Устройства Foremay для хранения и защиты важной информации.

Устройства Foremay для хранения и защиты важной информации.

Популярность твердотельных накопителей информации (SSD, Solid State Drive) обусловлена рядом факторов, главным из которых является очень высокая скорость чтения и записи, недостижимая на практике традиционными HDD дисками. Производители устройств данного типа, как правило, ориентированы на изготовление либо повсеместно применяемых изделий для потребительского рынка либо накопителей промышленного класса, отличающихся повышенной отказоустойчивостью и увеличенным сроком службы. К последним относится компания Foremay – один из ведущих разработчиков и поставщиков высоконадёжных твердотельных устройств хранения данных. В рамках статьи рассматриваются ключевые особенности отдельных серий SSD продукции компании, особое внимание уделено технологиям, обеспечивающим высокое качество и надежность эксплуатации выпускаемых изделий.

Введение.

Твердотельные накопители представляет собой полупроводниковые энергонезависимые запоминающие устройства, обеспечивающее хранение информации при помощи массива микросхем флэш-памяти. По сравнению с классическими жесткими дисками они не содержат магнитные носители и вращающиеся механические элементы, подвергающиеся в процессе эксплуатации значительному износу. Такое конструктивное исполнение позволяет добиться высокого быстродействия не только при загрузке системы, но и при использовании установленного программного обеспечения. Например, разница в скорости выполнения операций при обработке графики может достигать нескольких раз. Кроме того, SSD устройства менее чувствительны к условиям эксплуатации, способны работать под воздействием физических нагрузок (ударов, падений, высоких температур) и не требуют строго горизонтальной или вертикальной пространственной ориентации. Также их применение снижает затраты на электроэнергию примерно в три раза, они обладают более низким тепловыделением и нулевым уровнем собственного шума. К минусам SSD накопителей можно отнести лишь более высокую цену за 1 Гбайт емкости, но этот показатель значительно снизился по сравнению с первыми моделями и имеет тенденцию к дальнейшему сокращению.

Обычно различают коммерческие и промышленные твердотельные накопители. Первые широко используются в бытовой электронике, вторые предназначены для применения в оборудовании промышленного назначения [1]. Как правило, промышленные устройства обладают более высокой наработкой на отказ, а также имеют возможность эксплуатации в сложных условиях, которые включают в себя вибрацию, отрицательные температуры и т.д. Для достижения требуемых показателей надежности производители промышленных накопителей предпринимают целый комплекс мер. Это и строгий подбор компонентов, и применение более высококачественных материалов при изготовлении печатной платы и корпуса изделия. Кроме того, схемотехника и программное обеспечение контроллеров промышленных SSD устройств сложнее, чем у коммерческих аналогов.

Среди других отличий промышленных SSD накопителей от бытовых стоит отметить:

• Стойкость к химическим воздействиям за счет конформных покрытий;
• Повышенную надежность при операциях чтения/записи;
• Стойкость к механическим воздействиям путем упрочнения корпуса;
• Дополнительные специфические преимущества, например, защиту данных шифрованием и встроенную функцию быстрого уничтожения информации при угрозе ее утечки.

Компания Foremay, основанная в 2002 году, является одним из ведущих разработчиков и поставщиков высоконадёжных твердотельных накопителей информации, используемых в вычислительных центрах промышленного и специального назначения, встраиваемых системах и серверном оборудовании, рабочих станциях и мобильных устройствах. Продукцию Foremay используют в своих устройствах такие известные бренды, как Boeing, Harris, NEC, Honeywell, Lockheed Martin, NASA, Mitsubishi motors, Fujitsu, Airbus, Cisco, Sun microsystemsи многие другие.

            Отличительные особенности SSD устройств Foremay.

В настоящее время Foremay предлагает полную линейку SSD решений в различных форм-факторах, начиная от отдельных микросхем (DOC, Disk-on-Chip) флэш-памяти и заканчивая модулями (DOM, Disk-on-Module) и твердотельными накопителями типа plug-n-play формата 1.8" и 2.5", пользующимися наибольшей популярностью [2]. 2,5-дюймовые SSD устройства можно охарактеризовать как некий переходный вариант в цепи развития твердотельных накопителей. Они позволяют установить новый тип накопителя в старую систему, тем самым получив все плюсы использования SSD без замены ключевых компонентов ПК. Также большое распространение получают накопители современного формата М.2, которые благодаря своей компактности отлично подходят для установки в ноутбуки и ультрабуки. Они могут подключаться как по линиям SATA, так и по линиям PCIe, используя протокол NVMe.

Типовая структурная схема SSD накопителя производства компании Foremay включает в себя несколько ключевых блоков: микросхемы флэш-памяти типа NAND для хранения данных, специальный контроллер, выступающий в роли посредника между носителем и системой и отвечающий за общую производительность SSD, а также интерфейс подключения, определяющий максимальные скорости чтения и записи (рис. 1). Память DRAM, выступающая временным хранилищем небольших объемов данных и позволяющая стабилизировать износ памяти, а также ускорить доступ к файлам присутствует не у всех моделей.

            Рис. 1 – Упрощенная структура твердотельных накопителей Foremay.

В качестве интерфейсов связи применяются устаревшие PATA, самые распространенные SATA, скоростные PCIe и т.д. Пропускная способность накопителей с SATA интерфейсом зависит от версии протокола (II или III) и составляет 3 и 6 Гбит/с соответственно. Также широко используется логический интерфейс NVMe (NVM Express), представляющий собой спецификацию протокола доступа к твердотельным накопителям, подключённым по шине PCIe. Его основные цели – получение низких задержек и организация эффективной совместной работы твердотельных накопителей и многоядерных процессоров.

Флэш-память является основным и самым дорогостоящим компонентом твердотельного накопителя. Как было отмечено ранее в устройствах Foremay используется память типа NAND. На физическом уровне это означает, что ячейки памяти, представляющие собой полевые транзисторы с  плавающим затвором, соединяются в матрицы последовательно. Как видно из рис. 2 для того, чтобы записать состояние “нуля” в одну из них, нужно, чтобы все другие были открыты и пропускали ток.

Поэтому память типа NAND работает с данными, упорядочивая их в небольшие блоки (страницы). Использование данного подхода обеспечивает высокую скорость записи, еще более высокую скорость стирания, а также более эффективную процедуру последовательного чтения. Кроме того, такая топология позволяет сократить размеры ячеек памяти на кристалле и, соответственно, получить потенциально большую емкость накопителя.

Рис. 2 – Архитектура NAND памяти.

Небольшими размерами преимущества ячеек NAND памяти не ограничиваются. В современных накопителях существует возможность записи как одного, так и нескольких (до четырех) бит информации на ячейку (в зависимости от аппаратной реализации). Foremay выпускает чипы, в которых элементарная ячейка хранит один (SLC, Single-Level Cell), два (MLC, Multi-Level Cell) или три (TLC, Three Level Cell) бита данных. Соответственно в однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе, в ячейках типа MLC – четыре уровня, в ячейках TLC – восемь (рис. 3). Чем больше значений может принимать ячейка, тем больше информации может хранить накопитель, но тем больше увеличивается вероятность некорректного считывания этого значения и тем больше времени требуется на коррекцию ошибок. Кроме того, из-за конструктивных особенностей каждая ячейка флэш-памяти может выдержать ограниченное число циклов записи, с увеличением количества бит на одну ячейку этот показатель уменьшается. Тип SLC – самый дорогой и надежный вариант памяти – обладает большим ресурсом (количество циклов перезаписи более 100 тысяч) и используется для решения ответственных задач. Для коммерческого применения обычно используются MLC и TLC решения, обладающие выгодным соотношением емкость/стоимость, но имеющие, при этом, повышенное энергопотребление и меньшую надежность.

Рис. 3 – Типовые варианты организации ячеек памяти NAND.

SSD контроллер представляет собой встроенный процессор, выполняющий наиболее важные для обеспечения общей производительности и безопасности накопителя задачи. Помимо аппаратного шифрования и защиты данных контроллер памяти реализует следующие функции:

• Выравнивания износа (wear-leveling). Ресурс твердотельного накопителя зависит от количества циклов перезаписи отдельных страниц 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 и повышающие срок службы накопителя.
• Обнаружения и коррекции случайных ошибок. В SSD устройствах Foremay применяется BCH ECC – наиболее эффективный алгоритм контроля целостности данных, позволяющий устранить до 12 ошибочных бит в каждом блоке размером 512 кбайт.
• Контроля “дефектных” блоков памяти. “Дефектными” называют секторы 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 ошибок в течение всего срока службы. Эта процедура совершенно открыта для пользователя при использовании SMART.
• 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.
• 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 накопителю, повышая производительность задач, связанных с произвольным чтением, а также обработкой данных от двух и более источников.
• Сборки “мусора” для оптимизации удаления и записи страниц и блоков памяти.
• Контроля напряжения питания и поддержки “горячего” подключения.

Широкая линейка серийных SSD устройств Foremay включает в себя более сотни различных моделей, объединенных в зависимости от основного назначения в четыре отдельные серии. В таблице 1 представлены основные параметры популярных стандартных моделей SSD накопителей Foremay.

            Таблица 1 – Основные отличия серий SSD накопителей Foremay. 

Твердотельные диски компании Foremay с максимально доступной на рынке емкостью отличаются увеличенным сроком службы по сравнению с аналогами от других производителей. Отличный уровень криптозащиты, базирующийся на усовершенствованных технологиях шифрования, наравне с функцией самостирания позволяет использовать их в приложениях с повышенными требованиями безопасности. SSD диски имеют широкий выбор доступных диапазонов рабочих температур (0..+70, -40..+85 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. Вся продукция имеет сертификаты соответствия международным стандартам FCC, CE, MIC, ROHS и UL, система менеджмента качества компании удовлетворяет требованиям ISO-9001. Улучшить степень механической и электрической защиты позволяет нанесение на печатную плату и микросхемы специального конформного покрытия, которое не применяется в бытовых устройствах.

Предлагаемое дополнительно заказное проектирование включает в себя доработку корпусного исполнения выбранного устройства с целью повышения степени защиты (IP57 и выше), 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.

Серия SC199.

Твердотельные накопители серии SC199 являются старшими представителями линейки SSD продукции Foremay. Они позиционируются для использования в высоконадежном оборудовании, предназначенном для решения ответственных задач в жестких условиях окружающей среды. К типовым отраслям применения относятся: горнодобывающая, нефте- и газодобыча, аэрокосмическая, военная и медицинская. Все устройства данной серии изготавливаются на основе специально отобранных микросхем флэш-памяти, обладают расширенным набором дополнительных опций и повышенной прочностью конструкции. В зависимости от условий эксплуатации существует возможность выбора подходящего решения, в рамках серии выпускаются модели, рассчитанные как на стандартный (-40..+85 °C), так и на расширенный (-55..+125 °C) диапазоны температур. В настоящее время для заказа доступно одиннадцать модификаций с емкостью от 16 до 4000 Гбайт и несколькими интерфейсами подключения (таблица 2).

            Таблица 2 – Основные характеристики накопителей серии SC199. 

Безопасность и долговечность функционирования обеспечивает ряд внутренних функций: аппаратного шифрования (HE), поддержки спецификации TCG Opal (OP), защитного стирания (S1, S2, S3) и защиты от записи (WP). Аппаратное шифрование выполняется 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 защитного стирания. Первые два, различающиеся способом активации (программный или аппаратный при помощи кнопки или механического переключателя), 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. Из других опций стоит отметить наличие встроенного конденсатора большой емкости для корректного завершения работы в аварийных ситуациях (SC) и использование конформного покрытия (CC).

Устройства хранения данных, предназначенные для военных и аэрокосмических целей, соответствуют или превосходят требования стандарта MIL-STD-810G. Они производятся в массивных металлических корпусах, обеспечивающих защиту от экстремальных механических и климатических воздействий (рис. 4). На данный момент для заказа доступны накопители: 2.5" SATA и 2.5" NVMe U.2 с емкостью до 16 Тбайт, а также 1.8" microSATA, вмещающий до 2 Тбайт информации.

Рис. 4 – Внешний вид SSD накопителей Foremay военного и аэрокосмического назначения.

Серия EC188.

Устройства семейства EC188 разработаны для хранения информации в “облачных” системах, телекоммуникационных коммутаторах и серверах 4G/5G сетей, производительных серверах банков с большим количеством одновременных запросов, и в других применениях, требующих наличия накопителей с высокой скоростью чтения/записи и хорошей износоустойчивостью. Обладающие пропускной способностью до 6 Гбит/с и емкостью до 200 Тбайт они выполнены с использованием различных интерфейсов связи (таблица 3). Для ускорения выполнения операций чтения и записи накопители снабжены кэш памятью типа DRAM.

Таблица 3 – Основные характеристики накопителей серии EC188. 

Двенадцать типовых модификаций, оптимизированные для использования в RAID массивах, могут применяться в двух диапазонах рабочих температур (0..+55 °C и -40..+85 °C). 2,5" и 3,5" устройства, выполненные на основе интерфейсов SATA III и SAS (Serial Attached SCSI), обладают максимальным дисковым пространством 8 Тбайт. Их скорость чтения/записи не превышает 550/510 Мбит/с. SSD 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 скоростью чтения/записи на уровне 3800/3100 Мбит/с. Путем применения матрицы из шести отдельных 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 высоконагруженных сетей 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 млн. IOPS. Внешний вид устройств серии EC188 показан на рис. 5.

Рис. 5 – Внешний вид накопителей серии EC188.

Серия TC166.

Серия TC166 включает в себя высококачественные SSD накопители, ориентированные на работу в составе промышленных ноутбуков, применяемых на морском и железнодорожном транспорте, системах гражданской авиации, связи, безопасности и видеонаблюдения, производственных технологических линиях и т.д. В серии преобладают модели, оснащенные наиболее распространенным SATA интерфейсом (таблица 4).

Таблица 4 – Основные характеристики накопителей серии TC166. 

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. Возможность выбора из трех стандартных форм-факторов (1.8", 2.5" или 3.5") позволяет использовать данные накопители как в настольных системах, так и в ноутбуках. Устройства с емкостью от 8 Гбайт до 10 Тбайт имеют низкое собственное энергопотребление, хороший запас прочности и длительную наработку на отказ. Помимо интегрированных технологий управления флэш-памятью, накопители TC166 в зависимости от назначения снабжены дополнительными возможностями: аппаратного шифрования и быстрого удаления информации с учетом требований военных стандартов. Обязательное нанесение защитного покрытия на корпуса изделий помогает повысить надежность функционирования. Также в рамках серии предлагаются съемные накопители промышленного назначения в виде карт памяти, отлично подходящие для использования в качестве загрузочных дисков.

Серия OC177.

Серия включает в себя компактные бескорпусные изделия, выполненные в виде модулей или однокристальных решений для распайки на печатную плату. Они ориентированы на применение во встраиваемых системах различного назначения и успешно используются в одноплатных компьютерах, робототехнике, пультах управления, терминалах, мобильных устройствах и т.д. Основная отличительная особенность серии OC177 – минимальные габариты. Максимальная емкость накопителей не превышает 256 Гбайт (таблица 5). В качестве интерфейсов подключения модулей применяются SATA, micro SATA, IDE и ZIF.

Таблица 5 – Основные характеристики накопителей серии OC177. 

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 максимального размера дискового пространства.

Твердотельные накопители SATA DOC конструктивно выполнены в BGA корпусах с размерами от 22×22×1,8 мм (рис. 6). Предназначенные для монтажа непосредственно на плату они устраняют необходимость установки отдельного диска для хранения данных. Оснащены стандартными интерфейсами IDE или SATA и имеют ёмкость от 16 до 64 Гбайт NAND памяти и скорость чтения/записи 450/200 Мбит/с соответственно. С учетом заявленной высокой надежности, устойчивости к вибрациям, ударам и температурным перепадам устройства на их основе можно использовать в полевых условиях.

Рис. 6 – Внешний вид накопителей серии OC177.

Заключение.

Компания Foremay предлагает широкую линейку SSD накопителей как для потребительского рынка, так и для применения в оборудовании ответственного назначения. Богатый ассортимент серийных устройств хранения информации, отличающийся разнообразием вариантов конструктивного исполнения и перечнем функциональных особенностей, позволяет сделать качественный выбор при решении конкретной задачи. Если по каким-либо причинам выбор не был сделан, производитель может выполнить разработку на основе требований заказчика.

Список используемой литературы.

1. С. Румянцев, А. Некрасов. Надежному промышленному компьютеру – надежную память или основные отличия промышленных и коммерческих SSD. // Компоненты и технологии, 2011, №11, с. 46-48
2. Официальный сайт компании Foremay // www.foremay.net