Ten artykuł zawiera informacje na temat tego, dlaczego dyski SSD zużywają się.
Omówienie
Dlaczego urządzenia półprzewodnikowe są zużywają się?
Aby odpowiedzieć na pytanie, dlaczego dyski SSD oparte na technologii flash mają ograniczoną trwałość zapisu, przyjrzyjmy się mechanizmom pamięci flash, różnicom występującym w zależności od typu pamięci flash oraz technikom służącym do poprawy funkcjonalności.
Dane w urządzeniu z pamięcią typu flash są odczytywane i zapisywane na stronach. Odczyt to stosunkowo prosty proces – zostaje wydane polecenie odczytu z adresem i zwracana jest odpowiednia wartość danych. Zapis może dotyczyć tylko tych stron, które zostały wymazane, dlatego polecenia zapisu hosta wywołują wymazanie cyklów w urządzeniu flash przed zapisaniem w nim danych. Kolejne cykle zapisywania i wymazywania danych powodują zużywanie komórek, które jest przyczyną ograniczenia żywotności urządzenia do zapisu danych.
Urządzenia flash NAND mogą składać się z komórek jednostanowych (SLC) lub komórek wielostanowych (MLC). Komórka SLC przechowuje tylko jeden bit danych i wymaga tylko dwóch stanów napięcia, reprezentowanych przez wartości 0 lub 1. Jest to najprostsza implementacja NAND i ma najwyższy poziom trwałości – około 100 000 cykli. Jako że przyszłe generacje technologii flash będą oparte na mniejszej geometrii, zmniejszy się wytrzymałość komórek (obecnie można zaobserwować wytrzymałość na poziomie 50 000 cykli). Komórka MLC zwykle przechowuje dwa bity danych i wymaga czterech stanów napięcia, reprezentowanych przez wartości 00, 01, 10 i 11. Zużycie komórki jest podobne dla komórek SLC i MLC, ale ponieważ musi tu zostać wykryte więcej stanów napięcia, wytrzymałość ulega znacznemu zmniejszeniu. Trwałość komórek MLC wynosi zwykle 10 000 cykli, jednak w przypadku nowszych generacji będzie ona utrzymana na poziomie od 3000 do 5000 cykli.
Dysk flash SSD składa się z pewnej ilości kości pamięci flash, co pozwala uzyskać wysoką pojemność. Aby poprawić żywotność dysków SSD, stosuje się szereg technik, które mogą być stosowane w przypadku obu typów NAND. Dostęp do zapisu hosta może nastąpić do każdej lokalizacji, powodując powstanie punktu aktywnego i w efekcie przedwczesne zużycie komórek w tych lokalizacjach. Aby zapobiec powstawaniu punktów aktywnych, stosowana jest technika nazywana bilansowaniem zużycia. Bilansowanie zużycia zapewnia niemal równomierny rozkład dostępu do zapisu we wszystkich komórkach dysku SSD. Wzmocnienie zapisu to miara stosunku liczby zapisów w technologii flash w stosunku do zapisu hosta. Przykład: jeśli 2 zapisy w technologii są generowane dla każdego zapisu hosta, wzmocnienie zapisu będzie również wynosić 2. W celu zredukowania wzmocnienia zapisu technika zwana nadmiarowymi blokami pamięci usprawnia wydajność zbierania „śmieci”, tym samym redukując wzmocnienie zapisu. Po drugie, technika stosowana zazwyczaj w MLC wykorzystuje niższe poziomy napięcia podczas cyklu zapisu, aby zmniejszyć zużycie komórek, co zwiększa wytrzymałość zapisu.
Choć trudno byłoby dokładnie określić, jak długo wytrzyma dany dysk SSD, można skorzystać z wytycznych, które pomogą to oszacować. W dyskach SSD używa się metryki opracowanej przez JEDEC o nazwie TBW (terabajty zapisanych danych). Rzeczywista żywotność zapisu jest uzależniona od profilu obciążenia roboczego (np. losowego lub sekwencyjnego, rozmiaru bloku lub aktywności zapisu). TBW pozwala ją jedynie oszacować, więc rzeczywista żywotność może być inna. Aby określić przewidywaną żywotność, należy podzielić wartość TBW przez oczekiwaną średnią wartość BW zapisów na dysku. Zazwyczaj – nie licząc przypadków bardzo wymagających zastosowań – dysk SSD powinien nadawać się do użytku przez ponad trzy lata.
Bilansowanie zużycia
Pamięć flash typu NAND jest podatna na zużycie wskutek powtarzających się cykli programowania i kasowania danych, często wykonywanych w aplikacjach i systemach przechowywania danych, wykorzystujących warstwę FTL. Ciągłe programowanie i kasowanie tej samej lokalizacji w pamięci sprawia, że zostaje ona ostatecznie zużyta i nie nadaje się do dalszego wykorzystania. W związku z tym pamięć flash typu NAND ma ograniczoną żywotność. Aby zapobiec takim sytuacjom, w dysku SSD wdrażane są specjalne algorytmy, określane jako równoważenie zużycia. Jak sugeruje nazwa, równoważenie zużycia zapewnia sposób równomiernego rozłożenia cykli programowania i kasowania we wszystkich blokach pamięci w dysku SSD. Zapobiega to ciągłemu wykonywaniu cykli P/E dla tego samego bloku pamięci, co wydłuża żywotność całej pamięci flash NAND.
Istnieją dwa rodzaje równoważenia zużycia, dynamiczne i statyczne. Dynamiczny algorytm zużycia gwarantuje, że cykle zapisu i kasowania będą równomiernie rozłożone we wszystkich blokach pamięci flash typu NAND. Algorytm ten jest dynamiczny, ponieważ jest wykonywany za każdym razem, gdy dane w buforze zapisu zostaną wyczyszczone i zapisane do pamięci flash. Samo dynamiczne równoważenie zużycia nie może zagwarantować, że wszystkie bloki będą zużywane z taką samą szybkością. Istnieje również specjalny przypadek, gdy dane są zapisywane i przechowywane w pamięci flash przez dłuższy lub nieokreślony czas. Podczas gdy inne bloki są aktywnie zamieniane miejscami, kasowane i przydzielane do puli, bloki te pozostają nieaktywne na poziomie procesu równoważenia zużycia. Aby upewnić się, że wszystkie bloki są zużywane z taką samą szybkością, wdrażany jest dodatkowy algorytm równoważenia zużycia, zwany statycznym. Statyczne równoważenie zużycia skupia się na nieaktywnych blokach, które przechowują dane.
Dyski SSD firmy Dell obsługują zarówno statyczne, jak i dynamiczne algorytmy równoważenia zużycia, aby zapewnić, że bloki pamięci NAND są zużywane równomiernie w celu wydłużenia żywotności dysku SSD.
Nadmiarowe bloki pamięci
Nadmiarowe bloki pamięci poprawiają:
- wydajność zapisu i operacji we/wy
- stabilność