Lợi ích của dung lượng dự phòng (OP)

OP nâng cao hiệu năng của SSD như thế nào

Mỗi khối chip nhớ NAND Flash được tạo nên từ nhiều khối nhỏ, mỗi khối nhỏ bao gồm nhiều trang.

NAND Flash có thể đọc và ghi theo trang nhưng chỉ có thể xoá theo khối.

Nếu cần sửa đổi hoặc xoá một trang đơn lẻ đã được ghi trước đó trong cùng một khối, thì trước tiên toàn bộ nội dung của khối đó bao gồm nhiều trang phải được ghi vào vùng nhớ tạm, sau đó khối bị xóa đi trước khi nội dung của khối mới có thể được ghi lại vào khối đó.

Tình huống duy nhất khi một trang có thể được ghi trực tiếp vào một khối trên cùng NAND Flash mà không phải trải qua chu kỳ đọc-sửa-ghi dài dòng này là khi trang đã ở trạng thái trống.

Giữ một số lượng lớn khối trống và dự phòng thông qua việc cung cấp dung lượng dự phòng sẽ giúp giữ cho hiệu năng được nhất quán, đặc biệt trong các tình huống ghi ngẫu nhiên thể hiện hệ số khuếch đại ghi (WAF) lớn nhất.{{Footnote.N52105}}

OP nâng cao độ bền của SSD như thế nào

Để hiểu tại sao một ổ SSD lại được cấu hình với một phần dung lượng dự phòng và nó mang lại lợi ích cho bộ điều khiển SSD như thế nào, chúng ta phải đi sâu vào cách thức vận hành điển hình của một SSD và các giới hạn của bộ nhớ NAND Flash không biến đổi.

Mỗi một ô NAND Flash có tuổi thọ giới hạn, dựa trên chu kỳ ghi và xoá (P/E) được nhà sản xuất NAND Flash mô tả trong quá trình sản xuất vì mỗi một thao tác ghi hoặc xoá được thực hiện trên một ô NAND Flash sẽ làm hao mòn khả năng lưu trữ điện tích thực tế của ô đó và do đó có thể đe doạ tính toàn vẹn dữ liệu.

Tuy nhiên, khi hình học của NAND chuyển từ 2D sang 3D, độ bền NAND sẽ cải thiện, mật độ khối chip sẽ tăng lên và chi phí sản xuất sẽ giảm đi, nhờ đó SSD sẽ trở nên rẻ hơn.

Tóm tắt lại, ba yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền của SSD là:
  • Độ bền ghi/xóa và độ phức tạp đọc/ghi/xóa liên quan đến hình học của NAND Flash (Hình học trong trường hợp này bao gồm công nghệ sản xuất 2 chiều và 3 chiều)
  • Dung lượng SSD
  • Khả năng và hiệu suất của bộ điều khiển SSD (thu gom rác, khuếch đại ghi, quản lý khối, cân bằng hao mòn, mã sửa lỗi).

Giữ cho ổ đĩa hoạt động được Hiệu Quả và Bền Lâu nhờ dung lượng dự phòng OP

Để tránh tình trạng ổ SSD bị ghi hết dung lượng bởi các trang không hợp lệ, dung lượng dự phòng được chức năng thu gom rác của bộ điều khiển SSD sử dụng như một không gian làm việc tạm thời để quản lý việc kết hợp các trang hợp lệ theo lịch trình và thu hồi các khối bị lấp đầy bởi các trang không hợp lệ (hoặc bị xóa)

Mọi trang/khối thu hồi được sau đó sẽ được đưa vào phần dung lượng dự phòng để tạo chỗ cho các thao tác ghi từ bộ điều khiển SSD và nâng cao tối đa hiệu quả hoạt động của ổ đĩa khi khối lượng dữ liệu truyền cực cao vì việc đọc, xoá, sửa và ghi lại tất cả các trang hợp lệ vào một khối đã gần đầy các trang không hợp lệ có thể sẽ chậm chạp.

Tính năng thu gom rác hoạt động độc lập với hệ điều hành và tự động chạy khi ổ đĩa ít làm việc, theo chu kỳ hoặc bằng cách đưa ra lệnh Quản lý Tập hợp Dữ liệu ATA TRIM tương ứng để lên lịch cho hoạt động thu gom rác.

Một số khối trống luôn dành sẵn dung lượng dự phòng để hỗ trợ cho việc duy trì hao mòn đều (wear-leveling) trên ổ NAND Flash một cách hiệu quả khi bộ điều khiển SSD phân phối lại một cách thông minh các thao tác ghi trên tất cả các ô nhớ NAND Flash một cách đồng đều mà không ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động tổng thể của SSD khi khối lượng dữ liệu truyền cực cao

Ngoài ra, lệnh Quản lý Tập hợp Dữ liệu ATA TRIM có thể tăng dung lượng khả dụng của SSD bằng cách thu hồi mọi trang không hợp lệ và dung lượng người dùng chưa sử dụng.

Dung lượng ổ đĩa được định dạngKích thước dung lượng dự phòngBăng thông đọc/ghi tuần tựTốc độ đọc/ghi mỗi giây 4k ngẫu nhiên ở trạng thái ổn địnhTBW (JEDEC Doanh nghiệp {{Footnote.N52105}})DWPD{{Footnote.N37134}}
480GB (DC500R) 7% 550/500MB/s 98K / 12K IOPS 438 0.5
480GB (DC500M) 32% 555/520MB/s 98K / 58K IOPS 1139 1.3
960GB (DC500R) 7% 555/520MB/s 98K / 20K IOPS 876 0.5
960GB (DC500M) 32% 555/520MB/s 98K / 70K IOPS 2278 1.3
1920GB (DC500R) 7% 555/520MB/s 98K / 24K IOPS 1752 0.5
1920GB (DC500M) 32% 555/520MB/s 98K / 75K IOPS 4555 1.3
3840GB (DC500R) 7% 555/520MB/s  98K / 28K IOPS  3504  0.5
3840GB (DC500M)  32% 555/520MB/s  98K / 75K IOPS 9110  1.3
Dung lượng dự phòng dựa trên dung lượng và loại ứng dụng

Để hiểu các tác động của OP, chúng ta hãy xem xét một ổ SSD doanh nghiệp của Kingston, SSD DC500R, để minh họa. Những SSD này khi xuất xưởng có dung lượng lên đến 3,84TB và cho phép người dùng sử dụng công cụ Kingston SSD Manager để điều chỉnh dung lượng dự phòng.  Bằng cách điều chỉnh kích thước OP, chúng ta có thể thấy được ảnh hưởng của nó lên hiệu quả hoạt động và độ bền của ổ đĩa khi sử dụng mức OP 7% hoặc lớn hơn.

Khi so sánh mỗi cặp dung lượng, chúng ta có thể thấy những điều sau:
  1. Các ổ có dung lượng cao hơn (OP thấp hơn) trong mỗi cặp có thể giữ được tốc độ truyền (băng thông) bằng nhau Tốc độ Đọc/Ghi Mỗi giây (IOPS) ngẫu nhiên bị giảm sút đáng kể. Điều này có nghĩa rằng ổ có OP thấp hơn sẽ hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng đọc nhiều nhưng có thể chậm hơn trong các ứng dụng ghi nhiều so với những ổ có OP 32%.
  2. Dung lượng dự phòng thấp hơn cũng có nghĩa là Tổng Số Byte Ghi Được (TBW) tính bằng terabyte trên mỗi ổ sẽ thấp hơn. Số phần trăm OP càng lớn thì ổ càng có thể hoạt động lâu. Một ổ DC500R 960GB có thể chứa đến 876TB dữ liệu được ghi trong khi ổ DC500R 800GB có thể đạt mức 860TBW. Các số TBW được Kingston cung cấp sử dụng khối lượng công việc JEDEC để làm chuẩn{{Footnote.N52105}}.
  3. Khi số TBW được chuyển thành Số Thao tác Ghi lên Ổ Mỗi ngày (DWPD) trong khoảng thời gian bảo hành, chúng ta có thể thấy rằng ổ có OP 32% đạt gần gấp đôi số thao tác ghi mỗi ngày. Đó là lý do tại sao mức PO 32% lại được đề xuất cho các ứng dụng ghi nhiều hơn.