Memahami Over-provisioning (OP) SSD

Persentase Over-provisioning =

Kapasitas Fisik - Kapasitas Pengguna

Kapasitas Pengguna

Rumus persentase Over-provisioning (OP).

Meskipun secara dimensi fisik (misalnya, tinggi, lebar, dan panjang) dan antarmuka eksternal (misalnya, antarmuka SATA atau SAS) solid-state drive (SSD) sering menyerupai Hard Disk Drive (HDD), operasi internal tingkat rendah serta komponen dalam SSD jauh berbeda dengan desain piringan magnetik bergerak yang ada pada HDD.

Setelah dirakit, produsen SSD dapat mencadangkan beberapa persen penyimpanan tambahan dari total kapasitas drive untuk tujuan Over-provisioning pada saat pemrograman firmware. Over-provisioning meningkatkan performa dan biasanya meningkatkan daya tahan SSD, membuat drive lebih awet dengan adanya Pengontrol SSD yang memiliki lebih banyak penyimpanan NAND Flash yang berguna untuk mengurangi keausan Flash NAND selama masa pakai.

Kapasitas fisik	Kapasitas pengguna	% Over-Provisioning	Kelas Penggunaan
64GB	60GB	7%	Intensif Baca
96GB	90GB	7%	Intensif Baca
128GB	120GB	7%	Intensif Baca
128GB	100GB	28%	Intensif Tulis yang Lebih
256GB	240GB	7%	Intensif Baca
256GB	200GB	28%	Intensif Tulis yang Lebih
512GB	480GB	7%	Intensif Baca
512GB	400GB	28%	Intensif Tulis yang Lebih
1024GB	960GB	7%	Intensif Baca
1024GB	800GB	28%	Intensif Tulis yang Lebih
2048GB	1800GB	14%	Intensif Baca
2048GB	1600GB	28%	Intensif Tulis yang Lebih

Over-provisioning berdasarkan kapasitas dan kelas penggunaan

Penggunaan drive dapat dikategorikan intensif baca, seperti pada beban kerja klien tertentu saat pengguna umumnya melakukan penulisan 20% dan pembacaan 80%. Penggunaan oleh perusahaan yang memanfaatkan perangkat penyimpanan untuk membaca cache dapat dikategorikan intensif baca. Akan tetapi, jika terjadi lebih banyak operasi menulis data ke perangkat penyimpanan, artinya penggunaan lebih intensif tulis.

Ukuran kapasitas OP yang ditetapkan oleh produsen SSD dapat bervariasi, tergantung pada kelas penggunaan SSD dan total kapasitas memori Flash NAND.

Drive dengan kapasitas yang lebih besar dan kelas penggunaan yang beragam biasanya dikonfigurasikan dengan over-provisioning yang secara proporsional lebih besar karena adanya kebutuhan sumber daya untuk melakukan pengelolaan lebih pada Flash NAND dengan menggunakan fitur Pengumpulan Sampah, blok cadangan, dan perlindungan data yang ditingkatkan.

Kapasitas OP bersifat tidak dapat diakses pengguna dan tidak terlihat pada sistem operasi host. OP hanya dicadangkan untuk penggunaan oleh pengontrol SSD.

Manfaat dari Over-Provisioning (OP)

Cara OP Meningkatkan Performa

Setiap die memori Flash NAND dibangun dari beberapa blok yang berisi banyak halaman.

Flash NAND dapat dibaca dan ditulis pada tingkat halaman, tetapi hanya dapat dihapus pada tingkat blok.

Jika sebuah halaman pada halaman terprogram di sebuah blok perlu dimodifikasi atau dihapus, seluruh konten dalam blok yang terdiri dari beberapa halaman harus dibaca terlebih dahulu ke dalam memori temporer, kemudian dihapus, sebelum konten baru dapat diprogram ke alamat blok yang sama.

Satu-satunya cara agar dapat menuliskan halaman langsung ke blok dalam Flash NAND tanpa melalui siklus baca-modifikasi-tulis yang rumit di atas adalah menulis saat halaman masih kosong.

Mengosongkan dan mencadangkan sejumlah besar blok melalui over-provisioning membantu menjaga konsistensi performa, khususnya pada skenario tulis acak yang menunjukkan Faktor Amplifikasi Tulis tertinggi (WAF).{{Footnote.N52105}}

Cara OP Meningkatkan Daya Tahan

Untuk memahami alasan konfigurasi over-provisioning pada SSD dan bagaimana OP dapat berguna bagi pengontrol SSD, perlu dipahami terlebih dahulu operasi dasar SSD serta batasan pada memori Flash NAND non-volatil.

Setiap sel Flash NAND memiliki masa hidup terbatas yang beragam, tergantung pada daya tahan fungsi program dan hapus (P/E) yang ditetapkan pada saat proses pembuatan oleh produsen. Hal ini disebabkan karena setiap fungsi program atau hapus yang dijalankan pada sel Flash NAND akan mengurangi kemampuan sel untuk menyimpan muatan listrik dengan baik sehingga dapat mengancam integritas data.

Meskipun demikian, sejak geometri NAND bermigrasi dari 2D ke 3D, daya tahan NAND meningkat, kepadatan die meningkat, dan biaya produksi menurun, sehingga SSD menjadi lebih terjangkau.

Singkatnya, tiga faktor utama yang mempengaruhi daya tahan SSD adalah:

Daya tahan program/hapus dari Flash NAND dan geometri terkait kompleksitas baca/program/hapus (Geometri dalam hal ini mencakup teknologi produksi 2 dimensi vs 3 dimensi)
Kapasitas SSD
Kemampuan dan efektivitas pengontrol SSD (pengumpulan sampah, amplifikasi tulis, manajemen blok, penyamarataan keausan, Kode Koreksi Kesalahan).

Menjaga Performa dan Daya Tahan melalui Over-Provisioning (OP)

Untuk menghindari terjadinya kapasitas penuh oleh halaman yang tidak valid pada SSD, over-provisioning digunakan oleh fungsi pengumpulan sampah pengontrol SSD sebagai ruang kerja sementara untuk mengelola gabungan halaman valid terjadwal dan mengklaim blok yang berisi halaman tidak valid (atau terhapus).

Halaman/blok yang diklaim kembali kemudian ditambahkan ke kapasitas yang memperoleh over-provisioning untuk mengakomodasi operasi tulis dari pengontrol SSD dan memaksimalkan performa selama beban lalu lintas puncak. Hal ini dikarenakan dampak performa operasi membaca, menghapus, memodifikasi, dan menulis kembali semua halaman yang valid ke blok yang sebagian terisi oleh halaman tidak valid dapat menjadi proses yang lambat.

Pengumpulan sampah beroperasi secara mandiri dari sistem operasi dan dipicu otomatis selama periode aktivitas rendah, secara berkala, atau dengan memberikan perintah TRIM Manajemen Data Set ATA terkait untuk menjadwalkan pengumpulan sampah.

Sejumlah blok kosong yang selalu tersedia dari kapasitas over-provisioning berguna untuk mempertahankan penyamarataan keausan yang efektif pada Flash NAND karena pengontrol SSD secara cerdas mendistribusikan ulang operasi tulis di semua sel memori Flash NAND secara merata tanpa memengaruhi kinerja keseluruhan SSD selama beban lalu lintas puncak.

Selain itu, perintah TRIM Manajemen Data Set dapat menambah jumlah ruang tersedia pada SSD dengan mengambil kembali halaman yang tidak valid dan kapasitas yang tidak digunakan.

Kapasitas Drive Terformat	Ukuran Over-Provisioning	Baca/Tulis Sekuensial	Baca/Tulis 4k Kondisi Konstan	TBW (JEDEC Enterprise{{Footnote.N52105}})	DWPD{{Footnote.N37134}}
480GB (DC500R)	7%	550/500MB/s	98,000/12,000 IOPS	438	0.5
480GB (DC500M)	32%	555/520MB/s	98,000/58,000 IOPS	1139	1.3
960GB (DC500R)	7%	555/520MB/s	98,000/20,000 IOPS	876	0.5
960GB (DC500M)	32%	555/520MB/s	98,000/70,000 IOPS	2278	1.3
1920GB (DC500R)	7%	555/520MB/s	98,000/24,000 IOPS	1752	0.5
1920GB (DC500M)	32%	555/520MB/s	98,000/75,000 IOPS	4555	1.3
3840GB (DC500R)	7%	555/520MB/s	98,000/28,000 IOPS	3504	0.5
3840GB (DC500M)	32%	555/520MB/s	98,000/75,000 IOPS	9110	1.3

Over-provisioning berdasarkan kapasitas dan kelas penggunaan

Untuk memahami efek dari OP, kami akan menguji SSD perusahaan Kingston, SSD DC500R, sebagai ilustrasi. SSD ini memuat kapasitas hingga 3.84TB dan memungkinkan pengguna menggunakan alat Manajer SSD Kingston untuk menyesuaikan over-provisioning. Dengan menyesuaikan ukuran OP, kami dapat mengetahui pengaruh dari OP dengan tingkat 7% atau lebih besar pada performa dan daya tahan SSD.

Ketika membandingkan kapasitas masing-masing pasangan, kami menemukan hal-hal berikut ini:

Drive dengan kapasitas lebih tinggi (OP lebih kecil) pada setiap pasangan dapat mempertahankan kecepatan transfer yang sama (Bandwidth), tetapi Tulis Acak IOs per detik (IOPS) turun secara signifikan. Artinya, drive dengan OP lebih kecil akan berfungsi dengan baik dalam penggunaan intensif Baca, tetapi mungkin akan lebih lambat dalam penggunaan intensif-tulis dibandingkan dengan drive yang memperoleh OP sebesar 32%.
Over-provisioning yang lebih kecil juga menunjukkan bahwa Total Byte Ditulis (TBW) dalam Terabyte pada setiap drive akan lebih rendah. Makin besar persentase OP, makin lama daya tahan SSD. DC500R 960GB dapat mengakomodasi data tertulis hingga 876TBW, sementara DC500R 800GB dapat mencapai 860TBW. Jumlah TBW diperoleh Kingston dengan menggunakan beban kerja JEDEC sebagai referensi{{Footnote.N52105}}.
Jika jumlah TBW diterjemahkan ke dalam Drive Writes Per Day (DWPD) selama masa garansi, kami dapat melihat bahwa drive dengan OP 32% hampir mencapai dua kali jumlah tulis per hari. Itulah mengapa OP 32% direkomendasikan untuk penggunaan yang memerlukan intensif tulis lebih tinggi.