Hübriidne andmetalletus

Hübriidne andmetalletus (eraldi komponendina hübriidseade, hübriidketas või SSHD, inglise hybrid drive või solid-state hybrid drive) on välismälu-andmekandja tehnoloogia, mis kasutab informatsiooni talletamiseks paralleelselt nii tavalist kõvaketast (HDD) kui ka välkmälul põhinevat pooljuhtseadet (SSD). Üldiselt kasutab hübriidsüsteemi rakendav arvuti peamise salvestusseadmena kõvaketast ning NAND-tüüpi säilmäluga pooljuhtseadet vahemäluna, kus hoitakse varukoopiana kõige sagedamini loetavaid andmeid.^[1] Nii kombineeritud andmesalvestustehnika võimaldab kõvaketastele omast talletusmahtu ning pooljuhtseadmetele iseloomulikku suvapöördusaega andmetele, mis vajavad hetkelist ligipääsu või mida loetakse korduvalt (nt operatsioonisüsteemi failid).

Hübriidne andmetalletus on realiseeritav kahel viisil – eraldiseisvatest seadmetest koosnevad süsteemi või integreeritud ketta näol.

Integreeritud hübriidketast on võimalik emuleerida kahe või enama diskreetse seadme abil, mille seas on esindatud nii pooljuhtseade kui kõvaketas (dual drive hybrid system). Sellises süsteemis võib pooljuhtseade olla kas arvuti esmaseks salvestusseadmeks, kus hoitakse kogu süsteemitarkvara ning suurt osa rakendusprogrammidest, või vahemäluks kiiret lugemist/kirjutamist vajavate andmete jaoks. Esimese lahenduse puhul on kõik salvestusseadmed (sh pooljuhtseade) operatsioonisüsteemi jaoks identsed ning kasutaja poolt vabalt hallatavad, kuid süsteemitarkvara suuruse tõttu nõuab see ka suuremahulist välkmäluseadet^[2] (64-bitise Windows 8.1 puhul vähemalt 20 GB üksnes süsteemitarkvara jaoks^[3]). Lisaks on andmetalletuse optimeerimine jäetud kasutaja enda hooleks ning hübriidsüsteemi jõudlus oleneb suuresti sellest, kuidas kasutaja on failid erinevate seadmete vahel jaotanud.

Pooljuhtseadet vahemäluna rakendav süsteem on võimeline efektiivselt töötama ka väiksemahulise välkmäluseadmega, sest vahemälus hoitakse ainult kõige sagedamini kasutatavaid andmeid. Sel juhul on eraldiseisvate seadmete olemasolu tavakasutaja eest varjatud ning andmete efektiivse paigutamise eest vastutab tarkvara. Paljud mitme salvestusseadmega sülearvutid kasutavad hübriidsüsteemi teostamiseks välkvahemälu mooduleid (FCM, flash cache modules), millest kõige levinum lahendus on Inteli Smart Response Technology, mida toetavad mitmed uuemad Inteli kiibistikud.^[4]

Lisaks toetab OS X kahe nimetatud lahenduse vahepealset tehnoloogiat, mille Apple on nimetanud Fusion Drive'iks. Sel juhul ei ole kasutajal diskreetsetele seadmetele otsest ligipääsu ja pooljuhtseadet ei kasutata mitte vahemäluna, vaid esmase andmekandjana, ning kõvaketast üldise salvestusruumi laiendusena.

Pooljuht-hübriidseade (SSHD, solid-state hybrid drive) ehk hübriidketas on integreeritud massmäluseade, mis koosneb kõvakettast ja NAND-tüüpi välkmälust. Hübriidkettad töötavad kahes režiimis^[4]:

1. Isehaldavas (self-optimized või self-pinning) seadmes hoolitseb andmete efektiivse paigutamise eest hübriidseade ise. Operatsioonisüsteem näeb andmekandjat kui tavalist kõvaketast ning otsene ligipääs seadme välkmälule süsteemitarkvaral puudub. Sel juhul mõjutab ketta jõudlust enim see, kui efektiivselt suudab mäluseade tuvastada andmed, mis välkmälus varukoopiana talletades parandaksid süsteemi üldist jõudlust kõige enam (nt sagedasti loetavad/kirjutatavad failid, alglaadeinfo jms).
2. Hosti hallatav (host-optimized või host-pinning) hübriidketas saab andmete paigutamisega seotud käske teistelt seadmetelt. Selleks aktiveerib andmekandja SATA liidese Hybrid Information Feature spetsifikatsioonis defineeritud käsud, mis võimaldab operatsioonisüsteemile, seadmedraiveritele ja/või süsteemitarkvarale ligipääsu ketta magnet- ja välkmälukomponentidele.

Kuna hübriidketta vahemälu on juhitav ainult operatsioonisüsteemi või ketta enda poolt, siis erinevalt osadest mitmeseadmeliste süsteemide lahendustest kasutaja sellele ligi ei pääse.

Nii integreeritud kui diskreetsetest seadmetest koosnevat hübriidsüsteemi aitab efektiivselt kasutada Inteli Smart Reponse Technology (SRT). SRT teeb vahet salvestusseadmele kirjutatavatel ning sellelt loetavatel andmetel nende väärtuse järgi – kõrge väärtusega andmed on näiteks programmi- ja alglaadeinfo, madala väärtusega andmed näiteks viirusetõrje poolt programmi töö käigus tekkiv informatsioon ning kettalt voogedastusena loetavad meediafailid. Talletades kõrge väärtusega informatsiooni välkvahemälus, aitab SRT vältida korduvat kõvaketta poole pöördumist ning parandab seeläbi süsteemi üldist jõudlust.

Kui süsteemil on vahemäluna kasutada eraldiseisev pooljuhtseade, on SRT otseselt vastutav vahemälu efektiivse kasutamise eest. Hübriidketta puhul annab SRT seadme vahemäluhaldurile prioriteedivihjeid (Hybrid Hinting), mille põhjal saab ketas otsustada, kas konkreetse andmehulga vahemällu kopeerimine on tõhus või mitte.

SRT töötab kahes kirjutamisrežiimis: tõhustatud (write-through) ja maksimeeritud (write-back). Esimese puhul kirjutatakse andmeid välkmäluseadmele ja kõvakettale samaaegselt, mis tagab andmete säilimise ja terviklikkuse, kuid piirab kõigi väljundoperatsioonide kiirused kõvaketta ülima kirjutamiskiiruseni. Maksimeeritud režiimis kirjutatakse andmed esialgu välkmäluseadmele ning koopiat kõvakettal uuendatakse alles siis, kui süsteem ei ole parajasti hõivatud mõne teise tegevusega. Maksimeeritud režiim võimaldab suuremaid andmeedastuskiiruseid.

SRT tugi on paljudel Inteli kiibistikel alates 6. seeriast. SRT kasutamiseks peab diskreetse pooljuhtseadme suurus olema vähemalt 16 GB või integreeritud hübriidketta suurus vähemalt 8 GB.^[5]

Sarnaselt Inteli vahemälutehnoloogiaga on Seagate'i hübriidketaste püsivaras sisalduv Adaptive Memory Technology (AMT) võimeline prioriseerima andmeid nende väärtuse järgi ning vastavalt sellele otsustama, kas nende talletamine välkvahemälus parandab lugemisoperatsioonide kiirust või mitte. Kuna tuvastusalgoritmid on kettaseadme sees, siis ei vaja see tehnoloogia ühegi spetsiifilise kiibistiku ega muu riistvarakomponendi tuge. AMT on Seagate'i hübriidketaste püsivarasse kuulunud alates esimese andmekandja väljatulekust 2007. aastal.^[6]

Et hübriidkettad ühendavad endas välkmäluseadmete ja kõvaketaste tehnoloogia, siis teoorias sarnaneb hästi optimeeritud vahemäluga hübriidketas mahult keskmise kõvakettaga ning lugemis- ja kirjutamiskiiruselt pooljuhtseadmega. Kuna vahemäluna kasutatav välkmälumoodul on üsna väike (tavaliselt 8 GB) ning olulist lisaruumi ei nõua, siis ongi enamik hübriidkettaid kõvaketastega sarnase mahutavusega. SSHD sisend-väljundoperatsioonide kiirus on sarnane keskmise pooljuhtseadme omaga siis, kui ketas on töös olnud mõnda aega ning kui samu andmeid loetakse korduvalt, sest sel juhul on informatsiooni vahemälus hoidmisest tulenev kasu suurim. Uute andmete liigutamisel on hübriid- ja kõvaketas võrdsed.^[7]

Jõudlustestid näitavad, et hübriidketta kiirus erinevatel operatsioonidel pooljuhtseadet ei ületa, kuid on kõvakettast peaaegu alati parem. Hübriidketta hind gigabaidi kohta on kõvaketta omast vähem kui poolteist korda suurem, samas kui pooljuhtseade on tavalisest HDD-st umbest 10 korda kallim.^[8][9]

On kindlaks tehtud, et keskmine hübriidketas ei vaja efektiivseks tööks rohkem kui 8 GB välkmälu, kusjuures 2,11 GB-ist piisab, et saavutada 95% ainult SSD-d kasutava süsteemi üldisest jõudlusest.^[10] Enamik müügil olevaid hübriidkettaid sisaldavadki just 8 GB NAND-tüüpi välkmälu.

Kuna SSHD on heaks kompromissiks kalliste pooljuhtseadmete ning mahukate kõvaketaste vahel, on arvatud, et lähitulevikus domineerivad turgu just hübriidkettad. SSHD edukaks läbimurdeks peaks hübriidseade pakkuma SSD-le lähedast jõudlust umbes 80% ulatuses – selleks peab vahemälu olema piisavalt mahukas ja intelligentne, et tuvastada ja talletada just need andmed, mida tavakasutaja igapäevaselt loeb. Keskmise SSHD hind ei tohiks oluliselt ületada mahult samaväärse kõvaketta hinda; vastasel juhul jääb mahukate andmekandjate turgu domineerima traditsiooniline kõvaketas.^[11]

Kõva- ja hübriidketaste tootja Seagate ennustab samuti, et kuna HDD-l ja SSD-l on mõlemal suuri puudujääke, saab tulevikus andmekandjate turgu domineerima just hübriidketas.^[12]

Suurim hübriidketaste tootja on Seagate. Lauaarvutitele pakub firma andmekandjaid suuruses 1–4 TB ning sülearvutite jaoks on tootevalikus 5, 7 ja 9,5 tolli paksused kettaseadmed mahutavusega 500–1000 GB.^[13]

Toshiba müüb hetkel hübriidkettaid ainult sülearvutitele (paksusega 7 ja 9,5 tolli), mille maht on 320–1000 GB.^[14]

Western Digitali hübriidseade (dual drive hybrid system) koosneb 1 TB suurusest kõvakettast koos 128 GB pooljuhtseadmega. Andmekandja on mõeldud sülearvutites kasutamiseks.^[15]

Hübriidketaste tugi lisandus Windowsi operatsioonisüsteemidele alates Vistast, millega oli kaasas kaks hübriidsalvestustehnoloogiatele suunatud tarkvarakomponenti – ReadyDrive ja ReadyBoost.^[16] Viimane võimaldab operatsioonisüsteemil kasutada ükskõik millist arvuti külge ühendatud välkmäluseadet (mälukaart, pooljuhtseade, mälupulk) vahemäluna, et kiirendada sekundaarse mäluseadmega seotud lugemis- ja kirjutamisoperatsioone. Kuna ReadyBoost kasutab välkmäluseadet üksnes programmide käivitamise kiirendamiseks (koos SuperFetch tehnoloogiaga), mitte kõigi lugemis- ja kirjutamisoperatsioonide jaoks, ning kuna tavaline USB-andmekandja ei võimalda piisavalt suuri andmevahetuskiiruseid, siis uuematel arvutitel märkimisväärset jõudluse paranemist selle kasutamisega saavutada ei ole võimalik.^[17] ReadyDrive'i ülesandeks oli optimeerida hübriidketast nii, et operatsioonisüsteemi alglaadimine ning talveunest ärkamine oleksid senisest kiiremad, kuid see komponent ei ole uuemate hübriidketaste puhul enam vajalik, sest salvestusseade teeb vastavad optimeerimistegevused operatsioonisüsteemist sõltumatult.

Linuxi hübriidketta emuleerimisega sarnast emuleerimist Windowsi platvormil võimaldab ExpressCache. Tehnoloogiat kasutavad mitmed sülearvutitootjad, sealhulgas Samsung, Fujitsu, Lenovo, Sony ja Acer. ExpressCache'i kasutavad vaikimisi ka mõned SanDiski pooljuhtseadmed.

Linuxil võimaldavad hübriidsüsteemi emuleerimist kerneli komponendid bcache, dm-cache ja Flashcache, mis kõik kasutavad välkmäluseadet vahemäluna, kuhu salvestatakse varukoopiana enim kasutatavad andmed.

Hübriidandmetalletust võimaldav Fusion Drive jõudis Apple'i seadmetes turule 2012. aastal. Seda tehnoloogiat kasutavad arvutid sisaldavad kõvaketast suurusega 1 või 3 TB ja pooljuhtseadet suurusega 128 GB. Andmekandjad jagavad ühist loogilist partitsiooni ning seetõttu otsest ligipääsu eraldi seadmetele kasutajal pole. Seejuures on pooljuhtseade arvuti esmane andmekandja, mitte vahemälumoodul. See tähendab, et faile ei kirjutata kunagi korraga nii välkmäluseadmele kui kõvakettale, vaid alati ainult SSD-le. Kui välkmälus on andmeid liiga palju, tõstab operatsioonisüsteem osa neist kasutajale märkamatult kõvakettale (ja kõvakettalt tagasi), ennustades ja võttes arvesse senist failide kasutamissagedust.^[18] Seega võib Fusion Drive'i kirjeldada kui lihtsat kahest andmekandjast koosnevat hübriidsüsteemi, kus välkmäluseade on kõrgema kirjutamisprioriteediga kui kõvaketas.

2005. aastal esitles Intel enda Turbo Memory tehnoloogiat, mis kasutas programmide käivitamise kiirendamiseks NAND-tüüpi välkvahemälumooduleid, mille suurus ulatus 1 GB-ni.^[19] Tehnoloogiat toetasid mitmed Inteli kiibistikud, kuid laiemasse kasutusse see ei jõudnud.^[20]

Alates Vista väljalaskmisest 2007. aastal on Windows sisaldanud komponente, mis kasutavad NAND-tüüpi välkmälu süsteemi üldise jõudluse tõstmiseks – ReadyBoost kasutab selleks lisa-pooljuhtseadmeid ning ReadyDrive hübriidketaste välkmälukomponenti.

Esimesed integreeritud hübriidkettad tõid turule 2007. aastal riistvaratootjad Samsung ja Seagate. Seagate Momentus 5400 PSD ja Samsung SpinPoint MH80 sisaldasid kuni 256 MB suurust välkmälu ning mõlemad olid hosti hallatavad kettaseadmed, mis sõltusid täielikult Windowsi ReadyDrive tehnoloogiast. Esialgne võrdlus tavapäraste kõvaketastega olulist jõudluskasvu aga ei näidanud ning sellepärast olid esimesed hübriidkettad pigem nišitoode, mis laiemasse kasutusse ei jõudnud. Sellegipoolest oli hübriidketastel potentsiaali leida rakendust tulevastes sülearvutites, sest mehaanilise komponendi (s.t kõvaketta) kasutuse vähendamine kajastus väiksemas voolutarbes ning ketta hind ühe andmeühiku kohta oli oluliselt madalam võrreldes pooljuhtseadmetega.^[21]

Aastal 2010 tuli Seagate välja oma teise generatsiooni hübriidketaste tehnoloogiaga. Sellest ajast võeti kasutusele termin "SSHD-ketas", mis tähendab pooljuht-hübriidseadet. Uus Momentus XT hübriidketas sisaldas juba 4 GB välkmälu ning oli oma eelkäijast oluliselt kiirem, ületades mõnes jõudlustestis isegi tolleaegseid pooljuhtseadmeid.^[22]

2011. aastal müüs Samsung oma kõvaketaste, sh hübriidketaste tootmisharu Seagate'ile.^[23] Lepingu järgi tarnib Samsung Seagate'ile NAND-tüüpi välkmälukomponente, seega võib arvata, et Seagate'i hübriidkettad valmivad koostöös Samsungiga.

Samal aastal tõi Intel turule oma Smart Response'i tehnoloogiat, mis oli varasema Turbo Memory tehnoloogia järglane. Koos uue vahemälutehnoloogiaga andis Intel välja ka 20 GB pooljuhtseadme, mis oli spetsiaalselt mõeldud vahemäluna kasutamiseks.^[24]

Aastal 2012 sisenes hübriidketaste turule Toshiba ja 2013. aastal Western Digital koostöös SandDiskiga. Alates sellest ajast on hübriidketaste välkmälukomponendi suurus tasapisi kasvanud, olles 2014. aastal suurusjärgus 8–24 GB.

2013. aastal tuli Western Digital turule esimese integreeritud hübriidseadmega (1 TB magnetmälu + 120 GB välkmälu), mis erinevalt tavalisest hübriidkettast ei kasuta pooljuhtseadet harilikult vahemäluna. Tegemist on sama korpust ja ühendusliidest jagava kahe eraldi massmäluseadmega, mis oma 2,5 tollise suuruse poolest võimaldab mitmeseadmelist hübriidsüsteemi teostada ka sülearvutites, ilma et komponendid senisest enam ruumi võtaks.^[25]