Як працюють SSD?

Тут, у WFOOJJAEC, ми часто обговорювали різницю між різними типами структур NAND-вертикальними NAND проти планарних або багаторівневих клітин (MLC) проти клітин потрійного рівня (TLC) та квадроциклів (QLC). Тепер поговоримо про більш основне відповідне питання: як працюють SSD в першу чергу, і як вони порівнюються з новими технологіями, як, наприклад, технологія неулітного зберігання Intel, Optane?

На початку…

Щоб зрозуміти, чим і чому SSD відрізняються від прядильних дисків, нам потрібно трохи поговорити про жорсткі диски. В жорсткий диск зберігає дані про серію спінінг магнітних дисків під назвою тарілки.

Рука приводу вище позиціонує голови читання-запису на правильній області приводу для читання чи запису інформації.

Оскільки головки накопичувача повинні вирівнятись над областю диска, щоб читати або записувати дані, а диск постійно крутиться, перед даними можна отримати доступ. Накопичувач може знадобитися прочитати з декількох локацій, щоб запустити програму або завантажити файл, а це означає, що він, можливо, доведеться чекати, коли тарілки спрямовуються в належне положення кілька разів, перш ніж він зможе завершити команду. Якщо привід спить або в станах малої потужності, це може зайняти кілька секунд більше, щоб диск спрямовувався до повної потужності і почати працювати.

З самого початку було зрозуміло, що жорсткі диски не можуть відповідати швидкості, на яких процесор може діяти. Затримка у жорстких дисків вимірюється в мілісекундах, порівняно з наносекундами для вашого типового процесора. Один мілісекунд становить 1 000 000 наносекунд, і, як правило, потрібен жорсткий диск 10-15 мілісекунд, щоб знайти дані на диску і почати його читати. Індустрія жорсткого диска представила менші блюдо, кеш-пам'ять на диску та швидші швидкості шпинделя, щоб протидіяти цій тенденції, але механічні накопичувачі можуть лише так швидко крутитися. Сім'я Velociraptor Western Digital 10 000 об / хв - це найшвидший набір накопичувачів, що коли -небудь побудовані для споживчого ринку, тоді як деякі підприємства підприємств крутилися так само швидко, як 15 000 об / хв. Проблема полягає в тому, що навіть найшвидший спінінг з найбільшими кешами та найменшими блюдами все ще болить повільно, що стосується вашого процесора.

Наскільки SSD різні

"Якби я запитував людей, що вони хочуть, вони б сказали швидше коней". - Генрі Форд

Твердотільні накопичувачі називаються спеціально тому, що вони не покладаються на рухомих деталей або спінування дисків. Натомість дані зберігаються до пулу NAND Flash. Сам NAND складається з того, що називають плаваючими воротами транзисторів. На відміну від транзисторних конструкцій, що використовуються в DRAM, які повинні бути оновлені кілька разів на секунду, NAND Flash призначений для збереження свого стану заряду, навіть коли не живиться. Це робить NAND типом нерухомої пам’яті. Драм, навпаки, нестабільний - він втрачає дані, якщо його не швидко оновлювати.

На схемі вище показано просту конструкцію флеш -комірки. Електрони зберігаються у плаваючому воріт, який потім читається як заряджене "0" або не заряджене "1." Так, в NAND Flash 0 -ти означає, що дані зберігаються в комірці - це протилежне тому, як ми зазвичай думаємо про нуль чи одне. NAND Flash організований в сітці. Весь макет сітки називається блоком, тоді як окремі ряди, що складають сітку, називаються сторінкою. Загальні розміри сторінок - 2 к, 4 к, 8 к або 16 к, з 128 - 256 сторінками на блок. Таким чином, розмір блоку, як правило, коливається від 256 кб і 4 Мб.

Одна з переваг цієї системи повинна бути негайно очевидною. Оскільки SSD не мають рухомих деталей, вони можуть працювати зі швидкістю, що значно вище типового жорсткого диска. Наступна діаграма показує затримку доступу для типових середовищ зберігання, наведених у мікросекундах.

NAND ніде не так швидко, як основна пам’ять, але це на кілька порядків швидше, ніж жорсткий диск. Хоча затримки писати значно повільніші для спалаху NAND, ніж читання затримки, вони все ще перевершують традиційні спінінг -носії.

У наведеній діаграмі є дві речі, які можна помітити. По -перше, зауважте, як додавання більше бітів на клітину NAND суттєво впливає на продуктивність пам'яті. Це гірше для запису на відміну від читання-типова затримка потрійного рівня (TLC) на 4 рази гірша порівняно з однорівневою клітиною (SLC) NAND для читання, але 6x гірше для запису. Затримки стирання також суттєво впливають. Вплив також не пропорційний - TLC NAND майже вдвічі більше повільно, ніж MLC NAND, незважаючи на те, що він зберігає лише на 50% більше даних (три біти на клітинку замість двох). Це стосується і накопичувачів QLC, які зберігають ще більше шматочків на різних рівнях напруги в одній клітині.

Причина TLC NAND повільніша, ніж MLC або SLC, пов'язана з тим, як дані рухаються в клітині NAND та поза ними. За допомогою SLC NAND контролер повинен знати лише, чи біт це 0 або A 1. З MLC NAND комірка може мати чотири значення - 00, 01, 10 або 11. З TLC NAND комірка може мати вісім значень , а QLC має 16. Читання належного значення з комірки вимагає, щоб контролер пам'яті використовувати точну напругу, щоб з’ясувати, чи заряджається будь -яка конкретна комірка.

Читає, пише та стирання

Одним із функціональних обмежень SSD є те, що вони можуть читати та записувати дані дуже швидко на порожній диск, перезапис даних набагато повільніше. Це пояснюється тим, що в той час, як SSD читають дані на рівні сторінки (маючи на увазі окремі рядки в сітці пам'яті NAND) і можуть записувати на рівні сторінки, припускаючи, що навколишні клітини порожні, вони можуть стирати дані лише на рівні блоку. Це тому, що акт стирання спалаху NAND вимагає великої кількості напруги. Хоча теоретично ви можете стерти NAND на рівні сторінки, кількість напруги потребує підкреслює окремі клітини навколо клітин, які переписуються. Стискання даних на рівні блоку допомагає пом'якшити цю проблему.

Єдиний спосіб для SSD оновити наявну сторінку - це скопіювати вміст всього блоку в пам'ять, стерти блок, а потім записати вміст старого блоку + оновлену сторінку. Якщо накопичувач заповнений, а порожніх сторінок немає, SSD повинен спочатку сканувати блоки, позначені для видалення, але це ще не видалено, стерти їх, а потім напишіть дані на сторінку, що влаштовується зараз. Ось чому SSD можуть стати повільнішими у віці-в основному порожній привід переповнений блоками, які можна записати негайно, здебільшого наповнений привід, швидше за все, буде вимушено через всю послідовність програми/стирання.

Якщо ви використовували SSD, ви, ймовірно, чули про щось, що називається "колекція сміття". Збір сміття - це фоновий процес, який дозволяє приводу пом'якшити вплив продуктивності циклу програми/стирання шляхом виконання певних завдань на задньому плані. Наступне зображення переходить через процес збору сміття.

Примітка У цьому прикладі накопичувач скористався тим, що він може писати дуже швидко, щоб порожні сторінки, написавши нові значення для перших чотирьох блоків (A'-D '). Він також написаний двома новими блоками, E та H. Blocks A-D тепер позначені як несвіжі, тобто вони містять інформацію, яку привід позначений як застарілий. Протягом холостого періоду SSD перемістить свіжі сторінки до нового блоку, стирають старий блок та позначить його як вільний простір. Це означає, що наступного разу, коли SSD потребує запису, він може писати безпосередньо в порожній блок X, а не виконувати цикл програми/стирання.

Наступна концепція, яку я хочу обговорити, - це обробка. Коли ви видаляєте файл з Windows на типовому жорсткому диску, файл не видаляється негайно. Натомість операційна система повідомляє жорсткому диску, який вона може перезаписати фізичну область диска, де ці дані зберігалися наступного разу, коли для цього потрібно виконати запис. Ось чому можна скасувати файли (і чому видалення файлів у Windows зазвичай не очищає багато фізичного диска, поки ви не спорожните відро для переробки). За допомогою традиційного жорсткого диска ОС не потрібно звертати увагу на те, де записуються дані, або який відносний стан блоків чи сторінок. З SSD це має значення.

Команда TRIM дозволяє операційній системі повідомити SSD, що може пропустити переписання певних даних наступного разу, коли вони виконують стирання блоку. Це знижує загальну кількість даних, які привід записує, і збільшує довговічність SSD. Обидва читають, і пише пошкодження NAND Flash, але пише, що завдають набагато більше шкоди, ніж читання. На щастя, довголіття на рівні блоку не виявилося проблемою в сучасному спалаху NAND. Тут можна знайти більше даних про довговічність SSD, люб’язно надано технічним звітом.

Останні два поняття, про які ми хочемо поговорити, - це вирівнювання зносу та посилення запису. Оскільки SSD записують дані на сторінки, але стирають дані в блоках, кількість даних, що записуються на диск, завжди більша, ніж фактичне оновлення. Якщо ви внесете зміну у файл 4 КБ, наприклад, весь блок, який сидить 4K файл, повинен бути оновлений та переписаний. Залежно від кількості сторінок на блок та розміру сторінок, ви можете в кінцевому підсумку написати дані на 4 Мб для оновлення 4 КБ файлу. Збір сміття зменшує вплив посилення запису, як і команда обрізки. Зберігання значного шматка приводу та/або перевищення виробника також може зменшити вплив посилення запису.

Вирівнювання носіння стосується практики забезпечення того, щоб певні блоки NAND не були написані та стерті частіше, ніж інші. Хоча вирівнювання зносу збільшує тривалість життя та витривалість приводу, пишучи в NAND однаково, це може фактично збільшити посилення запису. В іншому для розповсюдження писемності рівномірно через диск, іноді потрібно програмувати та стирати блоки, навіть якщо їх вміст насправді не змінився. Хороший алгоритм вирівнювання зносу прагне збалансувати ці наслідки.

Контролер SSD

На сьогоднішній день це повинно бути очевидним, що SSD потребують набагато складніших механізмів управління, ніж жорсткі диски. Це не для того, щоб розірвати магнітні засоби масової інформації - я насправді думаю, що HDD заслуговують на більше поваги, ніж вони дають. Механічні виклики, пов'язані з врівноваженням декількох нанометрів голів для читання, над тарілками, які крутяться при від 5400 до 10 000 об / хв, не можна чхати. Той факт, що жорсткі страждання виконують цю проблему, в той час як піонерські нові методи запису до магнітних засобів масової інформації та врешті-решт закінчують продаж приводів у 3-5 копійок за гігабайт, просто неймовірний.

Однак контролери SSD знаходяться в класі самі по собі. У них часто є пул пам'яті DDR3 або DDR4, щоб допомогти в управлінні самим NAND. Багато накопичувачів також містять однорівневі клітинні кеші, які діють як буфери, збільшуючи продуктивність приводу, присвячуючи швидку NAND цикли читання/запису. Оскільки спалах NAND в SSD, як правило, підключається до контролера через ряд каналів паралельної пам'яті, ви можете подумати про контролер приводу як про виконання деяких тих самих балансуючих навантажень, що і висококласний масив зберігання-SSD не Розгортання RAID всередині, але вирівнювання зносу, збирання сміття та управління кешем SLC мають паралелі у великому залізному світі.

Деякі накопичувачі також використовують алгоритми стиснення даних, щоб зменшити загальну кількість записів та покращити тривалість життя приводу. Контролер SSD обробляє виправлення помилок, а алгоритми, які контролюють одноразові помилки, стають все більш складними з часом.

На жаль, ми не можемо враховувати занадто багато деталей на контролерах SSD, оскільки компанії блокують різні таємні соуси. Значна частина продуктивності Nand Flash визначається основним контролером, і компанії не бажають занадто далеко підняти кришку на те, як вони роблять те, що роблять, щоб вони не передали конкуренту переваги.

Інтерфейси

На початку SSD використовували порти SATA, як і жорсткі диски. Останніми роками ми спостерігали перехід на накопичувачі M.2 - дуже тонкі приводи, довжиною декількох сантиметрів, що знаходиться прямо на материнську плату (або, в декількох випадках 970 EVO Plus Диск показано нижче.

Накопичувачі NVME пропонують більш високу продуктивність, ніж традиційні драйвери SATA, оскільки вони підтримують швидший інтерфейс. Звичайні SSD, прикріплені через SATA вгорі на ~ 550 Мб/с з точки зору практичної швидкості читання/запису. M.2 накопичувачі здатні значно швидше. Очікується, що накопичувач PCIE 5.0 зможуть прочитати та писати в діапазоні 12 ГБ/с - 13 ГБ/с. Це недалеко від пропускної здатності DRAM подвійної канальної системи DDR2-800.

Дорога попереду

NAND Flash пропонує величезне вдосконалення на жорстких дисках, але це не без власних недоліків та проблем. Очікується, що драйвування та ціна за гігабайт продовжуватимуть зростати і падати відповідно, але шансів SSD-диски вловлять жорсткі диски в ціні за гігабайт. Скорочення вузлів процесу є важливим завданням для NAND Flash - в той час як більшість апаратних засобів покращується, коли вузол скорочується, NAND стає більш крихким. Часи утримання даних та ефективність запису є суттєво нижчими для 20 нм NAND, ніж 40 нм NAND, навіть якщо щільність даних та загальна потужність значно покращуються. Поки ми бачили приводи з до 128 шарів на ринку, і вищі все ще здаються правдоподібними на даний момент. Загалом, перехід до 3D NAND допоміг покращити щільність без скорочення вузлів процесу або покладаючись на плоске масштабування.

Поки що виробники SSD забезпечили кращу продуктивність, пропонуючи більш швидкі стандарти даних, більшу пропускну здатність та більше каналів на контролер - плюс використання кеш SLC, про які ми згадували раніше. Тим не менш, зрештою, вважається, що NAND буде замінено чимось іншим.

Як буде виглядати щось інше, все ще відкрито для дебатів. І пам'ять магнітної оперативної пам’яті, і фаза змінили себе як кандидатів, хоча обидві технології все ще знаходяться на ранніх стадіях і повинні подолати значні проблеми, щоб насправді конкурувати як заміна NAND. Чи помічають споживачі різниця - це відкрите питання. Якщо ви модернізувались від жорсткого диска до SSD, а потім перейшли до більш швидкого SSD, ви, ймовірно, знаєте, що розрив між HDD та SSD значно більший, ніж розрив SSD-до SSD, навіть при модернізації від відносно скромного приводу . Поліпшення часу доступу від мілісекунд до мікросекунд має велике значення, але поліпшення їх від мікросекунд до наносекунд може впасти нижче того, що люди справді можуть сприймати в більшості випадків.

Optane Retrenchs на ринку підприємств

З 2017 по початку 2021 року Intel запропонував свою оптину пам'ять як альтернативу для NAND Flash на споживчому ринку. На початку 2021 року компанія оголосила, що більше не продаватиме накопичувачі Optane у споживчому просторі, за винятком гібридного приводу H20. H20 поєднує QLC NAND з кешем Optane, щоб підвищити загальну продуктивність, зменшуючи привід вартості. Хоча H20-це цікавий та унікальний продукт, він не пропонує такого ж вищого виступу Optane SSD.

Optane залишатиметься на ринку в сегменті сервера Enterprise. Хоча його охоплення обмежене, це все ще найближче до претендента, який має Нанд. Optane SSD не використовують NAND-вони побудовані за допомогою нерухомої пам’яті, яка, як вважається, реалізується аналогічно для зміни фази-але вони пропонують подібну послідовну продуктивність до поточних флеш-приводів NAND, хоча і з кращою продуктивністю на чергах з низьким приводом. Затримка приводу також становить приблизно половину спалаху NAND (10 мікросекунд, проти 20) і значно більша витривалість (30 повних приводів на день, порівняно з 10 повним приводом на день для високого класу Intel SSD).

Optane доступний у декількох форматах приводу та в якості прямої заміни для DRAM. Деякі з висококласних процесорів Intel підтримують багатотерабайт Optane розгортання та підтримують поєднання DRAM та Optane, який надає серверу набагато більше оперативної пам’яті, ніж тільки DRAM, вартістю більш високих затримок доступу.

Однією з причин у Оптанена виникли проблеми з пробиттям споживчого простору, що ціни NAND різко впали в 2019 році і залишилися низькими до 2020 року, що ускладнює інтелектуальну конкуренцію.

Ознайомтеся з нашим Wfoojjaec, пояснює серію для отримання більш поглибленого висвітлення найгарячіших технологічних тем сьогодні.