Unit eMMC Kingston dengan latar belakang casing komputer hitam.

Melakukan Estimasi, Validasi & Pemantauan Siklus Masa Pakai eMMC

Jan 2023

Penyimpanan Flash NAND bukan media data baca/tulis biasa. Beberapa algoritma berikut harus diterapkan agar penyimpanan Flash dapat digunakan dengan andal: Manajemen blok NAND, pengumpulan sampah (garbage collection), kontrol kesalahan, dan perataan keausan (wear leveling). Flash NAND yang modern dapat dikelola dengan algoritma pada perangkat penyimpanan dan bukan diterapkan pada prosesor komputer host. Hal ini demi keuntungan penggunanya karena memudahkan manajemen NAND untuk komputer host serta menyederhanakan dukungan dan kesinambungan produk.

Proses tulis yang dilakukan komputer host pada Flash NAND mengandung inefisiensi yang dapat menyebabkan kerusakan lebih dini pada media. Unit organisasi terkecil pada NAND adalah page, yang dapat dibaca dan diprogram, tetapi tidak dapat dihapus. Satu-satunya unit organisasi yang dapat dihapus adalah blok, yang terdiri dari banyak page. Oleh karena itu, page di dalam suatu blok tidak dapat ditulis tindih hingga blok itu dihapus. Seiring waktu, blok dapat mengalami kerusakan karena tingkat ketahanannya tercapai. Cacat yang menyebabkan kerusakan dini juga dapat terjadi.

Flash NAND memiliki ketersediaan siklus program-hapus yang terbatas. Jika batas itu dicapai, perangkat masuk ke keadaan akhir masa pakai (EoL), yang berarti bahwa perangkat itu sudah tidak andal. Ketahanan bervariasi bergantung pada konfigurasi sel NAND.

Konfigurasi Sel Tingkat Tunggal (Single Level Cell): pengaturan ini memiliki ketahanan tertinggi dan margin kesalahan terbesar.

eMMC LBA 512B Sector Address	NAND Page & Block Address
0:31	Blk10, Pg101
32:63	Blk10, Pg102
64:95	Blk10, Pg103
96:127	Blk10, Pg104
128:159	Blk15, Pg57
160:191	Blk8, Pg129
192:223	Blk10, Pg107
224:255	Blk22, Pg88

eMMC membaca dan menulis ke unit sektor berukuran 512 byte yang bersifat logis, bukan fisik. Alamat sektor disebut Alamat Blok Logis atau LBA (Logical Block Addresses). Ketika data diubah, penghapusan blok NAND secara keseluruhan menjadi tidak praktis karena menyebabkan keausan yang tidak efisien pada page yang tidak berubah. Skema pemetaan LBA-PBA (Alamat Blok Fisik/Physical Block Address) memberikan proses tulis yang lebih sedikit untuk menyeimbangkan keausan blok. Praktik ini disebut wear leveling (perataan keausan). LBA dipetakan ke PBA dengan menggunakan tabel penerjemahan alamat. Proses ini menyeimbangkan keausan blok dan meningkatkan kecepatan tulis.

Proses pemetaan alamat bekerja sebagai berikut:

Sektor eMMC berukuran 512 byte, sedangkan page NAND berukuran 16 kb. Tabel pemetaan mengelompokkan 32 alamat sektor yang berurutan menjadi satu unit yang seukuran dengan page.
Jika ada perubahan pada satu sektor di satu kelompok page, pengontrol membaca kelompok sektor untuk page itu secara keseluruhan, memperbarui setiap sektor yang berubah, lalu memprogram data baru kembali ke satu page baru.
Setelah page yang diperbarui selesai diprogram, tabel akan diperbarui dengan menulis tindih entri sebelumnya dengan alamat blok dan page dari page NAND yang telah diperbarui itu.
Flash NAND tetap harus memprogram satu page penuh meskipun hanya satu sektor yang diubah. Inefisiensi ini disebut Amplikasi Tulis (Write Amplification). Rasio tulis Flash NAND terhadap proses tulis di tingkat perangkat eMMC adalah Faktor Amplikasi Tulis atau WAF (Write Amplification Factor).

Penyebab terbesar amplikasi tulis biasanya adalah proses tulis ulang yang berukuran kecil, acak, dan tidak diselaraskan dengan page. Untuk meminimalkan WAF, proses tulis harus diselaraskan pada batasan page dalam unit berukuran beberapa page. Ukuran unit yang optimal ini terdapat pada bidang Ukuran Tulis Optimal (Optimal Write Size) pada register Extended CSD.

Rumus untuk menentukan Total Bytes Written, atau TBW, cukup mudah:

(Kapasitas Perangkat * Faktor Ketahanan) / WAF = TBW

Nilai WAF yang sering adalah antara 4 dan 8, tetapi nilai ini tergantung perilaku tulis dari sistem host. Misalnya, proses tulis berurutan yang besar menghasilkan WAF yang lebih rendah, sementara proses tulis acak pada blok data yang kecil menghasilkan WAF yang lebih tinggi. Perilaku seperti ini sering kali dapat menyebabkan kerusakan perangkat penyimpanan secara dini.

Misalnya, eMMC 4 GB dengan faktor ketahanan sebesar 3.000 dan WAF sebesar 8 akan menghasilkan:

(4GB * 3.000) / 8 = 1,5TB

Total Bytes Written dari perangkat eMMC itu adalah 1,5 TB. Oleh karena itu, kita dapat menulis data sebanyak 1,5 TB selama siklus masa pakainya sebelum produk itu mencapai keadaan akhir masa pakai (EoL).

Untuk memperkirakan persyaratan TBW Anda, estimasikan penggunaan harian dari perangkat bersangkutan. Misalnya, suatu beban kerja dengan fitur penggunaan proses tulis harian sebesar 500MB (dan siklus masa pakai yang diharapkan adalah 5 tahun) akan memerlukan perangkat yang dapat mencapai TBW lebih besar dari 915 GB:

0,5 GB * 365 = ~183 GB dalam setahun, atau 915 GB selama 5 tahun

TBW dapat digunakan untuk menentukan WAF maksimum yang diizinkan untuk satu perangkat, karena TBW = (Kapasitas Perangkat * Faktor Ketahanan) / WAF. Jika masa pakai perangkat tidak dapat mencapai TBW sasaran untuk penggunaan produk, Anda dapat mencoba meningkatkannya. Pertimbangkan untuk menggunakan mode Sel Tingkat Tunggal Pseudo (Pseudo Single Level Cell) pada perangkat, yang dapat meningkatkan ketahanannya sepuluh kali lipat dengan mengubah perangkat dari TLC atau MLC menjadi mode satu bit tunggal per sel. Namun, mode ini mengurangi kapasitas dengan sangat drastis: 50% untuk perangkat MLC dua bit per sel, dan lebih dari 66% untuk perangkat TLC tiga bit. Jika solusi ini tidak memuaskan bagi Anda, solusi yang juga membantu adalah memilih perangkat yang lebih besar untuk menangani beban kerja yang sama. Perangkat berkapasitas dua kali lebih besar akan memiliki TBW dua kali lipat.

Algoritma eMMC Kingston menghasilkan faktor amplikasi tulis yang rendah. Kami menawarkan beberapa konfigurasi untuk menyeimbangkan kinerja, masa pakai, dan keandalan. Usia perangkat dapat dipantau dengan menggunakan alat estimasi masa pakai JEDEC yang terdapat di EXT_CSD, fitur yang terdapat di semua perangkat eMMC. Masa pakai dilaporkan dengan inkremen sebesar 10% berdasarkan ketahanan perangkat. Satu alat melaporkan umur blok Flash NAND yang dikonfigurasi TLC atau MLC, sementara alat lainnya melaporkan umur blok yang dikonfigurasi dalam mode pseudo-SLC. Perangkat eMMC Kingston juga memiliki perintah vendor untuk memberikan rata-rata umur blok pada perangkat. Perintah ini memberikan hasil yang lebih tepat daripada alat JEDEC, tetapi memerlukan sedikit pengembangan perangkat lunak untuk digunakan. Kemungkinan lainnya, perangkat lama Anda dapat dikirim ke Kingston untuk memperoleh analisis yang lebih komprehensif.

#KingstonIsWithYou