И кажется, Intel нашла такой путь, параллельный ITM: кодовое имя технологии — SnowGrass. Хотя есть данные, что компания решила не изобретать велосипед, а приспособила ITM для настольного сегмента, оснастив следующее поколение десктопных платформ разъемами для соответствующих модулей. Наверняка об этом мы узнаем совсем скоро.
