IDC は、2010 年から 2015 年にかけて、ソリッド ステート ドライブの出荷が世界ベースで年間複合成長率 52% で増加すると予測しています。これに対応してエンタープライズ サーバーとストレージの導入が急増していることは、メディア管理や、新しいドライブと中古ドライブの使用などの重要なコンポーネントをより深く理解することで、管理者がストレージ リソースをより適切に管理できることを意味します。
SSD は従来の回転ハード ドライブと非常によく似ているように見えますが、その類似点は表面的なものにすぎません。 SSD の内部動作を調査すると、SSD とレガシー ドライブとの共通点は実際にはほとんどないことがわかります。重要な例の 1 つは、ドライブの種類ごとに既存のデータを上書きする方法の違いです。回転ドライブは 1 回の手順で上書きしますが、NAND フラッシュ ベースの SSD では追加の手順が必要です。この概要では、SSD の「マルチステップ書き込みプロセス」について説明します。
背景: SSD 設計の基本
SSD がデータを上書きする仕組みについて最初に理解する必要があるのは、SSD がどのように構築されているかです。どの SSD にも次の基本コンポーネントがあります。
- ホストインターフェース
- プリント回路基板
- NANDコントローラー
- NAND
書き込みプロセスの違い
NAND へのデータの書き込みは、回転ハード ドライブへの書き込みとは異なります。データ (有効か無効かに関係なく) を含む NAND は最初に消去する必要があります。その後のみ、新しいデータを書き込むことができます。簡単に言うと、消去プロセスではまずブロック全体が消去されます。そうして初めて、そのブロック内のページに新しいデータを書き込むことができます。
すでにデータが入っている NAND は、新しいデータを書き込む前に消去する必要があるため、いっぱいになっている (空の/消去されたページがない) デバイスの書き込みシーケンスは、空の (または消去されたページがない) デバイスの書き込みシーケンスとは大きく異なります。受信書き込みトラフィックを吸収するのに十分な空の/消去されたページがある)。
空の/消去されたページが利用可能
空の/消去されたページを常に用意できるようにできたとします。書き込みが SSD に入るときのプロセス フローは、回転ドライブのプロセス フローと似ています。
- データがホスト インターフェイスから SSD に入り、書き込みリクエストが発生します (最終的には NAND に書き込まれます)。
- 「空のページまたは消去されたページはありますか」 (つまり、書き込み可能なページ) はありますか?図 1 では、空のページまたは消去されたページが利用可能です。
- 使用可能なページにデータを書き込みます。
この書き込みプロセスは、ドライブの回転と同様に 2 つのステップで実行されます。通常、これは、空のページや消去されたページがない SSD に書き込むよりもはるかに高速です (図 XNUMX を参照)。
空の/消去されたページが不十分です
ここで、空のページまたは消去されたページが不十分な SSD があるとします。新しいデータが SSD に書き込まれるときは、その書き込みが行われる直前にセルを消去する必要があります。
- データがホスト インターフェイスから SSD に入り、書き込みリクエストが発生します (最終的には NAND に書き込まれます)。
- 「空の/消去されたページは十分にありますか」(つまり、書き込む準備ができているページ)?図 2 では、使用可能な空のページまたは消去されたページが不十分です。
- データが無効になっているブロック、または有効なデータを移動できるブロックを見つけて、それを消去候補として適切にし、ガベージ コレクション ルーチン (次の「新しいドライブと使用済みドライブ」セクションを参照) を呼び出して、このブロックの消去を有効にします。 。
- このブロックを消去します。 (必要に応じて繰り返して、書き込みリクエストにデータを保存します。)
- 新しく消去された/空のページにデータを書き込みます。
NAND の消去には書き込みよりもはるかに時間がかかるため、ステップ 4 の完了が遅くなることがあります。NAND 消去サイクルはどれも「遅い」です (通常、MLC セルへの書き込みには 250 マイクロ秒 [μs] かかりますが、消去には 1500 μs かかります)。
新しいドライブと中古ドライブの比較
新品の SSD を使用している場合、書き込みプロセスは図 1 と同じように進みます。新しい SSD は空です。すべてのページは空で、新しいデータを受け取る準備ができているため、データの書き込み中に消去ステップが実行されることはほとんどありません。ただし、ドライブがいっぱいになると、これらの空のページまたは消去されたページの数が減り、最終的には消費されます。
SSD には、データが無効になったページを解放するバックグラウンド プロセスがあり、消去の候補となります。このバックグラウンドプロセスは「ガベージコレクション」と呼ばれます。
結論
NAND ベースの SSD がいっぱいの場合、新しいデータを書き込むプロセスは、空の SSD に書き込むプロセスとは大きく異なります。ドライブが空の場合、書き込みプロセスはドライブの回転と非常に似ています。ただし、SSD にすでにデータが含まれている場合は、追加の手順が必要です。
- SSD は、データを受け入れるのに十分な空き領域が存在するかどうかを判断する必要があります。
- そうでない場合は、ガベージ コレクション ルーチンを呼び出して有効なデータをグループ化して移動し、ブロック全体を消去できるようにします (ブロック内のページが新しいデータを受信できるようにします)。
- ブロックが消去されます。
- データが書き込まれます。
これらの追加の手順はすべて、ホストの介入なしで SSD コントローラーによって処理されますが、パフォーマンスにばらつきが生じます。
詳細については、Micron.comに掲載されているホワイトペーパー「SSDパフォーマンス状態」をご覧ください。
ダグ・ローリンズ (Micron Technology、エンタープライズ ソリッド ステート ドライブ、シニア アプリケーション エンジニア)
Doug Rollins は、2009 年にエンタープライズ SSD 製品グループのアプリケーション エンジニアとしてマイクロンに入社しました。マイクロンに入社する前は、ローリンズ氏はサーバー システム、ネットワーク アプライアンス、ストレージ プラットフォーム/データ保護の設計と製造、およびソリッド ステート ストレージの分野で 17 年間働いていました。ローリンズ氏は 13 件の米国特許の発明者として指名されており、ストレージ ネットワーキング産業協会 (SNIA) とインテル コーポレーションの両方から優れた技術的功績を認められています。ローリンズ氏は、フンボルト州立大学で数学の学士号を取得しました。
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