Влияние флэш-технологии на быстродействие SSD


Сегодня мы будем изучать технологию твердотельных накопителей SSD, подробнее рассмотрев влияние флэш-технологии на их быстродействие, надежность и срок службы.

Также изучим принцип действия ряда крайне важных технологий, которые лежат в основе работы этих накопителей.

Различия между SATA и PCIe

Давайте посмотрим, каким образом передаются данные на твердотельный накопитель.

Интерфейс
SATA и PCIe — это интерфейсы передачи данных, используемые для подключения устройств хранения к ПК. SATA — это основной интерфейс системы для традиционных жестких дисков, который на сегодняшний день также используется для многих твердотельных накопителей SSD. Он поддерживает скорости передачи данных в диапазоне от 150 Мбайт/с до 600 Мбайт/с.
Улучшенные характеристики
Для улучшения характеристик недостаточно просто модернизировать аппаратное обеспечение, ведь даже если оно станет работать быстрее, это лишь способствует достижению пределов программного обеспечения, поэтому чтобы раскрыть весь потенциал оборудования, понадобится более эффективное ПО. Вот тут-то и пригодится PCIe.

PCIe

Преимущества PCIe
Характеристики интерфейса PCIe лучше, чем у SATA, поскольку для него используется новейшая шина передачи данных с высокой пропускной способностью и предусмотрена поддержка скоростей, которые в три–четыре раза превышают доступные для SATA. Интерфейс PCIe разработан консорциумом производителей специально для твердотельных накопителей ssd, чтобы устранить узкое место, связанное с ограничениями по скорости при подключении через SATA, и предоставить возможность использовать преимущества инноваций и достижений в области флэш-памяти. PCIe может обеспечить скорость передачи данных до 1 Гбайт/с на канал и поддерживает масштабирование до 16 каналов. Таким образом, теоретически этот интерфейс может обеспечить скорость до 16 Гбайт/с, в то время как максимально достижимая скорость для SATA составляет 600 Мбайт/с.

NVMe

Возможно, в связи с PCIe вам также встречалось понятие NVMe (Non-Volatile Memory Express, быстрая энергонезависимая память). Для использования расширенных возможностей PCIe требуется протокол связи, который позволит эффективно справляться с более высокими скоростями передачи данных. Как раз для этого и используется NVMe.

Протокол NVMe разработан специально, чтобы использовать уникальные свойства хранения в оперативной памяти с произвольным многоканальным доступом. Чтобы наглядно продемонстрировать, насколько быстрее NVMe, мы сравнили его с AHCI (Advance Host Controller Interface, усовершенствованный интерфейс главного контроллера) — протоколом связи, который в настоящее время используется для интерфейса SATA.

Чтобы понять, в чем между ними разница, давайте рассмотрим ситуацию с роботом на заводе.

В случае с AHCI мы можем запрашивать только по одному экземпляру данных за раз (1). При этом для таких запросов используется одна очередь. Это означает, что наш робот может принимать запросы и выполнять действия только по одному.

С NVMe мы сможем обеспечить одновременную обработку до 64 000 запросов (2) в 64 000 очередей. Это как если бы у нашего отважного робота вместо одной руки было 64 000 рук, каждая из которых могла выполнить 64 000 команд.

Запись информации на твердотельный накопитель SSD

В традиционных вращающихся жестких дисках данные хранятся на вращающихся электромагнитных дисках, которые называются пластинами. Рычаг привода оснащен головками чтения и записи, которые он перемещает в необходимую область диска для чтения или записи данных.

Иногда, чтобы запустить программу или загрузить файл, этим головкам нужно получить доступ к данным в различных местах. В такой ситуации при выполнении команды приходится неоднократно ждать, когда пластины повернутся в нужное положение.

При использовании твердотельного накопителя данные хранятся в пуле ячеек флэш-памяти NAND флэш-памяти NAND. Сама память NAND состоит из транзисторов с плавающим затвором и сохраняет заряженное состояние даже при отсутствии питания. Благодаря такому уровню защиты данных NAND является одним из видов энергонезависимой памяти.

В современных твердотельных накопителях ssd для сохранения новых данных необходимо сначала стереть информацию, хранящуюся во флэш-памяти NAND. Иными словами, данные нельзя перезаписать непосредственно, как в случае с жестким диском. Вместо этого в твердотельных накопителях используется процесс под названием сборка мусора, который высвобождает пространство, выделенное для хранившихся ранее данных. В результате при хранении одной и той же информации объем памяти, используемой для операций записи, на твердотельных накопителях больше, чем на жестких дисках. Это недостаток твердотельных накопителей, поскольку флэш-память поддерживает только ограниченное количество операций записи, после которого чтение из памяти становится невозможным. Этот нежелательный эффект называется увеличением объема записи. Проще говоря, частота записи информации на твердотельный накопитель влияет на его общий срок службы.

Как можно бороться с увеличением объема записи, чтобы снизить износ твердотельного накопителя? Создать накопитель с поддержкой технологии TRIM. Она позволяет твердотельному накопителю определить, какие из его областей не используются и могут быть очищены незамедлительно. Это гарантирует быструю и эффективную запись любых новых данных в эту область накопителя. В долгосрочной перспективе это снижает скорость увеличения объема записи и, как следствие, продлевает срок службы твердотельного накопителя.

 

Рабочий ресурс твердотельного накопителя SSD

Зачастую срок службы твердотельных накопителей оценивается в терабайтах для операций записи. Для обозначения этой величины используется аббревиатура TBW (Terabytes Written). Она применяется для измерения количества данных, которые можно записать на твердотельный накопитель до того, как он выйдет из строя. Чтобы продемонстрировать, сколько данных можно записать на диск емкостью 500 ГБ до того, как он выйдет из строя, давайте проанализируем приведенную ниже диаграмму (средний пользователь записывает на устройство хранения данных около 10 ГБ в день):

При записи 20 ГБ в день устройство может прослужить до 28 лет. При 40 ГБ в день (что считается высокой нагрузкой) диск может прослужить до 14 лет, что значительно больше типичной продолжительности жизненного цикла среднего ПК, составляющей 4–5 лет. Даже при экстремальной нагрузке 80 ГБ в день твердотельные накопители могут продолжать функционировать надлежащим образом до 7 лет.

 

Увеличение общего рабочего ресурса за счет кэширования SLC и нивелирования износа

В отношении многих современных твердотельных накопителей на базе технологии TLC применяется понятие «Кэширование SLC». Кэширование SLC — это функция, при использовании которой все данные перед перемещением в TLC сначала записываются в блоки SLC. Почему это так важно?  Срок службы накопителей на базе технологии TLC обычно меньше, чем у накопителей с MLC и SLC. Если данные сначала записываются в память SLC, износ памяти TLC в накопителе снижается, а общий срок его службы увеличивается. Кроме того, как известно, в каждую ячейку SLC записывается один бит данных, в то время как на каждую ячейку TLC приходится три бита, поэтому в данном случае обеспечивается большая эффективность и, соответственно, большее быстродействие.

Нивелирование износа — это еще один процесс, который может продлить срок службы твердотельного накопителя. После определенного числа циклов стирания и записи в блоках информации на твердотельном диске начинают возникать битовые ошибки. Кроме того, вполне естественно, что программное обеспечение будет пытаться перезаписать одни блоки чаще, чем другие. Чтобы это не привело к ошибкам, во всех современных контроллерах твердотельных накопителей, флэш-накопителей USB и флэш-карт предусмотрен своеобразный процесс нивелирования износа.

В ходе этого процесса данные упорядочиваются так, чтобы циклы записи и стирания равномерно распределялись среди всех блоков в устройстве, что, в свою очередь, обеспечивает равномерный износ блоков на флэш-накопителе. Это важно, поскольку при равномерном распределении циклов стирания и записи по всем блокам на твердотельном накопителе естественным образом обеспечивается максимальный срок службы для каждого из них, что, в свою очередь, продлевает срок службы накопителя.

 

Обнаружение и устранение ошибок

ошибки флэш памяти SSDОчевидно, что в мире флэш-памяти, где за секунду передаются миллионы бит данных, вполне могут возникать ошибки. Чтобы избавиться от необходимости повторного чтения или повторной передачи информации всякий раз, когда происходит ошибка, в твердотельном накопителе предусмотрена встроенная технология ECC.

После каждого цикла стирания или записи состояние ячеек памяти незначительно ухудшается, а их способность сохранять заряд снижается, что приводит к повышению частоты появления ошибок. Чтобы это предотвратить, используется технология ECC. ECC (Error Checking and Correction, обнаружение и устранение ошибок) — это сложные математические алгоритмы, позволяющие исправлять неизбежные битовые ошибки.

Исправление ошибок «на лету» позволяет сократить количество циклов записи и стирания на твердотельном накопителе. Например, если сократить их число с 15 000 до 10 000, ресурс накопителя увеличится на 50 % без каких-либо изменений во флэш-памяти NAND.

 

Преимущества избыточного выделения ресурсов

Как мы уже знаем, данные на твердотельном накопителе нельзя просто перезаписать. Сначала их необходимо стереть, а затем записать информацию в пустые блоки. Это как в случае с классной доской, с которой нужно стереть старые записи, чтобы написать что-то новое.

Такая процедура стирания и записывания новых данных в блоки в результате преобразуется в быстрые, эффективные и адаптивные возможности для пользователя. Однако при этом необходимо, чтобы на твердотельном накопителе для этой и множества других функций было выделено определенное пространство. Такой подход называется избыточным выделением ресурсов хранения.

По сути, при избыточном выделении часть флэш-памяти резервируется для процессора флэш-накопителя, который использует ее для выполнения различных функций управления памятью. Хотя при этом остается меньше полезной емкости, быстродействие и рабочий ресурс существенно увеличиваются. Как правило, емкость, резервируемая при избыточном выделении, составляет около семи процентов от общей емкости накопителя.

 

Резюме

Теперь мы знаем, что отличительная черта твердотельных накопителей SSD — это скорость. Благодаря возможности масштабирования за счет выбора форм-фактора, емкости и производительности твердотельные накопители идеально подходят для множества изготовителей компьютеров и комплектного оборудования, сборщиков систем и рядовых пользователей ПК.

В ближайшие годы память 3D NAND будет играть важную роль, способствуя повышению плотности и экономичности систем хранения, а PCIe позволит нам достичь невиданного уровня производительности вычислительных систем.

Все это стало возможным благодаря крохотной микросхеме черного цвета весом меньше копейки и размером с почтовую марку.

 

Также по этой теме можно прочесть:

Эффективность и надежность SSD накопителей

Сейчас твердотельные накопители стали популярны, как никогда. Ввиду отсутствия движущихся частей твердотельные накопители позволяют записывать данные и получать к ним доступ быстрее, чем в случае с традиционными вращающимися жесткими дисками. На многих компьютерах и планшетах вместо традиционных жестких дисков установлены твердотельные накопители. Похоже, что эпоха вращающихся жестких дисков подходит к концу. Но насколько верно это […]

нет комментариев