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                SSD的寫入放大技術是什麽-Write amplification

                2012-07-01 23:16 來源: 本站整理 作者:U盤量產網 瀏覽量:13675次
                基本SSD操作方式


                寫入放大(WA)是閃存和固態硬盤之間相關聯的一個屬性,因為閃存必須先刪除才能改寫(我們也叫“編程“),在執行這些操作的時候,移動(或重寫)用戶數 據和元數據(metadata)不止一次。這些多次的操作,不但增加了寫入數據量,減少了SSD的使用壽命,而且還吃光了閃存的帶寬(間接地影響了隨機寫 入性能)。許多因素會影響到SSD的寫入放大,下面我就來稍微詳細的解釋一下。

                早在2008年,Intel公司和SiliconSystems公司(2009 年被西部數字收購)第一次提出了寫入放大並在公開稿件裏用到這個術語。他們當時的說法是,寫入算法不可能低於1,但是你以為我就這點本事嗎這種說法在2009年被 SandForce打破,SandForce說他們的寫入放大是0.5。


                由於閃存的運作特性,數據不能像在普通機械硬盤裏那樣被直接覆蓋。當數據第一次寫入SSD的時候,由於SSD內所有的顆粒都為已』擦除狀態,所以數據能夠以 頁為最小單位直接寫入進去(一般是4K,參考顆粒資料),SSD上的主控制器,使用了邏輯和物理的映射系統來管理著閃存。(邏輯我們一般︽指的是LBA,而 物理指的是FTL)。當有新的數據寫入時需要替換舊的數據時,SSD主控制器將把新的數據寫入到另外的空白的閃存空間上(已擦除狀態)然和雲嶺峰後更新邏輯LBA 地址來指向到新的物理FTL地址。而舊的地址內這樣做算得是最好容就變成了無效的數據,但是要在上面再次寫入的話,就需要首先擦除掉這個無效數據。(閃存運作特性,寫入最 小單位是頁,而擦除最小單位是塊,一般為128~256個頁)
                那麽問題就來了,閃存有編程和擦除的次數限制,這樣每次的編程/擦除就叫做1個P/E(program/erase cycles)周期,大家應該都知道MLC一般是5000~10000次,而SLC是10萬次左右(查閃存資料)。也就是說寫入放你是第一個讓我如此吃虧大越低,P/E周期就越 少,閃存壽命就越久。

                 

                寫入放大的計算


                2008年,Intel公司和SiliconSystems公司(2009 年被西部數字收購)第一次提出了寫入放大並在公開稿件裏用到這個術語。所有的SSD都有一個寫入放大值,這個數值臉上也露出了笑意是非固定的,取決※於這個SSD寫入的數據 是隨機的還是持續的?寫入量是多少?主控做了那些操作,等等。

                計算寫入放大的公式大致是這樣:

                對於單次操卐作,最簡單的例子,比如我要寫入一個4KB的數據,最壞的情況就是,一個塊裏已經沒有幹凈空間了,但是有無效數據可以擦除,所以主控就把所有的 數據讀出來,擦除塊,再加上這個4KB新數據寫回去,這個操作帶來的寫入放大就是: 我實際寫4K的數據,造成了整你認為是哪一位強者個塊(512KB)的寫入操作,那就是128倍放大。同時帶來了原本只需要簡單的寫4KB的操作變成讀取(512KB),擦 (512KB),改寫(512KB),造成了延遲大大增加,速度慢是自然了。

                影響寫入放大的因素


                許多因素影響SSD的寫入放大。下面我列出了主要因素,以及它們如何影響寫放大。

                1. 垃圾回收(GC) Garbage collection    ---   雖然增加了寫入放大,但是速度有提升。

                這個比較特殊的算法用來整理,移動,合並,刪除閃存塊來提升效率。

                2. 預留空間(OP) Over-provisioning  ---  減少寫入放大,好。(預留空間越大,寫入放大越低)  

                在SSD的閃存上劃出一部分空間〖留給主控做優化,用戶不能操作的空間。

                3. TRIM   開啟後可以減少寫入放大,好。

                一個ATA指令,由操作系統發送給SSD主控,告訴主控哪些數據是無效的並且可以不用做垃圾回收操作。

                4. 可用容量   減少寫入放大,好。(可用空間越大,寫入放大越低)

                用戶使用中沒有用到的空間,需要有Trim支持,不然不會影響寫入放大。

                5. 安全擦除 Secure Erase  減少寫入放大,好

                清除所有用戶數據和相關元數據,讓SSD重置到初始性能。

                6. 靜動數據分離① Separating Static and Dynamic Data 減少寫入放大,好

                分組常改寫和不常改寫的數據。

                7. 持續寫入 Sequential writes        減少寫入放大,好

                理論上來說,持續寫入的寫入放大為1,但是某些因素還是會影響這個數♂值。

                8. 隨機寫入 Random writes  提高寫入地位放大,不好

                隨機寫入會寫入很多非連續的LBA,將會大大提升寫入放大。

                9. 磨損平衡(WL) Wear Leveling    直接提高寫入放大,不好

                確保閃存的每個塊被寫入的次數相等的一種機制。

                詳細解釋


                垃圾回收 Garbage collection

                 
                一旦SSD的所有塊都已經寫入了一次,SSD主控制器將會初始化那些包含無效數據的塊。(陳舊數據,這些塊裏的數據已經被更新的數據替換,已經無】效了,沒 了LBA地址),現在他們正在等待被刪除,以便新的數據可以寫入其中,如何優化並整理這些個等待被刪除的無々效數據,這個算法被稱為垃圾收集(GC)。我們 可以看出這個操作是要有前提的,就是SSD必須要支持Trim技術,不然GC就顯不出他的優勢了(這也是為啥目前只有支持Trim的SSD才會有GC功 能),而GC的本質區別是它們何時處■理?效率多少?


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