Zesílení zápisu - Write amplification

Jednotka SSD zaznamenává zesílení zápisu v důsledku shromažďování odpadků a vyrovnávání opotřebení , čímž zvyšuje počet zápisů na disk a zkracuje jeho životnost.

Zesílení zápisu ( WA ) je nežádoucí jev spojený s pamětí flash a jednotkami SSD (SSD), kde skutečné množství informací fyzicky zapsaných na paměťové médium je násobkem logického množství určeného k zápisu.

Protože paměť flash musí být vymazána, než ji lze přepsat, s mnohem hrubší granularitou operace mazání ve srovnání s operací zápisu, výsledkem provádění těchto operací je přesun (nebo přepsání) uživatelských dat a metadat více než jednou. Přepisování některých dat tedy vyžaduje čtení, aktualizaci a zápis již použité části flash do nového umístění spolu s počátečním vymazáním nového umístění, pokud bylo dříve použito v určitém časovém okamžiku. Vzhledem ke způsobu fungování blesku musí být vymazány a přepsány mnohem větší části blesku, než skutečně vyžaduje množství nových dat. Tento multiplikační efekt zvyšuje počet zápisů požadovaných po celou dobu životnosti SSD, což zkracuje dobu, kdy může spolehlivě fungovat. Zvýšené zápisy také spotřebovávají šířku pásma pro flash paměť, což snižuje výkon náhodného zápisu na SSD. Mnoho faktorů ovlivní WA SSD; některé mohou být ovládány uživatelem a některé jsou přímým důsledkem zapsaných dat a využití disku SSD.

Společnosti Intel a SiliconSystems (získané společností Western Digital v roce 2009) používaly ve svých dokumentech a publikacích termín zesílení zápisu již v roce 2008. WA se obvykle měří poměrem zápisů zapsaných do flash paměti k zápisům pocházejícím z hostitelského systému. Bez komprese nemůže WA klesnout pod jednu. Použitím komprese SandForce tvrdil, že dosahuje zesílení zápisu 0,5, s nejlepšími hodnotami až 0,14 v řadiči SF-2281.

Základní provoz SSD

NAND flash paměť zapisuje data na 4 KiB stránky a maže data v 256 KiB blocích.

Vzhledem k povaze činnosti paměti flash nelze data přímo přepisovat, jako na pevném disku . Když jsou data poprvé zapsána na SSD, všechny buňky začínají ve vymazaném stavu, takže data lze zapisovat přímo pomocí stránek najednou (často o velikosti 4–8  kilobajtů (KB)). Regulátor SSD na SSD, která spravuje paměť flash a rozhraní s hostitelským systémem, používá logické na fyzické mapování systém známý jako adresování logických bloků (LBA), a že je součástí blesku překladu vrstvy (FTL). Jakmile přijdou nová data, která nahradí již zapsaná starší data, řadič SSD zapíše nová data do nového umístění a aktualizuje logické mapování tak, aby ukazovalo na nové fyzické umístění. Data ve starém umístění již nejsou platná a bude je nutné znovu vymazat, než bude možné místo znovu zapsat.

Flash paměť lze naprogramovat a vymazat jen omezeně. Toto je často označováno jako maximální počet cyklů programování/mazání ( cykly P/E), které může udržet po celou dobu životnosti paměti flash. Jednoúrovňový zábleskový článek (SLC), navržený pro vyšší výkon a delší výdrž, může obvykle pracovat mezi 50 000 a 100 000 cykly. Od roku 2011 je víceúrovňový blesk (MLC) navržen pro levnější aplikace a má výrazně snížený počet cyklů obvykle mezi 3 000 a 5 000. Od roku 2013 je k dispozici blesk s trojitou úrovní buněk (TLC) (např. 3D NAND) s počty cyklů klesajícími na 1 000 cyklů vymazání programu (P/E). Je žádoucí nižší zesílení zápisu, protože to odpovídá sníženému počtu cyklů P/E na flash paměti, a tím i zvýšené životnosti SSD.

Výpočet hodnoty

Zesílení zápisu bylo vždy přítomno na SSD před definováním termínu, ale to bylo v roce 2008, jak Intel a SiliconSystems začali používat termín ve svých dokumentech a publikacích. Všechny SSD mají hodnotu zesílení zápisu a ta vychází z toho, co se právě zapisuje, a z toho, co bylo dříve zapsáno na SSD. Aby bylo možné přesně měřit hodnotu pro konkrétní SSD, měl by vybraný test běžet dostatečně dlouho, aby se zajistilo, že disk dosáhne ustáleného stavu .

Jednoduchý vzorec pro výpočet zesílení zápisu SSD je:

${\ displaystyle {\ text {write amplification}} = {\ frac {\ text {data zapsaná do flash paměti}} {\ text {data napsaná hostitelem}}}}$

Faktory ovlivňující hodnotu

Zesílení zápisu SSD ovlivňuje mnoho faktorů. Níže uvedená tabulka uvádí primární faktory a jejich vliv na zesílení zápisu. U faktorů, které jsou proměnné, tabulka uvádí, zda má přímý vztah nebo inverzní vztah. Například, jak se zvyšuje množství nadměrného zřizování, klesá zesílení zápisu (inverzní vztah). Pokud je faktorem přepínací ( povolená nebo zakázaná ) funkce, pak má kladný nebo záporný vztah.

Sběr odpadků

Stránky se zapisují do bloků, dokud se nezaplní. Poté se stránky s aktuálními údaji přesunou do nového bloku a starý blok se vymaže.

Data se zapisují do paměti flash v jednotkách nazývaných stránky (složené z více buněk). Paměť však lze vymazat pouze ve větších jednotkách nazývaných bloky (složené z více stránek). Pokud data na některých stránkách bloku již nejsou potřeba (nazývají se také zastaralé stránky), budou načteny a přepsány pouze stránky s dobrými daty v tomto bloku do jiného dříve vymazaného prázdného bloku. Pak jsou k dispozici pro nová data volné stránky, které zůstaly po přesunutí zastaralých dat. Toto je proces nazývaný garbage collection (GC). Všechny disky SSD obsahují určitou úroveň shromažďování odpadků, ale mohou se lišit v tom, kdy a jak rychle proces provádějí. Sběr odpadků je velkou součástí zesílení zápisu na SSD.

Čtení nevyžadují vymazání paměti flash, takže nejsou obecně spojeny se zesílením zápisu. Při omezené pravděpodobnosti chyby narušení čtení jsou data v tomto bloku přečtena a přepsána, ale nemělo by to žádný významný dopad na zesílení zápisu disku.

Sběr odpadků na pozadí

Proces shromažďování odpadků zahrnuje čtení a přepis dat do paměti flash. To znamená, že nový zápis z hostitele bude nejprve vyžadovat čtení celého bloku, zápis částí bloku, které stále obsahují platná data, a poté zápis nových dat. To může výrazně snížit výkon systému. Některé řadiče SSD implementují shromažďování odpadků na pozadí ( BGC ), někdy se jim říká nečinné uvolňování paměti nebo nečinné uvolňování paměti ( ITGC ), kde řadič využívá dobu nečinnosti ke konsolidaci bloků paměti flash před tím, než hostitel potřebuje zapsat nová data. To umožňuje, aby výkon zařízení zůstal vysoký.

Pokud by řadič sbíral všechny odpadkové bloky na pozadí, než by to bylo absolutně nutné, nová data zapsaná z hostitele by mohla být zapsána, aniž by bylo nutné předem přesouvat jakákoli data, aby výkon fungoval na špičkové rychlosti. Kompromisem je, že některé z těchto bloků dat hostitel ve skutečnosti nepotřebuje a nakonec budou odstraněny, ale OS tuto informaci neoznámil správci (dokud nebyl zaveden TRIM ). Výsledkem je, že data, která mají být brzy vymazána, jsou přepsána na jiné místo v paměti flash, což zvyšuje zesílení zápisu. U některých disků SSD od OCZ smetí na pozadí vyčistí pouze malý počet bloků a poté se zastaví, čímž se omezí množství nadměrného zápisu. Dalším řešením je mít efektivní systém shromažďování odpadků, který může provádět nezbytné pohyby souběžně se zápisy hostitele. Toto řešení je efektivnější v prostředích s vysokým zápisem, kde je SSD zřídka nečinný. Tyto SandForce SSD regulátory a systémy od houslové paměti mají tuto schopnost.

Sběr odpadu s vědomím souborového systému

V roce 2010 někteří výrobci (zejména Samsung) představili řadiče SSD, které rozšířily koncept BGC k analýze systému souborů používaného na disku SSD, k identifikaci nedávno smazaných souborů a nerozděleného prostoru . Samsung tvrdil, že by tím bylo zajištěno, že i systémy (operační systémy a hardware řadiče SATA), které nepodporují TRIM, mohou dosáhnout podobného výkonu. Zdálo se, že operace implementace Samsung předpokládá a vyžaduje souborový systém NTFS . Není jasné, zda je tato funkce stále k dispozici v aktuálně dodávaných SSD od těchto výrobců. Pokud tyto disky nejsou správně naformátovány pomocí MBR a NTFS, bylo nahlášeno poškození systémových dat .

OŘEZAT

TRIM je příkaz SATA, který umožňuje operačnímu systému sdělit SSD, které bloky dříve uložených dat již nejsou potřeba v důsledku mazání souborů nebo formátování svazku. Když je LBA nahrazen operačním systémem, jako u přepsání souboru, SSD ví, že původní LBA může být označen jako zastaralý nebo neplatný a tyto bloky při ukládání odpadu neuloží. Pokud uživatel nebo operační systém vymaže soubor (nejen že odstraní jeho části), bude soubor obvykle označen k odstranění, ale skutečný obsah na disku se ve skutečnosti nikdy nevymaže. Z tohoto důvodu SSD neví, že může vymazat LBA dříve obsazené souborem, takže SSD bude nadále zahrnovat takové LBA do garbage collection.

Zavedení příkazu TRIM řeší tento problém u operačních systémů, které jej podporují jako Windows 7 , Mac OS (nejnovější verze Snow Leopard, Lion a Mountain Lion, v některých případech opravené), FreeBSD od verze 8.1 a Linux od verze 2.6 .33 hlavní řady jádra Linuxu . Když je soubor trvale odstraněn nebo je disk naformátován, OS odešle příkaz TRIM spolu s LBA, které již neobsahují platná data. Toto informuje SSD, že používané LBA lze vymazat a znovu použít. Tím se sníží potřeba přesunutí LBA během shromažďování odpadků. Výsledkem je, že SSD bude mít více volného místa, což umožní nižší zesílení zápisu a vyšší výkon.

Omezení a závislosti

Příkaz TRIM také potřebuje podporu SSD. Pokud firmware na jednotce SSD nepodporuje příkaz TRIM, LBA přijaté pomocí příkazu TRIM nebudou označeny jako neplatné a disk bude nadále sbírat data za předpokladu, že je stále platný. Pouze když OS uloží nová data do těchto LBA, bude SSD vědět, že označí původní LBA jako neplatné. Výrobci SSD, kteří původně na své disky podporu TRIM nepostavili, mohou buď uživateli nabídnout aktualizaci firmwaru, nebo poskytnout samostatný nástroj, který extrahuje informace o neplatných datech z operačního systému a samostatně ořízne SSD. Výhoda by byla realizována až po každém spuštění tohoto nástroje uživatelem. Uživatel si může nastavit, aby tento nástroj běžel pravidelně na pozadí jako automaticky naplánovaný úkol.

Jen proto, že SSD podporuje příkaz TRIM, nemusí nutně znamenat, že bude moci provádět nejvyšší rychlost ihned po příkazu TRIM. Prostor, který se uvolní po příkazu TRIM, může být na náhodných místech rozmístěných po celém disku SSD. Než budou tyto mezery konsolidovány, aby prokázaly zlepšený výkon, bude to trvat několik průchodů zápisu dat a shromažďování odpadků.

I když jsou OS a SSD nakonfigurovány tak, aby podporovaly příkaz TRIM, jiné podmínky mohou bránit jakémukoli prospěchu z TRIM. Počátkem roku 2010 databáze a systémy RAID ještě neumí TRIM a v důsledku toho nebudou vědět, jak tyto informace předat na SSD. V takových případech bude disk SSD nadále ukládat a shromažďovat odpadky, dokud OS tyto LBA pro nové zápisy nepoužije.

Skutečná výhoda příkazu TRIM závisí na volném uživatelském prostoru na disku SSD. Pokud by uživatelská kapacita na disku SSD byla 100 GB a uživatel skutečně uložil 95 GB dat na disk, žádná operace TRIM by nepřidala více než 5 GB volného místa pro sběr odpadu a vyrovnávání opotřebení. V těchto situacích by zvýšení množství nadměrného zřizování o 5 GB umožnilo jednotce SSD dosáhnout konzistentnějšího výkonu, protože by vždy mělo dalších 5 GB dalšího volného místa, aniž by bylo nutné čekat na příkaz TRIM z operačního systému.

Nadměrné zřizování

Tři zdroje (úrovně) nadměrného zřizování nalezené na SSD

Over-provisioning (někdy hláskované jako OP, over provisioning nebo overprovisioning) je rozdíl mezi fyzickou kapacitou paměti flash a logickou kapacitou prezentovanou prostřednictvím operačního systému (OS), který je uživateli k dispozici. Během operací odstraňování odpadků, vyrovnávání opotřebení a mapování chybných bloků na disku SSD pomáhá dodatečné místo při nadměrném zřizování snížit zesílení zápisu, když řadič zapisuje do paměti flash. Nadměrné zřizování je reprezentováno v procentech jako poměr extra kapacity k kapacitě dostupné uživateli:

${\ displaystyle {\ text {over-provisioning}} = {\ frac {{\ text {physical capacity}}-{\ text {user capacity}}} {\ text {user capacity}}}}}$

Nadměrné zřizování obvykle pochází ze tří zdrojů:

1. Výpočet kapacity a využití gigabajtu (GB) jako jednotky místo gibibyte (GiB). Prodejci HDD i SSD používají termín GB k vyjádření desítkové GB nebo 1 000 000 000 (= 10 ⁹ ) bajtů. Jako většina ostatních elektronických úložišť je i flash paměť sestavena ve dvou, takže výpočet fyzické kapacity SSD by byl založen na 1 073 741 824 (= 2 ³⁰ ) na binární GB nebo GiB. Rozdíl mezi těmito dvěma hodnotami je 7,37% (= (2 ³⁰  - 10 ⁹ ) / 10 ⁹  × 100%). 128 GB SSD s 0% dodatečným nadměrným zřizováním by tedy uživateli poskytlo 128 000 000 000 bajtů (z celkového počtu 137 438 953 472). Počátečních 7,37% se obvykle nepočítá do celkového počtu nadměrného zřizování a skutečné dostupné množství je obvykle menší, protože je potřeba určitý úložný prostor, aby řadič mohl sledovat data neprocesního systému, jako jsou příznaky stavu bloku. Údaj 7,37% se může rozšířit na 9,95% v terabajtovém rozsahu, protože výrobci využívají další stupeň divergence binárních/desetinných jednotek a nabízejí 1 nebo 2 TB disky s kapacitou 1000 a 2000 GB (931 a 1862 GiB), v uvedeném pořadí. místo 1024 a 2048 GB (jako 1 TB = 1 000 000 000 000 bajtů v desítkovém vyjádření, ale 1 099 511 627 776 v binárním formátu).
2. Rozhodnutí výrobce. To se obvykle provádí při 0%, 7%nebo 28%, na základě rozdílu mezi desetinným gigabajtem fyzické kapacity a desetinným gigabajtem dostupného místa pro uživatele. Jako příklad může výrobce zveřejnit specifikaci svého SSD na 100, 120 nebo 128 GB na základě 128 GB možné kapacity. Tento rozdíl je 28%, 7% a 0% a je základem pro tvrzení výrobce, že má 28% nadměrného zřizování na svém disku. To nepočítá dalších 7,37% dostupné kapacity z rozdílu mezi desetinným a binárním gigabajtem.
3. Známý volný uživatelský prostor na disku, získání výdrže a výkonu na úkor hlášení nevyužitých částí nebo na úkor současné nebo budoucí kapacity. Toto volné místo může operační systém identifikovat pomocí příkazu TRIM. Alternativně některé SSD poskytují nástroj, který umožňuje koncovému uživateli vybrat další nadměrné zřizování. Kromě toho, pokud je jakýkoli SSD nastaven s celkovým rozložením oddílů menším než 100% dostupného místa, tento nerozdělený prostor bude automaticky použit také SSD jako nadměrné zřizování. Ještě dalším zdrojem nadměrného zřizování jsou omezení minimálního volného místa operačního systému; některé operační systémy udržují určité minimální volné místo na disku, zejména na spouštěcí nebo hlavní jednotce. Pokud lze tento dodatečný prostor identifikovat pomocí SSD, třeba prostřednictvím nepřetržitého používání příkazu TRIM, pak to funguje jako polotrvalé nadměrné zřizování. Nadměrné zřizování často ubírá na uživatelské kapacitě, dočasně nebo trvale, ale vrací snížené zesílení zápisu, zvýšenou výdrž a vyšší výkon.

Volný uživatelský prostor

Řadič SSD bude používat jakékoli volné bloky na disku SSD pro sběr odpadu a vyrovnávání opotřebení. Část uživatelské kapacity, která je bez uživatelských dat (buď již TRIMED, nebo nikdy nebyla zapsána na prvním místě), bude vypadat stejně jako nadměrné zřizování prostoru (dokud uživatel neuloží nová data na SSD). Pokud uživatel uloží data, která spotřebovávají pouze polovinu celkové uživatelské kapacity disku, bude druhá polovina uživatelské kapacity vypadat jako dodatečné nadměrné zřizování (pokud je v systému podporován příkaz TRIM).

Bezpečné vymazání

Příkaz ATA Secure Erase je navržen tak, aby odstranil všechna uživatelská data z jednotky. U SSD bez integrovaného šifrování tento příkaz vrátí disk do původního stavu po vybalení. To zpočátku obnoví jeho výkon na nejvyšší možnou úroveň a nejlepší (nejnižší počet) možné zesílení zápisu, ale jakmile disk začne znovu sbírat odpadky, zesílení výkonu a zápisu se začne vracet na předchozí úrovně. Mnoho nástrojů používá příkaz ATA Secure Erase k resetování disku a také k poskytnutí uživatelského rozhraní. Jeden bezplatný nástroj, na který se v oboru běžně odkazuje, se nazývá HDDerase . Živé disky CD GParted a Ubuntu poskytují zaváděcí systém Linux diskových nástrojů včetně zabezpečeného vymazání.

Jednotky, které šifrují všechny zápisy za běhu, mohou implementovat ATA Secure Erase jiným způsobem. Jednoduše vynulují a vygenerují nový náhodný šifrovací klíč pokaždé, když proběhne zabezpečené vymazání. Tímto způsobem již nelze číst stará data, protože je nelze dešifrovat. Některé disky s integrovaným šifrováním také fyzicky vymažou všechny bloky, zatímco jiné jednotky mohou vyžadovat odeslání příkazu TRIM na jednotku, aby se disk vrátil do původního stavu po vybalení (v opačném případě může jejich výkon nesmí být maximalizováno).

ATA Secure Erase - selhání při mazání dat

Některé jednotky mohou buď zcela nebo částečně vymazat data pomocí funkce ATA Secure Erase a data z těchto jednotek zůstanou obnovitelná.

Noste nivelaci

Pokud by byl konkrétní blok opakovaně naprogramován a vymazán bez zápisu do jiných bloků, tento blok by se opotřeboval dříve než všechny ostatní bloky - čímž by předčasně skončila životnost SSD. Z tohoto důvodu řadiče SSD používají techniku ​​nazývanou opotřebení, která distribuuje zápisy co nejrovnoměrněji do všech bloků blesku v jednotce SSD.

V dokonalém scénáři by to umožnilo zapsat každý blok na jeho maximální životnost, takže všechny selžou současně. Proces rovnoměrné distribuce zápisů bohužel vyžaduje přesun dat dříve zapsaných a neměnících se (studená data), takže do těchto bloků lze zapisovat data, která se mění častěji (horká data). Pokaždé, když jsou data přemístěna, aniž by byla změněna hostitelským systémem, zvyšuje se to zesílení zápisu a tím se snižuje životnost flash paměti. Klíčem je najít optimální algoritmus, který je oba maximalizuje.

Oddělení statických a dynamických dat

Oddělení statických (studených) a dynamických (horkých) dat ke snížení zesílení zápisu není pro řadič SSD jednoduchý proces. Tento proces vyžaduje, aby řadič SSD oddělil LBA s daty, která se neustále mění a vyžadují přepis (dynamická data) od LBA s daty, která se mění jen zřídka a nevyžadují žádná přepisování (statická data). Pokud jsou data smíchána ve stejných blocích, jako u téměř všech dnešních systémů, jakákoli přepisování budou vyžadovat, aby řadič SSD sbíral jak dynamická data (která původně způsobovala přepis), tak statická data (která nevyžadovala žádné přepisování). Jakékoli shromažďování dat, které by jinak nevyžadovalo přesun, zvýší zesílení zápisu. Oddělení dat tedy umožní, aby statická data zůstala v klidu, a pokud nebudou nikdy přepsána, bude mít pro tato data nejnižší možné zesílení zápisu. Nevýhodou tohoto procesu je, že řadič SSD musí stále nějak najít způsob, jak opotřebovat statická data, protože ty bloky, které se nikdy nezmění, nedostanou šanci být zapsány do svých maximálních cyklů P/E.

Důsledky výkonu

Sekvenční zápisy

Když SSD zapisuje velké množství dat postupně, zesílení zápisu se rovná jednomu, což znamená, že neexistuje žádné zesílení zápisu. Důvodem je, že když jsou data zapsána, celý blok se postupně vyplňuje daty souvisejícími se stejným souborem. Pokud OS rozhodne, že soubor má být nahrazen nebo odstraněn, celý blok může být označen jako neplatný a není nutné číst jeho části, aby se shromažďovaly odpadky a přepisovaly se do jiného bloku. Bude nutné jej pouze vymazat, což je mnohem snazší a rychlejší než proces čtení - mazání - úprava - zápis potřebný pro náhodně zapsaná data procházející sběrem odpadu.

Náhodně píše

Špičkový výkon náhodného zápisu na SSD je poháněn spoustou volných bloků poté, co je SSD kompletně shromážděno odpadky, bezpečně vymazáno, 100% OŘETĚNO nebo nově nainstalováno. Maximální rychlost bude záviset na počtu paralelních flash kanálů připojených k řadiči SSD, účinnosti firmwaru a rychlosti paměti flash při zápisu na stránku. Během této fáze bude zesílení zápisu pro náhodné zápisy to nejlepší, co může být, a bude se blížit. Jakmile jsou všechny bloky jednou zapsány, začne sběr odpadu a výkon bude omezen rychlostí a efektivitou tohoto procesu. Zesílení zápisu v této fázi se zvýší na nejvyšší úrovně, jaké bude disk zažívat.

Dopad na výkon

Celkový výkon SSD závisí na řadě faktorů, včetně zesílení zápisu. Zápis na paměťové zařízení flash trvá déle než čtení z něj. Jednotka SSD obecně ke zvýšení výkonu využívá více komponent paměti flash zapojených paralelně jako kanály. Pokud má SSD vysoké zesílení zápisu, bude po řadiči vyžadováno, aby to ještě mnohokrát zapsal do paměti flash. To vyžaduje ještě více času na zápis dat z hostitele. Jednotka SSD s nízkým zesílením zápisu nebude muset zapisovat tolik dat, a proto může být zápis dokončen dříve než jednotka s vysokým zesílením zápisu.

Prohlášení o produktu

V září 2008 Intel oznámil X25-M SATA SSD s hlášeným WA až 1,1. V dubnu 2009 společnost SandForce oznámila rodinu procesorů SF-1000 SSD s hlášeným WA 0,5, které podle všeho pochází z nějaké formy komprese dat. Před tímto oznámením bylo zesílení zápisu 1,0 považováno za nejnižší, kterého bylo možné dosáhnout pomocí SSD.

Viz také

• Flash souborový systém
• Zarovnání oddílů
• Noste nivelaci

Poznámky

Reference

externí odkazy

• Média související se zesílením zápisu na Wikimedia Commons