Este artigo fornece informações sobre o desgaste de SSDs.
Visão geral
Por que os dispositivos de estado sólido sofrem desgaste?
Para discutir por que uma unidade de estado sólido baseada em flash tem uma vida útil de gravação limitada, vamos analisar a mecânica do flash, como ela varia de acordo com os tipos de flash e quais técnicas são usadas para melhorar sua funcionalidade.
Um dispositivo de memória flash é lido e gravado em páginas. Uma leitura é relativamente simples, pois um comando de leitura com o endereço é emitido e os respectivos dados são retornados. Uma gravação só pode ocorrer nas páginas que são apagadas, portanto, os comandos de gravação do host iniciam ciclos de apagamento da flash antes de gravar nessa memória. Esse ciclo de gravação/apagamento causa o desgaste da célula, o que limita a vida útil de gravação.
Os dispositivos flash NAND podem ser célula de nível único (SLC) ou célula de vários níveis (MLC). A SLC armazena apenas um bit de informação e requer apenas dois níveis de tensão para representar um 0 ou 1. Essa é a implementação mais simples da NAND e tem a maior resistência, em torno de 100.000 ciclos. À medida que as gerações futuras de flash utilizarem geometrias menores, a resistência será reduzida (algumas já apresentam 50.000 ciclos). A MLC geralmente indica o armazenamento de dois bits de informações e requer quatro níveis de tensão para representar 00, 01, 10 e 11. O desgaste da célula é semelhante entre a SLC e a MLC, mas como mais níveis de tensão precisam ser detectados, os níveis de resistência são significativamente reduzidos. A MLC geralmente apresenta cerca de 10.000, mas as gerações mais recentes têm apenas 3.000 a 5.000 ciclos.
Uma SSD flash é composta de uma quantidade de matriz flash para alcançar alta capacidade. Para aumentar a vida útil de gravação das SSDs, várias técnicas são usadas, que podem ser aplicadas a ambos os tipos de NAND. Os acessos de gravação do host podem ocorrer em qualquer local que possa causar pontos de acesso, o que gera desgaste prematuro nesses locais. Uma técnica chamada de nivelamento de desgaste é usada para evitar os pontos de acesso. O nivelamento de desgaste resulta em uma distribuição quase uniforme dos acessos de gravação na capacidade total da SSD. A amplificação de gravação é uma medida da proporção do número de gravações em flash em relação à gravação em host. Por exemplo, se duas gravações em flash forem geradas por gravação em host, a amplificação de gravação também será 2. Para reduzir a amplificação de gravação, uma técnica chamada excesso de provisionamento melhora a eficiência da coleta de lixo, reduzindo assim a amplificação de gravação. Por último, uma técnica normalmente aplicada à MLC usa níveis mais baixos de tensão durante o ciclo de gravação para reduzir o desgaste da célula, melhorando assim a resistência de gravação.
Embora seja difícil determinar o tempo exato de duração de uma SSD, algumas diretrizes ajudam na estimativa. As SSDs usam uma métrica desenvolvida pela JEDEC, chamada TBW (terabytes gravados). Embora a vida útil real de gravação seja afetada pelo perfil da carga de trabalho (por exemplo, aleatória ou sequencial, tamanho do bloco ou atividade de gravação), a TBW fornece uma estimativa, mas a utilização real varia. Para determinar a vida útil esperada, seria necessário dividir a TBW pela média esperada de BW das gravações na unidade. Normalmente, exceto em aplicativos muito exigentes, estima-se que as SSDs durem mais de três anos.
Nivelamento de desgaste
A memória flash NAND é suscetível a desgaste devido a ciclos repetidos de escrita e limpeza, que são normalmente efetuados em sistemas e aplicações de armazenamento de dados que usam a camada de tradução flash (FTL). A escrita e limpeza constantes no mesmo local da memória acaba por desgastar aquela parte da memória e a torna inválida. Como resultado, a flash NAND tem vida útil limitada. Para evitar que cenários como esses ocorram, algoritmos especiais são implantados na SSD, chamados de nivelamento de desgaste. Conforme o termo sugere, o nivelamento de desgaste fornece um método para distribuir ciclos de escrita e limpeza de modo uniforme por todos os blocos de memória na SSD. Isso impede ciclos de escrita e limpeza contínuos no mesmo bloco de memória, resultando em maior vida útil da memória flash NAND em geral.
Existem dois tipos de nivelamento de desgaste, dinâmico e estático. O algoritmo de desgaste dinâmico garante que os ciclos de escrita e limpeza de dados sejam distribuídos uniformemente por todos os blocos dentro da flash NAND. O algoritmo é dinâmico porque é executado sempre que os dados no buffer de gravação da unidade são limpos e gravados na memória flash. O nivelamento de desgaste dinâmico sozinho não pode garantir que o desgaste de todos os blocos esteja sendo nivelado na mesma taxa. Há também o caso especial quando os dados são escritos e armazenados na flash por longos períodos de tempo ou indefinidamente. Enquanto outros blocos estão sendo ativamente trocados, apagados e distribuídos, esses blocos permanecem inativos no processo de nivelamento de desgaste. Para garantir que o desgaste de todos os blocos esteja sendo nivelado na mesma taxa, um algoritmo de nivelamento de desgaste secundário, chamado de nivelamento de desgaste estático é implementado. O nivelamento de desgaste estático lida com blocos que estão inativos e possuem dados armazenados.
As unidades SSD da Dell contam com algoritmos de nivelamento de desgaste estáticos e dinâmicos, para garantir que os blocos NAND estejam sendo desgastados uniformemente e para obter uma vida útil maior da SSD.
Excesso de provisionamento
O excesso de provisionamento melhora:
- Desempenho de gravação e IOPS
- Confiabilidade