Siyah makine kasası arka planı üzerinde bir Kingston eMMC birimi.

eMMC Kullanım Ömrünü Tahmin Etme, Doğrulama ve İzleme

Oca 2023

NAND veri yolu tarafından gerçekleştirilen işlemler

NAND Flash veri saklama sistemi, basit bir okuma/yazma veri ortamı değildir. Güvenilir kullanım için çeşitli algoritmalar uygulanmalıdır: NAND blok yönetimi, çöp toplama, hata kontrolü ve yıpranma dengeleme. Modern NAND Flash, ana makine işlemcisinde yer almayan, veri saklama cihazındaki algoritmalarla yönetilir. Bu, NAND yönetimini ana makine için daha az karmaşık hale getirdiği ve ürün desteğini ve devam ettirilebilirliğini basitleştirdiği için kullanıcılar açısından avantajlıdır.

NAND Flash'a yapılan ana bilgisayar yazma işlemleri, ortamın daha erken arızalanmasına neden olabilecek verimsizliklere sahiptir. NAND'ın en küçük organizasyonel birimi, okunabilen ve programlanabilen ancak silinemeyen sayfadır. Silinebilen tek organizasyonel birim, birçok sayfadan oluşan bloktur. Bu nedenle, bir blok silinene kadar sayfaların üzerine yazılamaz. Bloklar, zaman içinde dayanıklılık seviyelerine ulaşmalarıyla arızalanabilir. Erken arızalara yol açan kusurlar da meydana gelebilir.

NAND Flash sınırlı sayıda programlama-silme döngüsüne sahiptir. Bu sınıra ulaşılması, cihazın EoL (kullanım ömrü sonu) durumunda olduğu, yani artık güvenilir olmadığı anlamına gelir. Dayanıklılık, NAND hücrelerinin yapılandırmasına bağlı olarak değişir.

Tek Seviyeli Hücre yapılandırması: bu sistem en yüksek dayanıklılığa ve en büyük hata payına sahiptir.

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, fiziksel değil mantıksal olan 512 baytlık sektör birimlerinde okuma ve yazma yapabilir. Sektör adresleri Mantıksal Blok Adresleri ya da LBA olarak adlandırılır. Veriler değiştirildiğinde, tüm NAND bloğu silinemez ve değişmeyen sayfalarda verimsiz yıpranmaya neden olur. Bir LBA-PBA (Fiziksel Blok Adresi) eşleştirme düzeni, blok yıpranması dengelemek için daha küçük yazmalar sağlar ve buna yıpranma dengeleme adı verilir. Bir adres dönüştürme tablosu aracılığıyla LBA'lar PBA'larla eşleştirilir. Bu işlem blok yıpranmasını dengeler ve yazma hızını iyileştirir.

Adres eşleştirme işlemi aşağıdaki gibi çalışır:

eMMC sektörleri 512 bayt, NAND sayfaları ise 16kb'dir. Bir eşleme tablosu 32 sıralı sektör adresini sayfa büyüklüğünde bir birime gruplandırır.
Bir sayfa grubundaki bir sektör değiştirilirse, denetleyici o sayfa için tüm sektör grubunu okur, değiştirilen sektörleri günceller ve ardından yeni verileri yeni bir sayfaya programlar.
Güncellenen sayfa programlandıktan sonra tablo güncellenir ve eski girişin üzerine güncellenen NAND sayfasının blok ve sayfa adresi yazılır.
NAND Flash, sadece bir sektör değiştirilmiş olsa bile tam sayfayı programlamalıdır. Bu verimsizliğe Yazma Yükseltme adı verilir. NAND Flash yazma işlemlerinin eMMC cihaz seviyesi yazma işlemlerine oranına WAF (Yazma Yükseltme Faktörü) adı verilir.

Küçük, rastgele, sayfayla hizalı olmayan yeniden yazmalar genellikle yazma yükseltmesinin en büyük kaynağıdır. WAF'ı en aza indirmek için; yazmalar sayfa sınırında sayfa boyutu birimlerinin katları şeklinde hizalanmalıdır. Bu optimal birim boyutu, Genişletilmiş CSD kaydının Optimal Yazma Boyutu alanındadır.

Toplam Yazılan Bayt veya TBW'yi belirleme formülü basittir:

(Cihaz Kapasitesi x Dayanıklılık Faktörü) / WAF = TBW

Genellikle WAF 4 ile 8 arasındadır, ancak bu ana bilgisayar sisteminin yazma davranışına bağlıdır. Örneğin, büyük sıralı yazmalar daha düşük bir WAF ortaya çıkarırken, küçük veri bloklarının rastgele yazılması daha yüksek bir WAF’a yol açar. Bu tür davranışlar genellikle veri saklama cihazlarının erken bozulmasına neden olabilir.

Örneğin, 3000 dayanıklılık faktörüne ve 8 WAF'a sahip 4GB eMMC için değer:

(4GB x 3000) / 8 = 1,5TB

eMMC cihazının Toplam Yazılan Bayt değeri 1,5TB'tır. Dolayısıyla ürünün, EoL (kullanım ömrü sonu) durumuna ulaşmadan önce kullanım ömrü boyunca 1,5TB veri yazabiliriz.

TBW gereksinimlerinizi belirlemek için söz konusu cihazın günlük kullanımını tahmin edin. Örneğin, günlük 500 MB yazma kullanımına sahip bir iş yükü (ve 5 yıllık kullanım ömrü hedeflenen), 915GB'den daha yüksek bir TBW'ye ulaşabilen bir cihaza ihtiyaç duyacaktır:

0,5GB x 365 = yılda ~183GB ya da 5 yılda 915GB

TBW = (DC * EF) / WAF olduğundan, TBW bir cihaz için izin verilen maksimum WAF'ı belirlemede kullanılabilir. Cihazınızın kullanım ömrü, ürün uygulamanız için hedef TBW değerine ulaşamıyorsa, bunu iyileştirmeyi deneyebilirsiniz. Cihazı TLC veya MLC'den hücre başına tek bit moduna dönüştürerek dayanıklılığı on kat artırabilen Sözde Tek Seviyeli Hücre moduna almayı değerlendirebilirsiniz. Ancak bu durum kapasiteyi önemli ölçüde azaltır: Hücre başına iki bitlik bir MLC cihazı için %50 ve üç bitlik bir TLC cihazı için %66'dan fazla. Bu çözüm sizi memnun etmiyorsa, aynı iş yükünü kaldıracak daha büyük bir cihaz seçmek de işe yarayabilir. İki kat daha fazla kapasiteye sahip bir cihaz iki kat daha fazla TBW'ye sahip olacaktır.

Kingston'ın eMMC algoritmaları, düşük bir yazma yükseltme faktörüne ulaşmaktadır. Performans, kullanım ömrü ve güvenilirliği dengelemek için birden fazla çok sayıda yapılandırma sunuyoruz. Cihazın eskime durumu, tüm eMMC cihazlarında ortak bir özellik olan EXT_CSD'de yer alan JEDEC kullanım ömrü tahmini araçları kullanılarak izlenebilir. Kullanım ömrü, cihazın dayanıklılığına bağlı olarak %10'luk adımlarla gösterilir. Araçlardan biri TLC veya MLC konfigürasyonlu NAND Flash bloklarının eskime durumunu gösterirken, diğeri pseudo-SLC modunda yapılandırılmış blokların eskime durumunu verir. Kingston eMMC cihazlarında, cihazın ortalama blok eskime durumunu vermek için sağlayıcı komutları da bulunmaktadır. Bunlar JEDEC araçlarından daha hassastır ancak kullanımı için biraz yazılım geliştirme gerektirir. Alternatif olarak, daha kapsamlı analiz için eskiyen cihazınızı Kingston'a gönderebilirsiniz.

#KingstonIsWithYou