Преимущества увеличения резервной области накопителя

Каким образом увеличение резервной области накопителя улучшает работу твердотельного накопителя?

Каждый кристалл флэш-памяти NAND построен из нескольких блоков, которые содержат множество страниц.

Флэш-память NAND можно считывать и записывать на уровне страниц, однако стирать можно только на уровне блоков.

Если необходимо изменить или стереть одну страницу на уже запрограммированной странице в блоке, нужно сначала во временную память переместить весь блок, состоящий из нескольких страниц, затем стереть до того, как будет запрограммировано новое содержимое блока в том же адресе блока.

Единственный вариант, при котором страницы могут перемещаться непосредственно в блок флэш-памяти NAND без данного утомительного цикла «чтение-изменения-запись», - это когда страница уже находится в пустом состоянии.

Хранение большого количества блоков в пустом состоянии и в резерве с помощью средств увеличения резервной области твердотельного накопителя при обеспечении согласованной производительности, особенно в случаях произвольной записи, обеспечивает самый высокий показатель WAF.{{Footnote.N52105}}

Каким образом увеличение резервной области накопителя увеличивает эксплуатационный ресурс твердотельного накопителя?

Для того, чтобы понять, почему конфигурация твердотельного накопителя включает увеличение его резервной области, и какие преимущества от этого получает SSD-контроллер, мы должны понять принципы стандартной работы твердотельного накопителя и ограничения энергонезависимой флэш-памяти NAND.

Каждая ячейка флэш-памяти NAND имеет ограниченный срок службы, в зависимости от своей программы и износостойкости к стиранию (P/E), который производитель флэш-памяти NAND обозначает в процессе производства, поскольку каждая программа или функции стирания, выполняемые на ячейке флэш-памяти NAND, изнашивают объем ячейки, что затрудняет надежное хранение электрического заряда и, следовательно, может поставить под угрозу целостность данных.

Тем не менее, поскольку технологии производства NAND-памяти постепенно становятся трехмерными, эксплуатационный ресурс NAND-памяти увеличивается, плотность размещения кристаллов возрастает, а производственные затраты снижаются, что делает твердотельные накопители более доступными.

Подводя итог, следует отметить, что тремя основными факторами, влияющими на эксплуатационный ресурс твердотельного накопителя, являются:
  • Программа флэш-памяти NAND, износостойкость к стиранию и связанная с геометрической формой сложность чтения/работы с программами/стирания (под геометрической формой здесь понимается двухмерная и трехмерная технология изготовления)
  • Емкость твердотельного накопителя
  • Емкость и эффективность SSD-контроллера (очистка памяти, увеличение объема записи, управление блоками, выравнивание износа, код обнаружения и коррекции ошибок).

Поддержание производительности и эксплуатационного ресурса путем увеличения резервной области твердотельного накопителя

Для избежания варианта развития, когда твердотельный накопитель полностью заполнен недействительными страницами, функция очистки памяти SSD-контроллера применяет увеличение резервной области твердотельного накопителя в качестве временного рабочего пространства для управления планируемым слиянием действительных страниц и возврата блоков, заполненных недействительными (или удаленными) страницами.

Любые утилизированные страницы/блоки затем добавляются к объему увеличения резервной области твердотельного накопителя для объединения операций записи с SSD-контроллера и максимального увеличения производительности во время пиковой нагрузки трафика; также эффективность считывания, стирания, модификации и записи всех действительных страниц назад в уже частично полный блок, заполненный недействительными страницами, может замедлиться.

Очистка памяти выполняется независимо от операционной системы и автоматически срабатывает в период низкой активности, периодически или путем выдачи соответствующей команды Data Set Management TRIM протокола ATA для планирования очистки памяти.

Всегда доступное количество пустых блоков через увеличение резервной области поддерживает эффективное выравнивание износа флэш-памяти NAND, тогда как SSD-контроллер интеллектуально и равномерно перераспределяет операции записи во всех ячейках флэш-памяти NAND, не влияя на общую производительность SSD-накопителя во время пиковых нагрузок трафика.

Кроме того, команда Data Set Management TRIM протокола ATA может добавить доступное пространство твердотельного накопителя путем исправления недействительных страниц и неиспользованной емкости средств пользователя.

Форматированная емкость дискаРазмер увеличения резервной области твердотельного накопителяПропускная способность последовательного чтения/записиКоличество операций ввода-вывода в секунду при длительном считывании/записи блоков объемом 4 Кб в случайном порядкеTBW (JEDEC Enterprise{{Footnote.N52105}})DWPD{{Footnote.N37134}}
480ГБ (DC500R) Увеличение резервной области твердотельного накопителя на 7% 550/500МБ/с 98 000/12 000 IOPS 438 ТБ 0,5
480ГБ (DC500M) Увеличение резервной области твердотельного накопителя на 32% 555/520МБ/с 98 000/58 000 IOPS 1139 ТБ 1,3
960ГБ (DC500R) Увеличение резервной области твердотельного накопителя на 7% 555/520МБ/с 98 000/20 000 IOPS 876 ТБ 0,5
960ГБ (DC500M) Увеличение резервной области твердотельного накопителя на 32% 555/520МБ/с 98 000/70 000 IOPS 2278 ТБ 1,3
1920ГБ (DC500R) Увеличение резервной области твердотельного накопителя на 7% 555/520МБ/с 98 000/24 000 IOPS 1752 ТБ 0,5
1920ГБ (DC500M) Увеличение резервной области твердотельного накопителя на 32% 555/520МБ/с 98 000/75 000 IOPS 4555 ТБ 1,3
3840ГБ (DC500R) Увеличение резервной области твердотельного накопителя на 7% 555/520МБ/с  98 000/28 000 IOPS  3504 ТБ 0,5
3840ГБ (DC500M)  Увеличение резервной области твердотельного накопителя на 32% 555/520МБ/с  98 000/75 000 IOPS 9110 ТБ 1,3
Увеличение резервной области твердотельного накопителя на основе емкости и класса приложений

Чтобы понять принцип работы технологии увеличения резервной области твердотельного накопителя, рассмотрим корпоративные твердотельные накопители компании Kingston, например, DC500R. Эти SSD-накопители поддерживают емкость до 3,84TБ и позволяют пользователям использовать инструмент управления накопителем Kingston для регулирования его резервной области. Регулируя размер резервной области, мы можем увидеть влияние на производительность и эксплуатационный ресурс, используя уровни 7% или выше.

Сравнивая каждую пару емкостей, можно увидеть следующее:
  1. Большая емкость дисков (меньшое увеличение резервной области твердотельного накопителя) в каждой паре может поддерживать одинаковую скорость передачи (пропускную способность), но количество операций ввода-вывода в секунду (IOPS) при произвольной записи значительно снижается. Это означает, что диски с меньшим уровнем увеличения резервной области будут подходить для использования приложений с интенсивным считыванием, но могут медленнее работать при записи ресурсоемких приложений по сравнению с дисками с увеличением резервной области на 32%.
  2. Меньший уровень увеличения резервной области также означает, что показатель TBW будет ниже. Чем выше процент увеличения резервной области твердотельного накопителя, тем дольше накопитель может работать. Накопитель DC500R с емкостью 960 ГБ может вместить до 876 TБ записанных данных, в то время как накопитель DC500R с емкостью 800 ГБ может достичь показателя TBW (объем данных, который можно записать) на уровне 860 ТБ. Значения TBW компания Kingston определяет с помощью рабочих нагрузок JEDEC.{{Footnote.N52105}}.
  3. Когда значения TBW переводятся на допустимое количество перезаписей всего объема накопителя в день (DWPD) в течение гарантийного срока, мы можем видеть, что диски с увеличением резервной области на 32% демонстрируют почти в 2 раза большее значение количества записей в день. Вот почему увеличение резервной области на 32% рекомендуется для приложений с более интенсивной записью.