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Mantenimento di prestazioni e durata mediante l’Over-Provisioning (OP)

Per prevenire gli scenari in cui la capacità del drive SSD viene saturata con pagine non valide, la partizione di over-provisioning viene utilizzata dalla funzione di garbage collection del controller SSD come area di lavoro temporanea per la gestione dei merge pianificati delle pagine valide e per il recupero dei blocchi riempiti con pagine non valide (o eliminate).

Le pagine/blocchi recuperati vengono successivamente aggiunti alla capacità di over-provisioning, per consentire l'esecuzione delle operazioni in scrittura generate dal controller SSD e massimizzare le prestazioni durante l'esecuzione di operazioni che prevedono picchi di carico massimo elevati, in quanto l'impatto sulle prestazioni determinato dall'esecuzione di letture, cancellazioni, modifiche e scritture di tutte le pagine valide su un blocco già parzialmente pieno di pagine non valide può essere notevole.

La funzione di garbage collection opera in modo indipendente rispetto al sistema operativo e viene automaticamente attivata durante i periodi di ridotta attività, su base periodica, oppure inviando l'apposito comando TRIM di gestione del set di dati ATA per programmare un’attività di garbage collection.

La disponibilità permanente di un certo numero di blocchi vuoti, grazie alla capacità di over-provisioning, contribuisce a garantire l'efficacia dei processi di livellamento dell'usura della memoria NAND Flash, in quanto il controller SSD redistribuisce le operazioni in modo intelligente e uniforme su tutte le celle della memoria NAND Flash, senza influenzare le prestazioni complessive del drive SSD in condizioni di carico massimo.

Inoltre, il comando TRIM di gestione del set di dati ATA può contribuire allo spazio disponibile sul drive SSD, liberando lo spazio occupato da pagine non valide e la capacità di storage utente inutilizzata.

Per comprendere gli effetti dell’over-provisioning, prenderemo ad esempio un drive SSD di Kingston della gamma Enterprise, il drive DC400. La capacità di questi drive può arrivare fino a 1,8TB ed è possibile gestire l’over-provisioning tramite l’applicazione Kingston SSD Manager (KSM). Intervenendo sulla dimensione dell’OP, possiamo notare gli effetti che si ottengono sulle prestazioni e sulla resistenza, quando si imposta un valore uguale o superiore al 7% di OP.

Capacità del drive formattato Dimensioni dell’over-provisioning (OP) Ampiezza di banda per letture/scritture sequenziali (MB/s) IOPS casuali in lettura/scrittura Steady-State 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
1.600GB 28% OP 555 / 510 78K / 32K 1.678TB 0.57
1.800GB 14% OP
(Lettura intensa)*
555 / 500 67K / 18K 1.432TB 0.43

Figura 3: over-provisioning in base alla capacità e alla classe di applicazione

Nella figura 3 vengono confrontati le diverse coppie di capacità dei drive DC400 (400/480GB, 800/960GB, 1.600/1.800GB) con i diversi livelli di OP.

Dal confronto delle diverse coppie di capacità possiamo notare che:

  • I drive con maggiore capacità (minor OP) in ciascuna coppia riescono a mantenere le velocità di trasferimento invariate (ampiezza di banda), ma i valori IOPS di scritture casuali risultano significativamente ridotti. Da ciò si evince che i drive con ridotto OP mantengono ottime prestazioni nelle applicazioni caratterizzate da intensa attività di lettura, ma potrebbero risultare meno performanti nelle applicazioni caratterizzate da intensa attività di scrittura se confrontati con drive aventi un valore di OP del 28%.
  • Un valore di over-provisioning ridotto comporta inoltre che i Byte totali scritti (TBW) in Terabyte su ciascun drive risulteranno minori. A una maggiore percentuale di OP corrisponderà una maggiore durata della vita operativa del drive SSD. Un drive DC400 da 960GB può ospitare fino a 564TB di dati scritti, laddove un drive DC400 da 800GB può raggiungere gli 860TBW. I valori di TBW sono ricavati da Kingston usando come riferimento i carichi di lavoro JEDEC [1].
  • Rapportando i valori TBW alle scritture su drive per giorno (DWPD) lungo tutto l’arco di durata della garanzia, possiamo notare che i drive che adottano il 28% di OP raggiungono quasi il doppio della quantità di scritture al giorno. Ecco perché si consiglia di adottare il 28% come valore di OP per le applicazioni caratterizzate da un intenso carico di scrittura.

Riferimenti

  1. JESD219: Solid-State Drive (SSD) Endurance Workloads, JEDEC Committee (http://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd219a). I carichi di lavoro indicati rappresentano uno standard di settore in ambito Client ed Enterprise per la classificazione dei drive SSD e la determinazione del valore TBW nominale supportato dagli stessi. Ovviamente il vostro effettivo carico di lavoro potrebbe non coincidere con questi e trovarsi quindi al di sopra o al di sotto rispetto al valore di TBW nominale, a seconda del fattore di amplificazione in scrittura (WAF) specifico dell’applicazione utilizzata.

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