Questo articolo fornisce informazioni sui motivi per cui si usurano le unità SSD.
Panoramica
Perché si usurano le unità SSD?
Per discutere del motivo per cui un'unità SSD basata su flash ha una durata di scrittura limitata, esaminiamo la meccanica della tecnologia flash, come varia tra i tipi di flash e quali tecniche vengono utilizzate per migliorarne le funzionalità.
Un dispositivo di memoria flash viene letto e scritto in pagine. Una lettura è relativamente semplice, poiché viene emesso un comando di lettura con l'indirizzo e vengono restituiti i rispettivi dati. Una scrittura può avvenire solo nelle pagine cancellate, pertanto i comandi di scrittura host richiamano cicli di cancellazione flash prima di scrivere nella memoria flash. Questo ciclo di scrittura/cancellazione determina l'usura delle celle, che impone una durata di scrittura limitata.
I dispositivi flash NAND possono essere di tipo SLC (Single Level Cell) o MLC (Multi-Level Cell). Il tipo SLC archivia solo un bit di informazioni e richiede solo due livelli di tensione per rappresentare 0 oppure 1. Si tratta dell'implementazione più semplice di NAND con resistenza più elevata, circa 100.000 cicli. Poiché le future generazioni della tecnologia Flash si muovono verso geometrie ridotte, la resistenza diminuirà (in alcuni casi vengono già riscontrati 50.000 cicli). In genere, il tipo MLC indica l'archiviazione di due bit di informazioni e richiede quattro livelli di tensione per rappresentare 00, 01, 10 e 11. L'usura delle celle è simile tra SLC e MLC, ma poiché è necessario rilevare più livelli di tensione, i livelli di resistenza risultano notevolmente ridotti. Il modulo MLC è generalmente di circa 10.000 cicli, ma le generazioni più recenti sono di soli 3.000-5.000 cicli.
Un'unità SSD flash è costituita da una quantità di matrice flash per raggiungere le elevate capacità. Per migliorare la durata di scrittura delle unità SSD, vengono utilizzate varie tecniche, che possono essere applicate a entrambi i tipi di NAND. Gli accessi in scrittura host possono verificarsi in qualsiasi posizione che possa generare hot spot, determinando un'usura prematura in queste posizioni. Per prevenire gli hot spot viene applicata una tecnica chiamata "livellamento dell'usura", che determina una distribuzione quasi uniforme di accessi in scrittura per la capacità totale dell'unità SSD. L'amplificazione di scrittura è una misura del rapporto del numero di scritture flash rispetto alla scrittura host. Ad esempio, se vengono generate 2 scritture flash per scrittura host, anche l'amplificazione di scrittura è 2. Per ridurre l'amplificazione di scrittura, la cosiddetta tecnica di overprovisioning migliora l'efficienza della garbage collection, riducendo in tal modo l'amplificazione di scrittura. Infine, una tecnica in genere applicata a MLC utilizza livelli di tensione inferiori durante il ciclo di scrittura per facilitare l'usura delle celle, migliorando così la resistenza alla scrittura.
Sebbene sia difficile determinare esattamente quanto dura una SSD, sono disponibili linee guida per una stima. Le unità SSD utilizzano una metrica sviluppata da JEDEC, chiamata TBW (Terabytes Written). Sebbene l'effettiva durata di scrittura venga influenzata dal profilo del carico di lavoro (ad esempio: casuale o sequenziale, dimensione blocco o attività di scrittura), TBW fornisce una stima, ma la durata effettiva può variare. Per determinare la durata prevista, dividere la stima ricavata da TBW per la media dei byte scritti previsti delle scritture sull'unità. In genere, tranne nel caso di applicazioni molto complesse, le unità SSD dovrebbero durare più di tre anni.
Livellamento dell'usura
La memoria Flash NAND è soggetta ad usura a causa dei cicli ripetuti di programmazione e cancellazione che vengono comunemente eseguiti nei sistemi e nelle applicazioni di storage dei dati utilizzando FTL (Flash Translation Layer). La programmazione e la cancellazione costanti sulla stessa posizione di memoria alla fine usura quella porzione di memoria e la rende non valida. Di conseguenza, la flash NAND avrebbe una durata limitata. Per evitare situazioni come questa, speciali algoritmi vengono implementati all'interno dell'unità SSD: gli algoritmi di livellamento dell'usura. Come suggerisce il termine, il livellamento dell'usura fornisce un metodo per distribuire la programmazione e la cancellazione di cicli in modo uniforme in tutti i blocchi di memoria all'interno dell'unità SSD. Ciò impedisce di programmare e cancellare cicli continui nello stesso blocco di memoria, con conseguente maggiore durata estesa alla memoria flash NAND complessiva.
Esistono due tipi di wear leveling: dinamico e statico. L'algoritmo di usura dinamico garantisce che i cicli di programmazione e cancellazione di dati siano distribuiti uniformemente in tutti i blocchi all'interno della flash NAND. L'algoritmo è dinamico perché viene eseguito ogni volta che i dati nel buffer di scrittura dell'unità vengono svuotati e scritti nella memoria flash. Il solo livellamento dell'usura dinamico non può garantire il livellamento dell'usura per tutti i blocchi alla stessa velocità. Esiste anche il caso particolare in cui i dati vengono scritti e memorizzati nella flash per lunghi periodi di tempo o indefinitamente. Mentre altri blocchi vengono attivamente scambiati, cancellati e riuniti in pool, questi blocchi restano inattivi nel processo di livellamento dell'usura. Per assicurare che il livellamento dell'usura venga eseguito per tutti i blocchi alla stessa velocità, viene applicato un algoritmo secondario di livellamento dell'usura: quello statico. Il livello dell'usura statico si riferisce ai blocchi che sono inattivi e hanno dati archiviati al loro interno.
Le unità SSD Dell incorporano algoritmi di livellocamento dell'usura sia statici che dinamici per garantire l'usura uniforme dei blocchi NAND per una maggiore durata dell'unità SSD.
Overprovisioning
L'overprovisioning migliora:
- Prestazioni di scrittura e IOPS
- Affidabilità