Как работают SSD?

Здесь, в WFOOJJAEC, мы часто обсуждали разницу между различными типами структур NAND-вертикальным NAND против плоского или многоуровневого ячейки (MLC) по сравнению с клетками с тройным уровнем (TLC) и четырехсторонними ячеек (QLC). Теперь давайте поговорим о более основном релевантном вопросе: как работают SSD в первую очередь и как они сравниваются с новыми технологиями, такими как технология нелетрального хранения Intel, Optane?

В начале…

Чтобы понять, как и почему SSD отличаются от вращающихся дисков, нам нужно немного рассказать о жестких дисках. Жесткий диск хранит данные на серии вращающихся магнитных дисков, называемых блюдами.

Рука привода выше позиционирует головки чтения-записи над правильной областью диска для чтения или записи информации.

Поскольку приводные головки должны выровнять область диска для чтения или записи данных, а диск постоянно вращается, существует задержка, прежде чем можно получить доступ к данным. Диск может потребоваться прочитать из нескольких мест, чтобы запустить программу или загрузить файл, что означает, что ему, возможно, придется ждать, пока тарелки выйдут в соответствующее положение несколько раз, прежде чем он сможет завершить команду. Если диск спит или в состоянии с низким энергопотреблением, диск может потребоваться еще на несколько секунд, чтобы вращаться до полной мощности и начать работу.

С самого начала стало ясно, что жесткие диски не могут соответствовать скоростям, с которой могут работать процессоры. Задержка в жестких дисках измеряется в миллисекундах по сравнению с наносекундами для вашего типичного процессора. Одна миллисекунда составляет 1 000 000 наносекунд, и обычно требуется 10-15 миллисекунд, чтобы найти данные на диске и начать его чтение. Индустрия жестких дисков представила меньшие тарелки, кэши памяти на диск и более быстрые скорости шпинделя, чтобы противодействовать этой тенденции, но механические диски могут вращаться только так быстро. Семейство Vestern Digital 10 000 оборотов в минуту Velociraptor - самый быстрый набор дисков, когда -либо созданных для потребительского рынка, в то время как некоторые предприятия вращаются до 15 000 об / мин. Проблема в том, что даже самый быстрый вращающийся привод с самыми большими кешами и самыми маленькими тарелками все еще болетно медленным, что касается вашего процессора.

Как SSD разные

«Если бы я спросил людей, чего они хотят, они бы сказали быстрее лошадей». - Генри Форд

Твердовые диски называются конкретно потому, что они не полагаются на движущиеся части или вращающиеся диски. Вместо этого данные сохраняются в пуле NAND Flash. Сам Нанд состоит из так называемых транзисторов с плавающими воротами. В отличие от конструкций транзистора, используемых в DRAM, которые должны быть обновлены несколько раз в секунду, NAND Flash предназначена для сохранения состояния заряда, даже если они не включены. Это делает NAND типом нелетущей памяти. DRAM, напротив, является изменчивым - он теряет данные, если не быстро обновляется.

На диаграмме выше показан простой конструкцию флэш -ячейки. Электроны хранятся в плавающих воротах, которые затем читаются как заряженные «0» или не заряженные «1.» Да, во флэш -флэш -флэш -флэш -флэш, данные означает, что данные хранятся в ячейке - это противоположно тому, как мы обычно думаем о нуле или один. Nand Flash организована в сетке. Весь макет сетки называется блоком, в то время как отдельные строки, которые составляют сетку, называются страницей. Общие размеры страниц составляют 2K, 4K, 8K или 16K, с 128-256 страницами на блок. Следовательно, размер блока обычно варьируется от 256 КБ до 4 МБ.

Одним из преимуществ этой системы должно быть немедленно очевидно. Поскольку SSD не имеют движущихся частей, они могут работать со скоростями намного выше скорости типичного жесткого диска. На следующей диаграмме показана задержка доступа для типичных средств хранения, приведенных в микросекундах.

NAND далеко не так быстро, как основная память, но это на несколько порядков быстрее, чем жесткий диск. В то время как задержки записи значительно медленнее для Flash Nand, чем задержки для чтения, они по -прежнему опережают традиционные вращающиеся носители.

Есть две вещи, которые нужно заметить в приведенной выше графике. Во -первых, обратите внимание, как добавление большего количества бит на ячейку NAND оказывает значительное влияние на производительность памяти. Это хуже для записей, в отличие от чтения-типичная задержка с тройными уровнями (TLC) в 4 раза хуже по сравнению с одноуровневой ячейкой (SLC) NAND для чтения, но в 6 раз хуже для записей. Задержки стирания также значительно влияют. Воздействие также не является пропорциональным - TLC NAND почти в два раза медленно, чем MLC NAND, несмотря на то, что он содержит на 50% больше данных (три бита на клетку вместо двух). Это также верно для дисков QLC, которые хранят еще больше бит на различных уровнях напряжения в одной и той же ячейке.

Причина, по которой TLC NAND медленнее, чем MLC или SLC, связан с тем, как данные движутся в ячейку NAND и выходят за пределы. С SLC NAND контроллер должен знать, только ли бит 0 или A 1. С MLC NAND ячейка 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 использовал точное напряжение, чтобы выяснить, заряжается ли какая -либо конкретная ячейка.

Читает, пишет и стирает

Одним из функциональных ограничений SSD является то, что они могут очень быстро читать и записывать данные на пустой диск, перезаписание данных намного медленнее. Это связано с тем, что в то время как SSD читают данные на уровне страницы (то есть из отдельных строк в сетке памяти NAND) и могут писать на уровне страницы, предполагая, что окружающие ячейки пусты, они могут стирать данные только на уровне блока. Это связано с тем, что акт стирания NAND Flash требует большого количества напряжения. В то время как вы можете теоретически стирать NAND на уровне страницы, количество требуемого напряжения напряжение утомляет отдельные клетки вокруг клеток, которые переписываются. Стирание данных на уровне блоков помогает смягчить эту проблему.

Единственный способ для SSD обновить существующую страницу - это скопировать содержимое всего блока в память, стирать блок, а затем написать содержимое старого блока + обновленная страница. Если диск заполнен и нет пустых страниц, SSD должен сначала сканировать на наличие блоков, которые отмечены для удаления, но это еще не удалено, стирает их, а затем напишите данные на ныне иэразированную страницу. Вот почему SSD могут стать медленнее с возрастом-в основном пустой диск полон блоков, которые могут быть написаны немедленно, в основном полное диск, скорее всего, будет вынужден во всей последовательности программы/стирания.

Если вы использовали SSD, вы, вероятно, слышали о том, что называется «Сборник мусора». Сбор мусора - это фоновый процесс, который позволяет стремлению смягчить влияние цикла программы/стирания, выполняя определенные задачи в фоновом режиме. Следующее изображение проходит через процесс сбора мусора.

Обратите внимание в этом примере, диск воспользовался тем фактом, что он может писать очень быстро на пустых страницах, написав новые значения для первых четырех блоков (A’-D ’). Также написано два новых блока, E и H. Blocks A-D теперь помечены как устаревшие, что означает, что они содержат информацию, которую диск помечен как устаревший. В течение периода холостого хода SSD перемещает свежие страницы на новый блок, стирает старый блок и пометит его как свободное пространство. Это означает, что в следующий раз, когда SSD необходимо выполнить запись, он может писать непосредственно в настоящее время блока X, а не выполнять цикл программы/стирания.

Следующая концепция, которую я хочу обсудить, - это отделка. Когда вы удаляете файл из Windows на типичном жестком диске, файл не удаляется сразу. Вместо этого операционная система сообщает о жестком диске, который он может перезаписать физическую область диска, где эти данные хранились в следующий раз, когда ему нужно выполнить запись. Вот почему можно не удалить файлы (и почему удаление файлов в Windows обычно не очищает много физического диска, пока вы не опустошите корзин для переработки). С традиционным жестким диском, ОС не нужно обращать внимание на то, где написаны данные или каково относительное состояние блоков или страниц. С SSD это имеет значение.

Команда TRIM позволяет операционной системе сообщать SSD, что может пропустить переписывание определенных данных в следующий раз, когда она выполнит блочную стирание. Это снижает общее количество данных, которое приводит и увеличивает долговечность SSD. Оба читают и записывают урон, но и пишет, но пишет гораздо больше урона, чем читает. К счастью, долголетие на уровне блоков не оказалась проблемой в Modern Nand Flash. Больше данных о долговечности SSD, любезности технического отчета, можно найти здесь.

Последние две концепции, о которых мы хотим поговорить, - это выравнивание ношения и усиление написания. Поскольку SSD записывают данные на страницы, но стирают данные в блоках, объем данных, записанных на диск, всегда больше, чем фактическое обновление. Если вы внесете изменение в файл 4 кб, например, весь блок, в котором находится файл 4K, должен быть обновлен и переписан. В зависимости от количества страниц на блок и размера страниц, вы можете в конечном итоге написать данные на 4 МБ для обновления файла 4 кб. Сбор мусора уменьшает влияние усиления записи, как и команда TRIM. Поддержание значительной части диска и/или избыточного производителя также может уменьшить влияние усиления записи.

Выравнивание износа относится к практике обеспечения того, чтобы некоторые блоки NAND не написаны и стерли чаще, чем другие. В то время как выравнивание износа увеличивает продолжительность жизни и выносливость диска, написав в равной степени на NAND, это может фактически увеличить усиление записи. В других, чтобы распространяться равномерно по всему диску, иногда необходимо программировать и стирать блоки, даже если их содержание фактически не изменилось. Хороший алгоритм выравнивания износа стремится сбалансировать эти воздействия.

Контроллер SSD

До сих пор должно быть очевидно, что SSD требуют гораздо более сложных механизмов управления, чем жесткие диски. Это не для того, чтобы расстраивать магнитные носители - я на самом деле думаю, что жесткие диски заслуживают большего уважения, чем им дают. Механические проблемы, связанные с балансировкой нескольких нанометров с чтениями, над тарелками, которые вращаются со скоростью от 5400 до 10 000 об / мин, не подходят. Тот факт, что жесткие диски выполняют эту проблему, в то время как новичок новыми методами записи магнитных носителей и в конечном итоге продавать диски по 3-5 центов на гигабайт, просто невероятен.

Контроллеры SSD, однако, сами находятся в классе. У них часто есть пул памяти DDR3 или DDR4, чтобы помочь в управлении самой NAND. Многие диски также включают в себя одноуровневые кеши ячеек, которые действуют как буферы, повышая производительность привода, посвящая быстрый NAND для чтения/записи. Поскольку NAND Flash в SSD обычно подключена к контроллеру через серию каналов параллельных памяти, вы можете думать о контроллере привода как о выполнении некоторых из тех же работ с балансировкой нагрузки, что и массив хранения высокого класса-SSD не Развертывание RAID внутри, но выравнивание износа, сборы мусора и управление кэшем SLC - все это параллели в большом железном мире.

Некоторые диски также используют алгоритмы сжатия данных, чтобы уменьшить общее количество записей и улучшить срок службы диска. Контроллер SSD обрабатывает коррекцию ошибок, и алгоритмы, которые управляют однобидными ошибками, становятся все более сложными с течением времени.

К сожалению, мы не можем вдаваться в подробности о контроллерах SSD, потому что компании блокируют свои различные секретные соусы. Большая часть производительности Nand Flash определяется базовым контролером, и компании не хотят слишком сильно поднимать крышку о том, как они делают то, что они делают, чтобы они не предоставили конкуренту преимущество.

Интерфейсы

Вначале SSD использовали порты SATA, как и жесткие диски. В последние годы мы увидели переход к приводам M.2 - очень тонкие диски, длиной несколько дюймов, которые входят прямо в материнскую плату (или, в некоторых случаях, в монтажный кронштейн на карте PCIe Riser. A Samsung 970 Evo Plus Drive показан ниже.

Приводы NVME предлагают более высокую производительность, чем традиционные драйверы SATA, потому что они поддерживают более быстрый интерфейс. Обычные SSD, прикрепленные через SATA на уровне ~ 550 МБ/с с точки зрения практических скоростей чтения/записи. M.2 диски способны к значительно более высокой производительности. Ожидается, что диски PCIE 5.0 будут способны на чтение и записи в диапазоне 12 ГБ/с - 13 ГБ/с. Это не далеко от пропускной способности DRAM двухканальной системы DDR2-800.

Дорога впереди

Nand Flash предлагает огромное улучшение по сравнению с жесткими дисками, но это не без собственных недостатков и проблем. Ожидается, что ведущие мощности и цена за гигабайт будут продолжать расти и падать соответственно, но SSD мало шансов поймают жесткие диски в цене в гигабайт. Сокращение узлов процесса является серьезной проблемой для Flash NAND - в то время как большинство оборудования улучшаются по мере сокращения узла, NAND становится более хрупким. Время хранения данных и производительность записи по сути ниже для 20 нм NAND, чем 40 нм NAND, даже если плотность данных и общая мощность значительно улучшаются. До сих пор мы видели диски с 128 слоями на рынке, и на данный момент все еще кажется правдоподобным. В целом, переход к 3D NAND помог улучшить плотность без сокращения узлов процесса и не полагаться на плоское масштабирование.

До настоящего времени производители SSD обеспечили лучшую производительность, предлагая более быстрые стандарты данных, большую пропускную способность и больше каналов на контроллер - плюс использование кэша SLC, о которых мы упоминали ранее. Тем не менее, в конечном счете, предполагается, что NAND будет заменен чем -то другим.

То, как что -то еще будет выглядеть, все еще открыто для дебатов. Как магнитная ОЗУ, так и память об изменении фазы представляли себя кандидатами, хотя обе технологии все еще находятся на ранних стадиях и должны преодолеть серьезные проблемы, чтобы фактически конкурировать в качестве замены на NAND. Будут ли потребители заметить, что разница - это открытый вопрос. Если вы обновились с жесткого диска до SSD, а затем обновлены до более быстрого SSD, вы, вероятно, знаете, что разрыв между жесткими жесткими и SSD намного больше, чем разрыв SSD-SSD, даже при обновлении с относительно скромного диска Анкет Улучшение времени доступа от миллисекундов к микросекундам значительно значит, но улучшение их от микросекунд до наносекунд может упасть ниже того, что люди действительно могут воспринимать в большинстве случаев.

Optane сокращается на рынке предприятия

С 2017 года по начало 2021 года Intel предложила свою память Optane в качестве альтернативы для NAND Flash на потребительском рынке. В начале 2021 года компания объявила, что больше не будет продавать диски Optane в потребительском пространстве, за исключением гибридного привода H20. H20 объединяет QLC NAND с кэшем Optane, чтобы повысить общую производительность при одновременном снижении стоимости привода. В то время как H20-интересный и уникальный продукт, он не предлагает такого же самого высокого уровня SSDS Optane Optane.

Optane останется на рынке в сегменте корпоративного сервера. Хотя его охват ограничен, это все еще самая близкая вещь для претендента, который есть у Нанда. Optane SSD не используют NAND-они создаются с использованием нелетучих памяти, которая, как считается, реализована аналогично оперативной памяти с фазовым изменением-но они предлагают аналогичные последовательные производительность с текущими флэш-накопителями NAND, хотя и с лучшей производительностью в низких очередях диска. Задержка привода также составляет примерно половину вспышки NAND (10 микросекунд, по сравнению с 20) и значительно более высокая выносливость (30 полных вариантов привода в день, по сравнению с 10 полными записями привода в день для высококлассного SSD Intel).

Optane доступен в нескольких форматах привода и в качестве прямой замены DRAM. Некоторые из высококлассных процессоров Xeon в Intel поддерживают многоэтажные развертывания Optane и поддерживают сочетание DRAM и Optane, который предоставляет сервер с гораздо большим количеством оперативной памяти, чем только DRAM, за счет более высоких задержек доступа.

Одной из причин, по которой у Optane были проблемы с прорывом в потребительском пространстве, заключается в том, что цены NAND резко упали в 2019 году и оставались низкими до 2020 года, что затрудняет эффективную конкуренцию Intel.

Проверьте наш Wfoojjaec, объясняет серию для более глубокого освещения современных самых технических тем.