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Gewährleistung der Leistung und Lebensdauer durch Over-Provisioning (OP)

Um Szenarien zu vermeiden, in denen der Speicher einer SSD randvoll mit ungültigen Dateien gefüllt ist, arbeitet die Garbage Collection des SSD-Controllers mit dem Over-Provisioning als Zwischenstufe. In diesem temporären Arbeitsbereich werden gültige Seiten zusammengeführt und mit ungültigen (oder gelöschten) Seiten gefüllte Blöcke wieder regeneriert.

Alle regenerierten Dateien bzw. Blöcke werden dann dem Over-Provisioning-Speicher hinzugefügt, um Schreibvorgänge aus dem SSD-Controller aufzunehmen und die Leistung während Spitzenbelastungen zu maximieren, da die Lese-, Lösch-, Modifizierungs- und Schreibvorgänge mit ungültigen Seiten gefüllte Blöcke die Leistung ansonsten beeinträchtigen könnte.

Die Garbage Collection arbeitet unabhängig vom Betriebssystem und wird automatisch in Perioden mit niedriger Aktivität ausgelöst. Dies' erfolgt in regelmäßigen Intervallen oder durch Auslösen des entsprechenden ATA Data Set Management TRIM Befehls, um eine Garbage Collection anzusetzen.

Jederzeit verfügbare, freie Blöcke des Over-Provisioning-Speichers unterstützen effektiv das Wear-Leveling auf dem NAND Flash, bei dem der SSD-Controller Schreibvorgänge intelligent und gleichmäßig über alle NAND Flash-Speicherzellen verteilt, ohne dabei die Gesamtleistung der SSD auch bei Spitzenbelastungen zu beeinträchtigen.

Zudem kann der Befehl ATA Data Set Management TRIM, mit dem ungültige Seiten und nicht verwendeter Benutzerspeicher bereinigt werden, durch die Bereinigung ungültiger Seiten und nicht verwendeter Speicherkapazitäten weiteren Speicherplatz für die SSD verfügbar machen.

Um die Wirkungsweise von OP verständlich zu machen, werden wir zur Veranschaulichung Kingston Enterprise SSDs, die DC400 SSDs, näher betrachten. Diese SSDs gibt es in Speicherkapazitäten von bis zu 1,8TB und Benutzer können ihr Over-Provisioning mit dem Kingston SSD Manager anpassen. Durch die Anpassung der OP-Größe werden mit 7 % oder höherem OP Effekte in der Leistung und Lebensdauer erzielt.

Formatierte Laufwerkskapazität Over-Provisioning (OP) Größe Sequentielle Lese-/Schreib-Bandbreite (MB/s) Zufälliges Lesen/Schreiben-IOPS konstant bei 4K TBW
(JEDEC Enterprise [1])
DWPD[2]
400GB 28 % OP 555 / 535 85K / 35K 422TB 0.57
480GB 7 % OP 555 / 535 85K / 11K 257TB 0.30
800GB 28 % OP 555 / 530 78K / 32K 860TB 0.58
960GB 7 % OP 555 / 520 78K / 11K 564TB 0.32
1600GB 28 % OP 555 / 510 78K / 32K 1678TB 0.57
1800GB 14 % OP
(Intensiv)*
555 / 500 67K / 18K 1432TB 0.43

Abb. 3 – Over-Provisioning auf Basis von Speicherkapazität und Anwenderklasse

In Abb. 3 vergleichen wir die einzelnen verbundenen Speicherkapazitäten der DC400 (400/480GB, 800/960GB, 1600/1800GB) in unterschiedlichen OP-Stufen.

Beim Vergleich aller verbundenen Speicherkapazitäten können wir Folgendes erkennen:

  • Die Laufwerke mit mehr Speicherkapazität (weniger OP) in jedem Paar können zwar dieselbe Übertragungsgeschwindigkeit (Bandbreite) halten, jedoch ist die Random Write IOs je Sekunde (IOPS) signifikant niedriger Das bedeutet, dass Laufwerke mit niedrigerem OP sich gut in leseintensiven Anwendungen behaupten. Sie können jedoch im Vergleich zu Laufwerken mit 28 % OP in schreibintensiven Anwendungen langsamer sein.
  • Niedrigeres Over-Provisioning bedeutet auch, dass die in Terabytes ausgedrückten Total Bytes Written (TBW) in jedem Laufwerk niedriger sind. Je höher der OP-Prozentsatz, desto länger kann eine SSD verwendet werden. Eine DC400 mit 960GB kann bis zu 564TB geschriebene Daten aufnehmen, wohingegen DC400 mit 800GB nur 860TBW erreicht. Kingston leitet die TBW-Anzahl von den JEDEC Workloads ab[1].
  • Wenn die TBW-Anzahl während der Garantiezeit in Drive Writes Per Day (DWPD) übertragen wird, können wir erkennen, dass die Laufwerke mit 28 % OP nahezu die doppelte Menge der Schreibvorgänge je Tag erreichen. Dies ist der Grund dafür, dass empfohlen wird, 28 % des OP für eher schreibintensive Anwendungen zu verwenden.

Referenzen

  1. JESD219: Solid-State Drive (SSD) Endurance Workloads, JEDEC Committee (http://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd219a). Diese Client- und Enterprise-Workloads stellen den Standard der Branche für die Bewertung ihrer SSDs dar und werden von den klassifizierten, von ihren SSDs unterstützten TBWs abgeleitet. Beachten Sie bitte, dass Ihre Arbeitsauslastung anders sein kann und die klassifizierten TBW-Spezifikationen aufgrund der eindeutigen WAF aus Ihrer Anwendung insgesamt über oder unter Ihrer Arbeitsauslastung liegen können.

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