Unidades SSD Tema 5: Unidades de almacenamiento SSD

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Escuela Politécnica Superior. Universidad de Burgos 65 Unidades SSD Ignacio Moreno Velasco Índice Partes fundamentales Diagrama de bloques Tecnología de fabricación NAND Flash SLC vs MLC vs TLC Arquitectura funcional Páginas vs Bloques Lectura-escritura-borrado Ventajas - Desventajas Interfaz: PCI-Express Usos Tema 5: Unidades de almacenamiento SSD

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Unidades SSD

Ignacio Moreno Velasco

• ÍndicePartes fundamentales

Diagrama de bloquesTecnología de fabricación

NAND Flash SLC vs MLC vs TLC

Arquitectura funcional Páginas vs Bloques

Lectura-escritura-borradoVentajas - Desventajas Interfaz: PCI-ExpressUsos

Tema 5: Unidades de almacenamiento SSD

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• Diagrama de bloques• Colocar las etiquetas en las flechas 1,2,3,4,5

¿Cuántos dBA emite?

SATA Interface

ControllerFlash memory

Power conector

Buffer

1 2 3

54

12

35

Partes fundamentales

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Imagen: La electrónica de un Pendrive al descubierto

imgarcade.com/1/usb-flash-drive-inside/

• NAND Flash: Derivada de la Flash EEPROM usada para la ROM-BIOS:

1. Antes de escribir en una celda, debe borrarse Latencia• Recordar borrado previo del BIOS-ROM antes de regrabación.

2. Ciclos de borrado/escritura LIMITADOS Durabilidad• P. ej.: Intel SSD DC S3710 de 1,2 TB:

“La durabilidad se mantiene en 10 escrituras por día durante cinco años, como es costumbre en las unidades destinadas al mercado empresarial”

Incorpora protección total contra cortes de corriente. Analizaremos más adelante

Tecnología de fabricación

IMV1

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• Tecnologías SLC vs MLC vs TLCLa tecnología de fabricación NAND Flash permite implementaciones distintas:

1. SLC flash (single level cell flash) 1 bit/celda 2 estados (niveles de tensión) Durabilidad de 100.000 ciclos de borrado.

2. MLC flash (Multiple level cell flash) 2 bits/celda 4 estados (niveles de tensión) Durabilidad de 10.000 ciclos de borrado (10 veces inferior a SLC).

• Si borraramos y escribiéramos un bloque MLC por minuto sobrepasaríamos su esperanza de vidaen una semana.

Más rápida que SLC (10 veces).3. TLC flash (triple level cell flash)

3 bits/celda 8 estados (niveles de tensión) DURABILIDAD Menor: 1.000 ciclos de borrado (10 veces inferior a MLC). Mayor bit error rate (BER) menor FIABILIDAD. PRESTACIONES menores que SLC y MLC

Imagen: searchsolidstatestorage.techtarget.com

Tecnología de fabricación

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Arquitectura funcional• Páginas vs Bloques:

Las celdas de memoria se organizan en páginas Recordemos los sectores de los discos magnéticos.

Las páginas se agrupan en Bloques Los bloques en planos Etc.

Imágenes: http://www.anandtech.com/show/2738/5

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Tecnología de fabricación• Necesidad de borrado. PROBLEMAS:

PROBLEMA 1: Borrar antes de escribir1. Unidad mínima de R/W es la página (≈ sector en HD)2. Solo se puede escribir en una página si está vacía

Si está ocupada, 1º debe borrarse Tiempo de borrado Latencia PROBLEMA

3. El tamaño más pequeño sobre el que puede realizarse una operación de borrado es el bloque. Es decir: Se pueden leer/escribir 4KB a la vez, pero

deben borrarse 512KB cada vez, no menos. SOLUCIÓN:

Controladora escribe en páginas libres antes de borrar un solo bloque:• Aunque un SSD esté al 60 % de su capacidad, el 40%

restante es posible que haya sido escrito alguna vez debido a las tareas diarias de creación/borrado de archivos.

Imágenes: http://www.anandtech.com/show/2738/5

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Tecnología de fabricación• Necesidad de borrado. PROBLEMAS:

PROBLEMA 2: Cada borrado de un bloque reduce su vida Recordemos que son 10.000 ciclos en las tipo MLC.

SOLUCIÓN:No se escribe sobre el mismo bloque una y otra vez. Las controladoras de las unidades SSD incorporan algoritmos de

“nivelación del desgaste” (Wear level) para distribuir los ciclos de escritura por los millones de celdas de memoria.• Un chip NAND de 8 Gb con 4096 bloques, puede sobrepasar sus 10.000

ciclos de borrado tras 75 años de uso (con una buena nivelación del desgaste).

¡Importancia de las controladoras y su firmware!.

Action in the OS Reaction on a HDD Reaction on an SSD

File Create Write to a Sector Write to a Page

File Overwrite Write new data to the same Sector

Write to a Different Page if possible, else Erase Block and

Write to the Same Page

File Delete Marcar sector como libre idem

Tabla que resume las acciones del S.Op. y las reacciones asociadas en un HD vs SSD

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Lectura‐escritura‐borrado

• Necesidad de borrado. PROBLEMAS:PROBLEMA 3: Degradación de las prestaciones con el uso.

Cuando el disco está muy lleno apenas hay páginas libres Cada vez que hay que escribir (página) se debe realizar una

operación de borrado (bloque) LentitudSOLUCIÓN:

La controladora realiza borrados de bloque después de cadaborrado de ficheros y no en el momento anterior de cadaescritura. Veamos como…

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Lectura‐escritura‐borrado• Necesidad de borrado. PROBLEMAS:

PROBLEMA 3: Degradación de las prestaciones con el uso. SOLUCIÓN: TRIM

Cuando se elimina un archivo, el sistema operativo envía una orden TRIM a la unidad junto con las LBAs asociadas a borrar:

1. El usuario manda borrar 3 páginas.

2. La controladora copia el bloque entero a su memoria cache (RAM)

3. La controladora borra el bloque entero.• Además elimina las 3 páginas de su

caché

4. La controladora copia el contenido de la cache al bloque borrado• Ahora cuando necesite escribir una

página, ya tengo 3 limpias.

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Ventajas respecto a HD

• Fiabilidad mayor No tiene partes móviles

• Arranque más rápido No hay que vencer inercias de rotación.

• Latencias muy bajas No hay que posicionar el cabezal sobre la pista que contiene

el sector No existe el “seek time” del HD. µs en vez de ms.

• Consumo mucho menor.

• Velocidad de Lectura determinista: No depende de la localización del dato

Recordemos que en el HD la velocidad depende de la ubicación de la pista.

Consumo en watts (ejemplo)

Tipo de unidad Idle Seek Start-Up

SATA 8 10 20

SSD 0,08 0,15 N/A

FOTO: http://my.opera.com/portalnews/blog/

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Ventajas respecto a HD

• Observar la diferencia entre los accesos secuenciales y aleatoriosLas diferencias se acortan en modelos de mayor capacidad. IOPS = Nº de operaciones de R/W por segundo

Unidad de medida usada para accesos aleatorios. Acompañada de la cantidad de datos de cada operación. 85 kIOPS x 4 KB/IOP = 348.160.000 B/s ≈ 348 MB/s

Capacity 200GB 400GB 800GB 1.2TBControllerNANDSequential Read 550MB/s 550MB/s 550MB/s 550MB/sSequential Write 300MB/s 470MB/s 460MB/s 520MB/s4KB Random Read 85K IOPS 85K IOPS 85K IOPS 85K IOPS4KB Random Write 43K IOPS 43K IOPS 39K IOPS 45K IOPSRead/Write Power Consumption 2.6W/4.0W 2.7W/5.4W 3.0W/5.9W 3.1W/6.9WEndurance 3.6PB 8.3PB 16.9PB 24.3PBMSRP $309 $619 $1,249 $1,909

Intel 2nd Generation SATA 6Gbps ControllerIntel 128Gbit 20nm High Endurance Technology (HET) MLC

Intel SSD DC S3710 Specifications

¿?

IOPS

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Desventajas respecto a HD

• Durabilidad

¿EstimatedLife

Remaining?

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Desventajas respecto a HD

• DurabilidadHemos visto que depende de la tecnología utilizada:

SLC, MLC, TLC, 3DXPoint…Aumenta con la capacidad de la unidad, pues se realizan

menos borrados sobre cada celda.

Gráfico: www.tomsguide.com

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Desventajas respecto a HD

• DurabilidadLos fabricantes especifican la magnitud

EnduranceViene expresado de dos formas:

1) TeraBytes (TB) o TeraBytes escritos (TBW)Representa el nº de veces que puede ser escrita la unidad en toda su capacidad antes de que su fiabilidad baje de lo estipulado por el fabricante.• P. ej.: Intel SSD DC S3710 de 1,2 TB: Endurance: 24.3 PB  Puede escribirse el disco completo 20250 veces (=24,3E15/1,2E12) Incorpora protección total contra cortes de corriente.

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Desventajas respecto a HD

• Durabilidad2) Escrituras completas por día

• Full Drive Writes Per Day (DWPD)

• Se calcula para un periodoigual a la garantía que ofrece el fabricante.

www.kingston.com/us/ssd/dwpd

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Desventajas respecto a HD

• Durabilidad Los fabricantes especifican la magnitud Endurance Viene expresado de dos formas:

TeraBytes (TB) o TeraBytes escritos (TBW)Representa el nº de veces que puede ser escrita la unidad en toda su capacidad antes de que su fiabilidad baje de lo estipulado por el fabricante.

Intel® SSD DC P3520 Series2.0TB, 1/2 Height PCIe 3.0 x4, 3D1, MLC

Samsung 850 PRO

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Interfaz NVM Express o NVMe• Interfaz: PCI-Express

Ej.:Intel Optane SSDBy Agam Shah 19‐03‐2017

Intel claims storage speed record with its large-capacity Optane SSD

The Optane DC P4800X SSD has 375GB of storage and is priced at $1,520

The technology underpinning Optane is 3D Xpoint, a form of memory that stores data based on the resistance of cells.

www.computerworld.com

www.asus.com

www.pcworld.com

Factor deforma M.2