Gestion des médias dans les disques SSD : opérations d'écriture en plusieurs étapes

Entre 2010 et 2015, IDC prévoit que les expéditions de disques SSD devraient augmenter d'un taux de croissance annuel composé de 52 % à l'échelle mondiale. L'augmentation correspondante de l'adoption des serveurs et du stockage d'entreprise signifie qu'une meilleure compréhension des composants critiques tels que la gestion des médias et l'utilisation de nouveaux disques par rapport aux disques usagés peut aider les administrateurs à mieux gérer les ressources de stockage.

Les SSD peuvent sembler très similaires aux disques durs rotatifs conventionnels, mais la similitude n'est que superficielle. Un examen du fonctionnement interne d'un SSD révèle que les SSD partagent en réalité très peu de choses en commun avec les anciens disques. Un exemple clé est la différence dans la manière dont chaque type de disque écrase les données existantes : les disques rotatifs écrasent en une seule étape, alors que les SSD basés sur Flash NAND nécessitent des étapes supplémentaires. Ce dossier examine le "processus d'écriture en plusieurs étapes" pour les SSD.

Contexte : les bases de la conception de SSD

La première chose à comprendre sur la façon dont les SSD écrasent les données est la façon dont les SSD sont construits. Tout SSD possède les composants de base suivants :

• Interface hôte
• Circuit imprimé
• Contrôleur NAND
• NON

Différences de processus d'écriture

La date écrit différemment sur NAND qu'elle n'est écrite sur un disque dur rotatif - NAND qui contient des données (valides ou invalides) doit d'abord être effacée; alors seulement, de nouvelles données pourront y être écrites. En un mot, le processus d'effacement efface d'abord un bloc entier ; ce n'est qu'alors que les pages de ce bloc pourront recevoir de nouvelles données écrites.

Étant donné que la NAND qui contient déjà des données doit être effacée avant que de nouvelles données puissent y être écrites, la séquence d'écriture d'un périphérique plein (n'ayant pas de pages vides / effacées) est très différente de celle d'un périphérique vide (ou a suffisamment de pages vides/effacées pour absorber le trafic d'écriture entrant).

Pages vides/effacées disponibles

Supposons que nous puissions nous assurer d'avoir des pages vides/effacées prêtes à tout moment. Au fur et à mesure que l'écriture arrive dans le SSD, le flux de processus ressemblerait à celui d'un lecteur rotatif :

1. Les données entrent dans le SSD à partir de l'interface hôte, ce qui entraîne une demande d'écriture (qui sera éventuellement écrite sur la NAND).
2. "Y a-t-il des pages vides/effacées" (c'est-à-dire des pages prêtes à être écrites) ? Dans la Figure 1, des pages vides/effacées sont disponibles.
3. Écrivez les données dans les pages disponibles.

Ce processus d'écriture s'effectue en une seule étape, tout comme les disques rotatifs. En règle générale, cela est beaucoup plus rapide que d'écrire sur un SSD sans pages vides/effacées (comme illustré à la figure 2).

Nombre insuffisant de pages vides/effacées disponibles

Supposons maintenant que nous ayons un SSD avec un nombre insuffisant de pages vides/effacées. Au fur et à mesure que de nouvelles données sont écrites sur le SSD, cela nécessite que les cellules soient effacées immédiatement avant que cette écriture ne se produise :

1. Les données entrent dans le SSD à partir de l'interface hôte, ce qui entraîne une demande d'écriture (qui sera éventuellement écrite sur la NAND).
2. "Y a-t-il suffisamment de pages vides/effacées" (c'est-à-dire de pages prêtes à être écrites) ? Dans la figure 2, le nombre de pages vides/effacées disponibles est insuffisant.
3. Localisez un bloc dont les données ont été invalidées ou dont les données valides peuvent être déplacées, ce qui en fait un bon candidat à l'effacement, puis appelez la routine de récupération de place (voir la section Nouveaux disques contre disques utilisés qui suit) pour permettre l'effacement de ce bloc .
4. Effacez ce bloc. (Répétez autant de fois que nécessaire pour stocker les données dans la demande d'écriture.)
5. Écrivez les données sur les pages nouvellement effacées/vides.

L'étape 4 peut être lente car l'effacement de la NAND prend beaucoup plus de temps que l'écriture. Tout cycle d'effacement de la NAND est « lent » (généralement, il faut 250 microsecondes [µs] pour écrire sur une cellule MLC, mais 1500 XNUMX µs pour l'effacer).

Disques neufs vs disques usagés

Si vous utilisez un tout nouveau SSD, le processus d'écriture se déroule de la même manière qu'à la figure 1. Un nouveau SSD est vide ; toutes ses pages seront vides et prêtes à recevoir de nouvelles données, de sorte que l'étape d'effacement est rarement effectuée pendant l'écriture des données. Cependant, au fur et à mesure que le lecteur se remplit, le nombre de ces pages vides/effacées diminue et finira par être consommé.

Il existe un processus d'arrière-plan dans les SSD qui libère les pages dont les données ont été invalidées, ce qui en fait de bons candidats à l'effacement. Ce processus d'arrière-plan est appelé "nettoyage de la mémoire".

Conclusion

Si un SSD basé sur NAND est plein, l'écriture de nouvelles données sur celui-ci est un processus très différent de l'écriture sur un SSD vide. Si le lecteur est vide, le processus d'écriture est très similaire à la rotation des lecteurs. Cependant, si le SSD contient déjà des données, des étapes supplémentaires sont nécessaires :

1. Le SSD doit déterminer s'il existe suffisamment d'espace libre pour accepter les données.
2. Si ce n'est pas le cas, il appelle sa routine de récupération de place pour regrouper et déplacer des données valides afin qu'un bloc entier puisse être effacé (afin que les pages du bloc puissent recevoir de nouvelles données).
3. Le bloc est effacé.
4. Les données sont écrites.

Ces étapes supplémentaires sont toutes gérées par le contrôleur SSD sans intervention de l'hôte, mais entraînent une variation des performances.

Pour plus d'informations, consultez le livre blanc « États de performance des SSD » sur Micron.com.

Doug Rollin (Ingénieur principal des applications, Disques SSD d'entreprise, Micron Technology)
Doug Rollins a rejoint Micron en 2009 en tant qu'ingénieur d'applications au sein du groupe Enterprise SSD Products. Avant de rejoindre Micron, M. Rollins a passé 17 ans à travailler dans la conception et la fabrication de systèmes de serveurs, d'appliances réseau, de plates-formes de stockage/de protection des données et de stockage à semi-conducteurs. M. Rollins est l'inventeur nommé dans 13 brevets américains et a été reconnu par la Storage Networking Industry Association (SNIA) et Intel Corporation pour ses réalisations techniques exceptionnelles. M. Rollins a obtenu son baccalauréat en mathématiques de la Humboldt State University. 

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