В этой статье рассказывается о том, почему твердотельные накопители изнашиваются.
Обзор
Почему твердотельные накопители изнашиваются?
Чтобы объяснить, почему флэш-накопители SSD имеют ограниченное количество операций записи, рассмотрим механизмы флэш-памяти, их отличия в разных типах флэш-дисков и способы улучшения их функциональности.
Чтение и запись на устройстве флэш-памяти осуществляется страницами. Операция чтения является относительно простой, поскольку выполняется команда чтения с адресом и возвращаются соответствующие данные. Операция записи может выполняться только на тех страницах, которые были стерты, поэтому команды записи хоста запускают циклы стирания флэш-памяти перед записью на флэш-память. Этот циклический процесс записи/стирания приводит к износу ячейки и ограничению количества операций записи.
Флэш-устройства NAND могут представлять собой одноуровневые ячейки (SLC) или многоуровневые ячейки (MLC). SLC сохраняет только один бит информации и требует только два уровня напряжения для представления 0 или 1. Это простейшая реализация NAND с самым высоким ресурсом записи, который составляет около 100 000 циклов. По мере того как будут появляться более компактные устройства новых поколений, ресурс записи будет сокращаться (уже сейчас встречаются устройства с ресурсом 50 000 циклов). MLC обычно указывает на сохранение двух битов информации и требует четырех уровней напряжения для обозначения 00, 01, 10 и 11. Износ ячеек происходит как в SLC, так и в MLC, но поскольку необходимо определять больше уровней напряжения, ресурс записи значительно снижается. У MLC он обычно составляет около 10 000 циклов, но в более новых поколениях — всего 3000-5000 циклов.
Флэш-накопитель SSD состоит из многочисленных чипов флэш-памяти, которые обеспечивают высокую емкость. Для увеличения ресурса записи твердотельных накопителей используются несколько методов, которые можно применять к обоим типам NAND. Доступ хоста к данным для записи может осуществляться в любом месте, что может привести к перегреву в некоторых точках, что, в свою очередь, приведет к преждевременному износу в этих местах. Метод, называемый «выравнивание износа», используется для предотвращения перегрева таких точек. Выравнивание износа приводит к почти равномерному распределению доступа для записи по всей емкости твердотельного накопителя. Увеличение объема записи — это показатель соотношения количества операций записи на флэш-память и операций записи хоста. Например, если для одной записи хоста создаются 2 флэш-записи, то увеличение объема записи равно 2. Чтобы уменьшить увеличение объема записи, применяется избыточное выделение ресурсов, которое повышает эффективность чистки памяти, тем самым уменьшая увеличение объема записи. Наконец, метод, обычно применяемый к MLC, использует более низкие уровни напряжения во время цикла записи для уменьшения износа ячейки, тем самым повышая долговечность записи.
Несмотря на то, что сложно точно определить, сколько времени будет работать твердотельный накопитель, для оценки имеются рекомендации. В твердотельных накопителях используется метрика TBW (терабайт записано), разработанная JEDEC. Хотя фактическое количество операций записи будет зависеть от профиля рабочей нагрузки (например, случайная или последовательная, размер блока или активность записи), TBW предоставляет приблизительную оценку, но фактический ресурс будет отличаться. Чтобы определить ожидаемый срок службы, необходимо разделить TBW на ожидаемую среднюю пропускную способность операций записи на диск. Как правило срок службы твердотельных накопителей должен составлять более трех лет, если не учитывать исключительно ресурсоемкие приложения.
Выравнивание износа
Флэш-память NAND подвержена износу из-за повторяющихся циклов программирования и очистки, которые обычно выполняются в приложениях и системах хранения данных с использованием слоя преобразования флэш-памяти (FTL). Постоянное программирование и очистка данных в одном и том же месте памяти в конечном итоге приводит к износу этого сегмента и делает его нерабочим. В результате флэш-память NAND имеет ограниченный срок службы. Для предотвращения таких ситуаций в твердотельном накопителе реализованы специальные алгоритмы, которые называются выравниванием износа. Как видно из термина, выравнивание износа обеспечивает равномерное распределение циклов программирования и очистки по всем блокам памяти твердотельного накопителя. Это предотвращает непрерывное выполнение циклов программирования и стирания в одном блоке памяти, что увеличивает срок службы флэш-памяти NAND в целом.
Существует два типа выравнивания износа: динамический и статический. Алгоритм динамического выравнивания износа гарантирует, что циклы программирования и очистки данных будут равномерно распределены по всем блокам во флэш-памяти NAND. Алгоритм является динамическим, поскольку он выполняется каждый раз, когда данные в буфере записи диска очищаются и записываются во флэш-память. Динамическое выравнивание износа само по себе не может гарантировать, что износ всех блоков выровнен одинаково. Существуют особые случаи, когда данные записываются и хранятся во флэш-памяти в течение длительного периода времени или бесконечно. В то время как другие блоки активно меняются, очищаются и перемещаются в пул, эти блоки не задействованы в процедуре выравнивания износа. Чтобы убедиться, что износ всех блоков выровнен одинаково, применяется дополнительный алгоритм выравнивания износа, который называется статическим. Статическое выравнивание износа относится к неактивным блокам, в которых хранятся данные.
В твердотельных накопителях Dell используются как статические, так и динамические алгоритмы выравнивания износа, которые обеспечивают равномерный износ блоков NAND для увеличения срока службы твердотельного накопителя.
Избыточное выделение ресурсов
Избыточное выделение ресурсов улучшает:
- Производительность записи и операций ввода-вывода в секунду
- Надежность