Как работает SSDS?

Здесь, в WFOOJJAEC, мы часто обсудили разницу между различными типами структур NAND - вертикальной NAND против Planar или многоуровневой ячейки (MLC) против тройных клеток (TLC) и четырехуровневых клетках (QLC). Теперь давайте поговорим о более базовом актуальном вопросе: как работают SSDS в первую очередь, и как они сравниваются с более новыми технологиями, такие как технология не волатильных хранения Intel, Optane?

Чтобы понять, как и почему SSDS отличаются от прядильных дисков, нам нужно немного поговорить о жестких дисках. Жесткий привод хранит данные о серии прядильных магнитных дисков, называемых тарелками. Там есть рука привода с прикрепленными к ней головки чтения / записи. Эта рука позиционирует головы чтения по правильной области привода для чтения или записи информации.

Поскольку приводные головки должны выровнять по области диска, чтобы считывать или записать данные, и диск постоянно вращается, есть задержка до доступа к данным. Привод может потребоваться прочитать из нескольких местоположений, чтобы запустить программу или загрузить файл, что означает, что возможно, придется дождаться, пока не дождаются блюда в правильном положении, прежде чем она сможет завершить команду. Если привод спит или в низкоуровневом состоянии, он может занять несколько секунд для диска для разряды до полной мощности и начать работать.

С самого начала было ясно, что жесткие диски не могут сопоставить скорость, на которых могут работать процессоры. Задержка в жестких дисках измеряется в миллисекундах по сравнению с наносекунами для вашего типичного процессора. Один миллисекунды составляет 1 000 000 наносекунд, и обычно требуется жесткий диск 10-15 миллисекундов, чтобы найти данные на приводе и начать читать его. Индустрия жесткого диска ввела меньшие блюда, кэширования памяти на диске и более быстрые скорости шпинделя, чтобы противодействовать этой тенденции, но есть только так быстрые приводы. Семья VelociRaptor Western Digital's 10 000 RPM - это самый быстрый набор дисков, когда-либо созданных для потребительского рынка, в то время как некоторые корпоративные приводы закручиваются так же быстро, как 15 000 об / мин. Проблема в том, что даже самый быстрый прядильный диск с крупнейшими кэшами и самыми маленькими табачками все еще болен, насколько касается вашего ЦПУ.

Как SSDS разные

«Если бы я попросил людей, что хотели, они бы сказали быстрее лошадей». - Генри Форд

Твердотельные приводы называются тем, что конкретно потому, что они не полагаются на движущиеся части или прядильные диски. Вместо этого данные сохраняются в пул NAND Flash. Сама на сама состоит из того, что называются плавающими воротами транзисторами. В отличие от конструкций транзисторов, используемых в DRAM, которые должны быть обновлены несколько раз в секунду, NAND Flash предназначена для сохранения его заряда, даже когда не включается. Это делает NAND тип ненутрительной памяти.

Диаграмма выше показывает простую конструкцию Flash Cell. Электроны хранятся в плавающих воротах, которые затем читаются как заряженные «0» или не заряжены «1.» Да, в NAND Flash, A 0 означает, что данные хранятся в ячейке - это противоположность того, как мы обычно думаем о ноль или один. Nand Flash организована в сетке. Вся макет сетки называется блоком, в то время как отдельные строки, которые составляют сетку, называются страницей. Обычные размеры страниц 2K, 4K, 8K или 16K, с от 128 до 256 страниц на блок. Поэтому размер блока обычно варьируется от 256 КБ и 4 МБ.

Одним из преимуществ этой системы должно быть немедленно очевидно. Поскольку SSD не имеют движущихся частей, они могут работать на скоростях намного выше, которые типичного жесткого диска. Следующая графика показывает задержку доступа для типичных носителей хранения, приведенных в микросекунтах.

NAND нигде не так быстро, как главная память, но это несколько порядков быстрее, чем жесткий диск. В то время как задержки записи значительно медленнее для NAND Flash, чем задержки чтения, они все еще превосходят традиционные прядильные средства.

В приведенной выше таблице указано две вещи. Во-первых, отметьте, как добавление дополнительных битов на клетку NAND оказывает существенное влияние на производительность памяти. Это хуже для пишетов, в отличие от чтения - типичная задержка Triple-Level-Cell (TLC) - 4x хуже по сравнению с одноуровневой ячейкой (SLC) Nand для чтения, но 6x хуже для пишетов. Стереть задержки также существенно влияют. Воздействие не пропорционально, либо - TLC NAND почти вдвое меньше, чем MLC NAND, несмотря на то, что удерживает всего на 50% больше данных (три бита на клетку, вместо двух). Это также верно для дисков QLC, которые хранят еще больше битов на разных уровнях напряжения в одной и той же клетке.

Причина TLC NAND медленнее, чем MLC или SLC имеет отношение к тому, как данные перемещаются в Nand Cell. С SLC NAND контроллер нужно только знать, если бит 0 или A 1. с MLC NAND, клетку может иметь четыре значения - 00, 01, 10 или 11. С TLC NAND, ячейка может иметь восемь значений , и QLC имеет 16. Чтение правильного значения из ячейки требует, чтобы контроллер памяти использовать точное напряжение, чтобы выяснить, заряжается ли какая-либо конкретная ячейка.

Читает, пишет и стирание

Одной из функциональных ограничений SSDS является то, что они могут очень быстро читать и записывать данные в пустое привод, данные перезаписи намного медленнее. Это потому, что в то время как SSDS прочитайте данные на уровне страницы (значение от отдельных строк в рамках сети памяти NAND) и может писать на уровне страницы, предполагая, что окружающие ячейки пустыются, они могут только стирать данные на уровне блока. Это связано с тем, что акт стирания NAND Flash требует большого количества напряжения. Хотя вы можете теоретически стереть NAND на уровне страницы, количество требуемого напряжения подчеркивает отдельных ячеек вокруг клеток, которые переписаны. Стирание данных на уровне блока помогает смягчить эту проблему.

Единственный способ для SSD для обновления существующей страницы - скопировать содержимое всего блока в память, стереть блок, а затем записать содержимое старого блока + обновленную страницу. Если привод заполнен, и нет доступных пустых страниц, SSD должен сначала сканировать для блоков, помеченных для удаления, но это еще не удалилось, стереть их, а затем записывать данные на страницу стертания. Вот почему SSDS может стать медленнее, поскольку они возрастают - в основном пустой диск полон блоков, которые могут быть немедленно написаны, в основном полный привод, скорее всего, будет вынужден по всей последовательности программы / стирания.

Если вы использовали SSD, вы, вероятно, слышали о том, что называется «сборка мусора». Сборка мусора - это фоновый процесс, который позволяет привести к смягчению воздействия производительности программы / стирания цикла, выполнив определенные задачи на заднем плане. Следующие шаги изображений через процесс сбора мусора.

Примечание. В этом примере привод воспользовался тем, что он может писать очень быстро для пустых страниц, написав новые значения для первых четырех блоков (A'-D '). Он также написан два новых блока, E и H. Блоки A-D теперь отмечены как устаревшие, то есть они содержат информацию, которую привод помечен как устаревшая. Во время простоя, SSD переместит свежие страницы на новый блок, стереть старый блок и пометить его как свободное пространство. Это означает, что в следующий раз, когда SSD должен выполнить запись, он может писать непосредственно на пустой блок X, а не выполнять цикл программы / стирания.

Следующая концепция, которую я хочу обсудить, это отделку. Когда вы удаляете файл из Windows на типичном жестком диске, файл не удаляется немедленно. Вместо этого операционная система говорит жесткому диску, он может перезаписать физическую область диска, где хранится данные, в следующий раз его необходимо выполнить запись. Вот почему можно нерешить файлы (и почему удаление файлов в Windows обычно не очищает много физического дискового пространства до тех пор, пока вы не будете не опустошить утилизацию Bin). С традиционным HDD ОС не нужно обращать внимание на то, где записываются данные или какое относительное состояние блоков или страниц. С SSD, это дело.

Команда TRIM позволяет операционной системе сообщить SSD, он может пропустить перезапись определенных данных в следующий раз, что он выполняет блок стирания. Это снижает общее количество данных, привод пишет и увеличивает долговечность SSD. Оба читаются, так и пишет повреждение NAND Flash, но пишет гораздо больше урона, чем чтения. К счастью, долговечность уровня блока не доказала, что это проблема в современной нандской вспышке. Больше данных о долговечности SSD, вежливость отчета о технологии, можно найти здесь.

Последние две концепции, о которых мы хотим говорить о выравнивании износа и усиление записи. Поскольку SSDS напишите данные на страницы, но стирают данные в блоках, количество записей данных на дисковод всегда больше, чем фактическое обновление. Если вы внесите изменения в файл 4 КБ, например, весь блок, который 4K файл сидит внутри, должен быть обновлен и переписан. В зависимости от количества страниц на блок и размер страниц, вы можете в конечном итоге написать данные 4 МБ, чтобы обновить файл 4 КБ. Сборка мусора снижает влияние усиления записи, как и команда обрезки. Сохранение значительного куска диска свободного и / или изготовителя изготовителя также может снизить влияние усиления записи.

Выравнивание износа относится к практике обеспечения определенных нанндских блоков не записаны и стерты чаще, чем другие. В то время как выравнивание износа увеличивает продолжительность жизни и выносливость на диске, написав на NAND в равной степени, на самом деле она может увеличить усиление записи. Другими, чтобы распределить писать равномерно через диск, иногда необходимо программировать и стирать блоки, даже если их содержимое на самом деле не изменилось. Хороший алгоритм выравнивания износов стремится сбалансировать эти воздействия.

SSD контроллер

Это должно быть очевидно, в настоящее время SSDS требуется гораздо более сложные механизмы управления, чем жесткие диски. Это не для магнитных носителей дисс - я действительно думаю, что HDDS заслуживает большего уважения, чем им. Механические проблемы, участвующие в балансировке множественных головок для чтения нанометров над плудинами, которые вращаются при 5,400 до 10000 об / мин, не о чем чихаться. Тот факт, что HDDS выполняют эту проблему, в то время как новые методы записи на магнитные носители и в конечном итоге зарабатывают диски по продаже при 3-5 центов на гигабайт просто невероятны.

Контроллеры SSD, однако, находятся в классе сами по себе. У них часто есть пул памяти DDR3 или DDR4, чтобы помочь с управлением самой Nand. Многие диски также включают в себя одноуровневые клетки клетки, которые действуют как буферы, увеличивая производительность привода путем посвящения быстрой NAND для чтения / записи циклов. Поскольку NAND Flash в SSD обычно соединена с контроллером через серию параллельных каналов памяти, вы можете подумать о контроллере привода в качестве выполнения некоторых из той же работе балансировки нагрузки в качестве высококачественного массива хранения - SSDS не Разверните RAID внутренне, но износостойкость, сбор мусора и управление CACE SLC, у всех есть параллели в большом железном мире.

Некоторые диски также используют алгоритмы сжатия данных для уменьшения общего количества пишет и улучшают продолжительность жизни привода. Контроллер SSD обрабатывает коррекцию ошибок, а алгоритмы, которые контролируют на однобисные ошибки, стали все более сложным, поскольку прошло время.

К сожалению, мы не можем пойти слишком много подробностей на SSD-контроллерах, потому что компании блокируют свои различные секретные соусы. Большая часть производительности NAND Flash определяется базовым контроллером, и компании не готовы поднимать крышку слишком далеко за то, как они делают то, что они делают, чтобы они не вручают конкурента в пользу.

Интерфейсы

В начале SSDS использовал порты SATA, как жесткие диски. В последние годы мы видели переход к приводам M.2 - очень тонкие приводы, длинные длиной несколько дюймов, что слот прямо в материнскую плату (или, в нескольких случаях, в монтажный кронштейн на карточке PCIE. Samsung 970 Evo Plus Drive показан ниже.

Диски NVME предлагают более высокую производительность, чем традиционные драйверы SATA, потому что они поддерживают более быстрый интерфейс. Обычные SSDS, прилагаемые через SATA TOP OUT на ~ 550 МБ / с с точки зрения практических скоростей чтения / записи. Приводы M.2 способны практически более быструю производительность в диапазоне 3,2 ГБ / с.

Дорога впереди

Nand Flash предлагает огромное улучшение на жестких дисках, но это не без собственных недостатков и проблем. Ожидается, что приводные мощности и цена - Per-Gigabyte будут продолжать расти и опускаться соответственно, но там мало шансов SSDS поймают жесткие диски в ценовом гигабайте. Узлы по сокращению процессов являются значительными задачами для NAND Flash - в то время как большинство аппаратных обеспечений улучшается, когда узел усадки, NAND становится более хрупким. Время удержания данных и производительность записи потенциально ниже на 20 нм, чем 40 нм, даже если плотность данных и общая мощность значительно улучшаются. До сих пор мы видели диски до 96 слоев на рынке рынка, а 128 слоев кажется правдоподобным в этот момент. В целом, переход на 3D NAND помог улучшить плотность без сокращения узлов процесса или полагаться на планарную масштабирование.

До сих пор производители SSD поставили лучшую производительность, предлагая более быстрые стандарты данных, дополнительную пропускную способность, а также больше каналов на контроллер - плюс использование CLC CACKES, которые мы упоминали ранее. Тем не менее, в долгосрочной перспективе предполагается, что нанда будет заменена чем-то другим.

Как будет выглядеть что-то еще, все еще открыто для обсуждения. Как магнитная память, так и память фазы изменений представило себя как кандидаты, хотя оба технологии все еще находятся на ранних этапах, и они должны преодолеть значительные проблемы, чтобы фактически конкурировать как замену на NAND. Независимо от того, заметили ли потребители, разница - это открытый вопрос. Если вы обновили из NAND на SSD, а затем обновите до более быстрого SSD, вы, вероятно, знаете пробел между HDDS и SSD намного больше, чем пробел SSD-SSD, даже при обновлении с относительно скромного диска. Совершенствование времени доступа от миллисекунд на микросекунды имеет большое значение, но улучшение их от микросекунтов к наносекундам может упасть ниже того, что люди могут действительно воспринимать в большинстве случаев.

Optane Retrenches на рынке предприятия

С 2017 года до начала 2021 года Intel предложила свою оптонную память как альтернативу для NAND Flash на рынке потребителей. В начале 2021 года компания объявила, что она больше не будет продавать диски Optane в потребительском пространстве, за исключением гибридного привода H20. H20 сочетает в себе QLC NAND с помощью кеша Optane для повышения общего характеристики при сокращении стоимости диска. В то время как H20 - это интересный и уникальный продукт, он не предлагает такого же рода топ-концевую производительность Optane SSDS.

Optane останется на рынке в сегменте Enterprise Server. В то время как его досягаемость ограничена, это все еще самая близкая вещь для претендента, который имеет в том, что НАНД. Optane SSDS не используют NAND - они построены с использованием ненутрительной памяти, которые, как полагают, будут реализованы аналогичным образом, а также аналогично фазовой оперативной памяти - но они предлагают аналогичные последовательные характеристики для текущих флэш-накопителей NAND, хотя и с лучшими характеристиками при низких очередях привода. Задержка привода также примерно половина NAND Flash (10 микросекундных, по сравнению с 20) и значительно более высокой выносливостью (30 полных приводных пишет в день, по сравнению с 10 полным приводом пишет в день для высококачественного Intel SSD).

Optane доступен в нескольких форматах привода и в качестве прямой замены для DRAM. Некоторые из высококачественных процессорных развертываний Hight Cpus Intel CPU в Intel и поддерживают микс DRAM и OPTANE, который обеспечивает сервер с гораздо большим количеством RAM, чем только DRAM, за счет более высоких задержек доступа.

Одна из причин, по которой Optane возникла проблемы с прорывом в потребительском пространстве, заключается в том, что цены на NAND резко упали в 2019 году и оставались низкими до 2020 года.

Ознакомьтесь с нашими WFOOJJAEC объясняет серию для более глубокого охвата современных тему на современные технологии.