ИТ-решения


cm-icon_01
cm-icon_02
cm-icon_03

  
52973_zeichen_1

Особенности современных SSD-дисков

07 Дек 2010

Особенности современных  SSD-дисков

 

   Будущее систем хранения данных за SSD – дисками, которые в дальнейшем вытеснят с рынка HDD-диски, так как высокая  производительность, бесшумная работа, энергосбережение. Это самое важное для ноутбуков.  SSD - диски не уступают HDD -дискам в характеристике - среднее время наработки на отказ (MTFB). Это свыше миллиона часов против 300 тыс. Серьезные недостатки SSD – дисков  в емкости. 2,5 – дюймовый SSD – диск вмещает 512 Гбайт,  3,5 – дюймовый HDD – диск – 3 Тбайт. Цена тоже играет отрицательную роль для SSD – в несколько раз выше HDD.

Оптимальным решением для повышения производительности настольного ПК  - комбинация одного SSD – диска и одного или несколько HDD – дисков. В этом случае на SSD – операционная система, на HDD – для хранения данных.

Ячейка флеш-памяти SSD – диска

  n-канальный MOSFET-транзистор (структура n-p-n). Для хранения информации предназначен плавающий затвор. Транзистор выполнен из поликристаллического кремния полностью окруженного слоем диэлектрика. Наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе определяет состояние транзистора. Отсутствие управляющего напряжения на затворе – транзистор закрыт, при подаче порогового значения напряжения  на затвор – состояние транзистора определяется  наличием заряда на плавающем затворе: заряд есть – транзистор закрыт, выходное напряжение высокое, заряда нет – транзистор открыт, выходное напряжение низкое. Закрытое состояние – логический ноль. Открытое - логическая единица. Элементарная ячейка памяти сохраняющая один бит информации. Помещается  заряд на плавающий затвор методом инжекции горячих электронов (CHE – Channel Hot Electrons), либо методом туннелирования Фаулера – Нордхейма. При организации массива памяти  каждая ячейка памяти (транзистор) подключается к двум перпендикулярным шинам : управляющие затворы – к шине (линия слов), стоки – к шине (битовая линия).

Другой тип ячеек памяти – ячейка SST компании Silicon Storage Technology, Inc. В таком транзисторе управляющий затвор  выровнен своим краем с краем стока, изогнутая форма дает возможность разместить плавающий затвор  частично под ним и под областью истока. При помещении заряда на плавающий затвор сток заземляется, положительное напряжение подается к истоку и управляющему затвору. Управляющий затвор – канал проводимости, напряжение между стоком и истоком «разгоняет» электроны для туннелирования  на плавающий затвор.

Подобные типы ячеек называются одноуровневые (Single Level Cell, SLC). Ячейки, каждая из которых сохраняет по нескольку битов – многоуровневые (Multi Level Cell, MLC). То есть, если есть возможность размещать на плавающем затворе разное количество уровней заряда , каждому из которых соответствует свое значение порогового напряжения, в одной ячейке памяти  можно хранить несколько битов информации. Чтобы записать в одну ячейку 4 бита, необходимо различать  16 пороговых напряжений ( комбинации 0 и 1). Технология памяти на основе MLC разрабатывается  компанией Intel, называется Intel StrataFlash. SLC- ячейки памяти обеспечивают более высокую скорость чтения и записи, поэтому SSD на основе  SLC используются в серверах.

     Существует несколько типов архитектуры флэш-памяти (способ объединения ячеек памяти в единый массив). Сегодня наибольшее распространение получили архитектуры NOR  и NAND. В SSD-дисках применяется NAND.  Архитектура NAND соответствует логической операции «И-НЕ». Операция NAND дает нулевое значение , когда все операнды равны нулю, единичное значение во всех остальных случаях. Архитектура NAND построена на последовательном  способе соединения транзисторов, сток каждого транзистора связан с истоком соседнего, в серии нескольких последовательно соединенных транзисторов только один оказывается подключенным к линии битов. В схеме соединения NAND- транзисторов с плавающим затвором к группе последовательно соединенных транзисторов с обоих концов подключаются  транзисторы без плавающего затвора (изоляция от земли, битовой линии) подключают всю группу транзисторов к битовой линии при их инициализации. Для того, чтобы получить доступ к отдельной ячейке необходимо на затвор транзистора , соответствующего этой ячейке памяти, подать пороговое значение напряжения, а на затворы всех остальных – напряжение, превышающее значение порогового. Все транзисторы переходят в открытое состояние , напряжение на битовой линии определяется наличием или отсутс. твием заряда на плавающем затворе транзистора той ячейки памяти, к которой реализуется доступ.

   Логическое построение NAND-флэш-памяти:

На низшем уровне – ячейка памяти, массив – вмещает 4 Кбайт памяти(страница памяти). Блок памяти – 128 страниц, т.е. 512 Кбайт, массив 512 Мбайт – 1024 блока памяти. В флэш-памяти операции чтения и записи возможны страницами по 4 Кбайт, стирание – блоками по 512 Кбайт (записанная информация не может быть перезаписана пока не будет удалена).

    Запись операций. В флэш-память данные записываются последовательно (по

4 Кбайт)  в следующую по порядку свободную страницу. Логический адрес записываемой страницы (LBA) сопоставляется с физическим адресом (PBA) – адресом во флэш-памяти. Таблица соответствия этих адресов располагается в оперативной памяти SSD-диска. Страницы с устаревшими данными не перезаписываются  и не удаляются. Соответствующие страницы памяти не помечаются к удалению  в таблице соответствия LBA и PBA – адресов. Заполненный диск может показаться пустым, но удаление данных с диска на уровне О.С. не означает удаления их из флэш-памяти. При случайной записи все данные пишутся последовательно в страницы памяти. При перезаписи данных происходит последовательная запись в  следующие по порядку свободные страницы  памяти. В таблице соответствия логических и физических адресов те страницы, в которые эти данные были записаны ранее, помечаются как содержащие устаревшие данные (помечаются к удалению). Механизм перемещения данных, то есть избавление от блоков со страницами, помеченными к удалению, используется по мере заполнения диска, с помощью как пустых, так и резервных блоков – сбор «мусора» (Garbage Collection). Количество циклов перезаписи ячеек флэш-памяти ограничено, процедура Garbage Collection с выбором блока с наибольшим количеством страниц, помеченных к удалению, позволяет продлить время жизни SSD – диска. Резервная область, то есть резерв блоков для перемещения данных – разница между емкостью диска в двоичной и десятичной интерпретации. Любой блок памяти может быть и резервным, и доступным для записи, расположение резервных блоков динамически меняется во времени. Bad-блок –ошибка при записи. Все Bad – блоки автоматически помечаются как резервные.

    Разница между  последовательной и случайной записью SSD- диска.

За счет эффективного использования  технологии перемещения данных скорость случайной записи всегда ниже скорости последовательной записи. Разница в принципах формирования и оптимизации таблицы соответствия  LBA-PBA , которая не содержит отдельных записей для каждого сектора, оперирует блоками переменной длины. По мере заполнения таблицы начинается процедура оптимизации. Процесс оптимизации- объединение разрозненных фрагментов в один непрерывный сегмент. При случайной записи необходимо постоянно оптимизировать таблицу, поэтому производительность диска падает.

     Повысить долговечность SSD – диска : необходимо равномерное использование  всех ячеек памяти. Для этого применяется механизм Wear Leveling: контроллер диска отслеживает частоту использования блоков памяти, и если какие-то блоки применяются реже других, он принудительно повышает частоту их использования . Wear Leveling принудительно перезаписывает неиспользуемые блоки данных в другие блоки, высвобождая их для применения.

     Слабое место SSD-дисков – операции случайной записи, снижение производительности по мере эксплуатации. Чтобы повысить производительность SSD – диска необходимо увеличить размер резервной области за счет сокращения области диска, доступной для записи, тем самым увеличить количество блоков памяти для перемещения данных. Один из вариантов - создать на диске логический раздел (partition) меньше физического размера диска. Не применяемое для логического раздела пространство автоматически становится резервной областью диска. В уже использованных дисках для этой цели необходимо сначала почистить диск, то есть принудительно очистить все блоки памяти. Другой способ повышения производительности – периодически производить процедуру очистки диска от «мусора», увеличивая тем самым количество пустых блоков.  Можно воспользоваться командой TRIM. Для этого необходима поддержка со стороны ОС, также SSD-диска. В операционной системе Windows 7  команда TRIM используется в операциях по удалению файлов, форматировании.

Фактически вернуть диск к первоначальному состоянию поможет  утилита HDD Eraser (запускается под DOS), очищая все блоки диска от данных.

Компания Intel выпускает для своих  SSD-дисков специальную утилиту  SSD Toolbox. Утилита  позволяет производить принудительную очистку  диска от «мусора», и тем самым повышать его производительность.

       .

                          


Смотрите также: