Wyjaśnienie nadmiarowych bloków pamięci (over provisioning, OP) dysków SSD

Zachowanie wydajności i trwałości dzięki nadmiarowym blokom pamięci

Aby uniknąć sytuacji wypełnienia całego dysku SSD nieprawidłowymi stronami, realizowana przez kontroler dysku SSD funkcja usuwania pozostałości danych używa nadmiarowych bloków pamięci jako tymczasowego obszaru roboczego. Służy on do zarządzania zaplanowanymi operacjami scalania prawidłowych stron i odzyskiwania bloków wypełnionych nieprawidłowymi (lub usuniętymi) stronami.

Następnie wszystkie odzyskane strony/bloki są dodawane do przestrzeni nadmiarowych bloków pamięci, gdzie są używane do obsługi operacji zapisu wykonywanych przez kontroler dysku SSD i maksymalizacji wydajności podczas największego obciążenia. Wpływ odczytu, kasowania, modyfikowania i zapisywania wszystkich prawidłowych stron z powrotem w blokach, które są już częściowo wypełnione nieprawidłowymi stronami, na wydajność dysku byłby zdecydowanie niekorzystny.

Funkcja usuwania pozostałości danych działa niezależnie od systemu operacyjnego i jest uruchamiana automatycznie w okresach niskiej aktywności, okresowo lub w wyniku wykonania odpowiedniego polecenia TRIM funkcji zarządzania zestawami danych interfejsu ATA, które służy do planowania operacji usuwania pozostałości danych.

Określona liczba zawsze dostępnych pustych bloków w obszarze nadmiarowych bloków pamięci pomaga w zachowaniu efektywnego równoważenia zużycia pamięci NAND Flash. Dzieje się tak ponieważ kontroler dysku SSD inteligentnie rozkłada operacje zapisu równomiernie między wszystkie komórki pamięci NAND Flash i nie ma to negatywnego wpływu na ogólną wydajność dysku SSD w sytuacji największego obciążenia.

Ponadto polecenie TRIM funkcji zarządzania zestawami danych interfejsu ATA umożliwia poszerzanie przestrzeni dostępnej na dysku SSD poprzez odzyskiwanie nieprawidłowych stron i nieużywanej przestrzeni dostępnej dla użytkownika.

Aby zrozumieć korzyści zastosowania nadmiarowych bloków pamięci, przyjrzymy się przykładowi bazującemu na dysku SSD klasy korporacyjnej firmy Kingston – DC500R. Ten SSD dysk jest dostępny w wersjach o pojemności do 3,84 TB i pozwala na wykorzystanie narzędzia Kingston SSD Manager służącego między innymi do modyfikacji parametrów nadmiarowych bloków pamięci. Dzięki zmianie liczby nadmiarowych bloków pamięci od 7% w górę można zaobserwować, jak takie zmiany wpływają na wydajność i trwałość.

Porównując różne pary pojemności, widzimy, że:

1. Bardziej pojemne dyski (o niższej wartości OP) w każdej parze zachowują takie same prędkości transferów (przepustowość), jednak wyraźnie spada wskaźnik losowych operacji wej./wyj. zapisu na sekundę. Oznacza to, że zastosowanie niższego poziomu OP nie ma znaczenia dla zastosowań o dużym obciążeniu operacjami odczytu, jednak w porównaniu do dysków z OP równym 32% może powodować obniżenie wydajności w przypadku intensywnych operacji zapisu.
2. Niższy procent przestrzeni przeznaczony na nadmiarowe bloki pamięci powoduje też dla każdego dysku obniżenie wartości wskaźnika TBW, czyli całkowitej liczby zapisanych bajtów. Im wyższa wartość OP, tym dłuższy okres eksploatacji dysku SSD. Dysk DC500R o pojemności 960 GB może wytrzymać zapis 876 TB danych, podczas gdy model 800 GB osiąga wynik 860 TB. Firma Kingston ustala wartość wskaźnika TBW na podstawie obciążeń wzorcowych ustalonych przez komitet JEDEC{{Footnote.N52105}}.
3. Dzięki przeliczeniu wskaźnika TBW na liczbę zapisów dysku dziennie (ang. Drive Writes Per Day, DWPD) w okresie gwarancji widać, że dyski z OP na poziomie 32% mają niemal dwukrotnie wyższą liczbę zapisów dziennie. Dlatego właśnie zaleca się ustawienie OP na wartość 32% w przypadku zastosowań o wysokim obciążeniu operacjami zapisu.