Übersicht über Technologie und Nutzung von Solid State Drives

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1 Fakultät Informatik, Institut für Angewandte Informatik, Professur für Technische Informationssysteme Übersicht über Technologie und Nutzung von Solid State Drives WS 2010/11, 6. Dezember 2010 Betreuer: Dr.-Ing. Gerhard Luhn Jens Bade

2 Gliederung Motivation Technologiegrundlagen nichtflüchtiger Speicher Aufbau und Funktionsweise von SSDs aktuelle Anwendungsgebiete Zusammenfassung und Ausblick 6. Dezember 2010

3 Motivation HDDs vs. SSDs: HDD: ferromagnetische Speicherung der Daten SSD: Datenspeicherung in Flash-Bausteinen Vorteile: mechanisch robuster als HDDs absolut geräuschlos geringer Energieverbrauch höhere Performance Probleme: begrenzte Lebensdauer der Flashspeicher-Zellen hohe Kosten und geringere Kapazitäten CPU Register Cache Arbeitsspeicher (RAM) Solid State Drive (SSD) Hard Disk Drive (HDD) CD, DVD, Blu-ray, USB 6. Dezember 2010 Folie 1/11

4 Gliederung Motivation Technologiegrundlagen nichtflüchtiger Speicher Aufbau und Funktionsweise von SSDs aktuelle Anwendungsgebiete Zusammenfassung und Ausblick 6. Dezember 2010

5 Technologiegrundlagen nichtflüchtiger Speicher Floating-Gate-Transistor: grundlegender Aufbau entspricht dem eines MOSFET besitzt zusätzliches Floating-Gate Source Control Gate Drain ermöglicht permanente Speicherung von Informationen n n Nutzung des quantenmechanischen Tunneleffekts zum Aufbringen und Entfernen der Information p Substrat Bulk im einfachsten Fall Speicherung von 1 Bit (1) Floating Gate beladen Zustand logisch 0 (2) Floating Gate entladen Zustand logisch 1 Haltbarkeitsproblem: fortschreitende Degenerierung der Speicherzellen mit steigender Anzahl an Schreib- und Löschzyklen 6. Dezember 2010 Folie 2/11

6 Technologiegrundlagen nichtflüchtiger Speicher Single-Cell-Memory (SLC): speichert ein Bit je Transistor logisch 1 : Floating-Gate entladen logisch 0 : Floating-Gate beladen Multi-Cell-Memory (MLC): speichert mehrerer Bit je Transistor feinere Differenzierung notwendig Vorteile: bis zu 10-fache Haltbarkeit schneller und nicht so fehleranfällig Vorteile: höhere Speicherdichte 30% billiger 6. Dezember 2010 Folie 3/11

7 Technologiegrundlagen nichtflüchtiger Speicher Word-Line 0 Word-Line 1 Word-Line n-1 Word-Line n NOR-Flash Parallelschaltung Bit-Line wahlfreier Zugriff 5-fache Geschwindigkeit Zyklen Set-Top-Box, Spielekonsole vs. Architektur Zugriffsart Speicherdichte Lesen Schreiben Löschen Haltbarkeit Kosten Einsatzgebiete Bit-Line-Select Word-Line 0 Word-Line 1 Word-Line 2 Word-Line n Source-Line-Select NAND-Flash Reihenschaltung Bit-Line seriell, blockbasiert 2-fache Dichte 4-fache Geschwindigkeit bis 500-fache Geschwindigkeit Zyklen 10% der NOR-Kosten USB-Stick, SSD, MP3-Player 6. Dezember 2010 Folie 4/11

8 Technologiegrundlagen Top-Elektrode nichtflüchtiger Speicher OneNAND (Samsung): bestehend aus SRAM, NOR und NAND Speicher vereint Vorteile von NOR- und NAND-Flash SRAM als Lesepuffer für NAND-Speicher SRAM NAND NOR Phase Change Memory (PCM): amorphe und kristalline Strukturen RESET-Zustand: amorph SET-Zustand: kristallin Zustandswechsel durch Hitze Auslesen des Zustandes über el. Widerstand Alternative zu SRAM, DRAM, Flash-Speicher Top-Elektrode Phasenwechselmaterial Heizer Bottom-Elektrode programmierbarer Bereich 6. Dezember 2010 Folie 5/11

9 Gliederung Motivation Technologiegrundlagen nichtflüchtiger Speicher Aufbau und Funktionsweise von SSDs aktuelle Anwendungsgebiete Zusammenfassung und Ausblick 6. Dezember 2010

10 Cache Aufbau und Funktionsweise von SSDs SSD-Leiterplatte NAND 03 NAND 06 NAND 02 NAND 05 NAND 01 NAND 04 SSD- Controller Plane Host 6. Dezember 2010 Folie 6/11

11 Aufbau und Funktionsweise von SSDs SSD-Controller: (1) Wear-Leveling: Idee: Degeneration der Speicherzellen durch möglichst gleichmäßige Beanspruchung hinauszögern dynamischen Wear-Leveling: Verteilung über freie oder frei werdende Blöcke freie oder sich oft ändernde Bereiche weiterhin stärker beansprucht statisches Wear-Leveling: zusätzliches Verschieben selten genutzter Daten Performance leidet unter zusätzlichen Umschichtungsvorgängen (2) Bad Block Management Idee: aussortieren defekter Blöcke und durch neue gültige ersetzen Skip Block Methode: defekte Block werden einfach übersprungen Reserve Block Methode: Flashspeicher ab Werk in zwei Bereiche unterteilt 6. Dezember 2010 Folie 7/11

12 Gliederung Motivation Technologiegrundlagen nichtflüchtiger Speicher Aufbau und Funktionsweise von SSDs aktuelle Anwendungsgebiete Zusammenfassung und Ausblick 6. Dezember 2010

13 Anwendungsgebiete Consumer-Bereich: Einsatz in Desktop-PCs, Notebooks und Netbooks Mobile Geräte: MP3-Player, Handys Schnittstellen : meistens SATA/300, PCIe selten sowohl SLC- als auch MLC-Varianten am Markt SLC selten: höhere Performance, aber geringere Kapazität und höherer Preis SSD Samsung 470series 256GB Kenngrößen Western Digital Caviar Black 1T Samsung Hersteller Western Digital MZ5PA256HMDR Modell WD1001FALS 2,5" Formfaktor 3,5" 256 GB Kapazität 1 TB 1 GB Cache 32 MB MLC-Flash Speicherart ferromagnetisch SATA/300 Schnittstelle SATA/300 1,5 Mio. Stunden MTBF 1,2 Mio. Stunden HDD 6. Dezember 2010 Folie 8/11

14 Anwendungsgebiete Transferraten bei sequentiellen Lese-/Schreibzugriffen Mittlere Zugriffzeiten (zufällig verteilte Zugriffe) SSD 203,7 MB/s 176,2 MB/s SSD 0,1 ms HDD 90,2 MB/s 62,5 MB/s HDD 17,7 ms Lesen Schreiben Leistungsaufnahme in Ruhe und unter Last 0,01 0, Preis in Euro je Gigabyte SSD 0,24 W 0,14 W SSD 2,03 /GB HDD 8,40 W 7,80 W HDD 0,08 /GB ,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 Betrieb Ruhe 6. Dezember 2010 Folie 9/11

15 Anwendungsgebiete Server-Segment: Einsatz in modernen Rechenzentren File- und Mail-Server, Webserver, Datenbanken Schnittstellen : PCIe-x4 oder PCI-x8 hohe Performance: RAID-Konfigurationen mit mehreren Controllern und Caches (1) Aufbau von Datenbanksystem ausschließlich mit SSDs (2) SSD-Caching: Cachepool aus SSDs zum Verwalten der am häufigsten verwendeten Daten identitätsbasierte Informations-Transformation versucht Grundlagen für hochgradig energieeffiziente Informations- und Kommunikationstechnologie zu schaffen Ziel: Informationsverarbeitung verbraucht so gut wie keine Energie SSDs (oder PCM) um Energieverbrauch der Datenspeicherung zu minimieren 6. Dezember 2010 Folie 10/11

16 Gliederung Motivation Technologiegrundlagen nichtflüchtiger Speicher Aufbau und Funktionsweise von SSDs aktuelle Anwendungsgebiete Zusammenfassung und Ausblick 6. Dezember 2010

17 Zusammenfassung Vorteile: robuster, geräuschlos, energieeffizienter, höherer Datendurchsatz Technologie: Grundlage: Floating-Gate-Transistoren zu NAND-Flashbausteinen verbunden SLC- oder MLC- Ausführungen Problem: Degeneration der Speicherzellen Waer-Leveling / Bad Block Management Preisentwicklung von MLC-NAND-Flash Entwicklung der Strukturgrößen ,00 $/GB nm nm ,00 $/GB 1,50 $/GB nm 32 nm 25 nm 0,1 0,06 $/GB 20 0, NAND-Flash HDD-Speicher 6. Dezember 2010 Folie 11/11

18 Fakultät Informatik, Institut für Angewandte Informatik, Professur für Technische Informationssysteme Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! WS 2010/11, 6. Dezember 2010 Betreuer: Dr.-Ing. Gerhard Luhn Jens Bade

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