SSDs und Flash Memory. Matthias Müller 16.Juni 2010 Institut für Verteilte Systeme

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1 SSDs und Flash Memory Matthias Müller 16.Juni 2010 Institut für Verteilte Systeme

2 Seite 2 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

3 Seite 3 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

4 Seite 4 Motivation SSD vs HDD

5 Seite 5 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

6 Seite 6 Aufbau und Funktionsweise Funktionsweise eines MOSFET: Ausgangszustand: nicht leitend Rekombination der Ladungsträger an den Übergängen (npn-übergang) Bildet Kondensator zwischen Gate und Bulk

7 Seite 7 Aufbau und Funktionsweise Funktionsweise eines MOSFET: Spannung zwischen Gate und Source Elektrisches Feld bewegt Ladungsträger zur Grenzschicht Grenzspannung (Threshold) bildet n-kanal Verliert Zustand ohne Versorgungsspannung

8 Seite 8 Aufbau und Funktionsweise Funktionsweise einer Flash-Zelle: Unterschied: Floating Gate Schreiben einer Zelle: Fowler-Nordheim-Tunnel: quantenmechanischer Effekt Hohe Spannung am Control Gate Elektronen tunneln durch auf Floating Gate

9 Seite 9 Aufbau und Funktionsweise Funktionsweise einer Flash-Zelle: Lesen einer Zelle: Ladung auf Floating Gate verhält sich wie Ladung auf Control Gate Ladung vorhanden Elektrisches Feld Strom fließt (logisch 1)

10 Seite 10 Aufbau und Funktionsweise Funktionsweise einer Flash-Zelle: Löschen einer Zelle: Hohe negative Spannung Treibt Ladungsträger aus Floating Gate Nur Blockweise möglich! Namensgebung durch blitzartiges Löschen

11 Seite 11 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

12 Seite 12 NAND vs NOR mit NOR: Parallel verschaltet Direkt auslesbare Zellen Schneller Lesbar als NAND Speicherdichte gering Sehr teuer

13 Seite 13 NAND vs NOR mit NAND: In Reihe geschaltet Offset-Maskierung notwendig Höhere Speicherdichte Billiger

14 Seite 14 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

15 Seite 15 SLC vs MLC Single Level Cell (SLC): Multi Level Cell (MLC): 1 Bit Bis zu 4 Bit Haltbarer Kompakter Schneller schreibend Lesen/Schreiben komplizierter Teurer Günstiger

16 Seite 16 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

17 Seite 17 Speicherorganisation Zellen werden zu Pages zusammengefasst Kleinste les-/schreibbare Einheit Pages werden zu Blöcken zusammengefasst Kleinste Löschbare Einheit

18 Seite 18 Speicherorganisation Blöcke werden zu Planes zusammengefasst Weitere Organisationsstrukturen üblich

19 Seite 19 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

20 Seite 20 Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Gute SSDs haben 2x so hohe Lesetransferraten >10x höhere Transferraten beim zufällig verteilten Schreiben Und: Sequentielle Transferrate bei Annäherung an interne Blockgröße

21 Seite 21 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

22 Seite 22 Vergleich mit konventionellen Festplatten Zugriffszeiten Rasend schnell Spürbarer Geschwindigkeitsvorteil beim Laden von Anwendungen

23 Seite 23 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

24 Seite 24 Vergleich mit konventionellen Festplatten Sonstiges Festplatte: SSD: Mechanische Bauteile Festkörper Laut Geräuschlos Anfällig gegenüber Stöße und Vibrationen Immun gegenüber Stöße und Vibrationen 6 W und höher bei Last 3 W im Leerlauf Max 3 W bei Last < 1 W im Leerlauf 7 Cent/GByte 2,25 /GByte

25 Seite 25 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

26 Seite 26 Haltbarkeit Begrenzte Anzahl an Löschzyklen pro Zelle: Isolierschicht wird durch jeden Löschzyklus degeneriert (Degradation) Gleichmäßige Verteilung durch Wear-Leveling-Algorithmen Defekte Blöcke werden markiert Ca 10 % des gesamten Speichers werden als Reserve genutzt.

27 Seite 27 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

28 Seite 28 Schreibschwäche Erklärung des Phänomens anhand einer hypothetischen SSD:

29 Seite 29 Schreibschwäche Eine 4 KByte große Datei soll gespeichert werden.

30 Seite 30 Schreibschwäche Der Benutzer möchte dann eine 8 KByte große Bilddatei speichern

31 Seite 31 Schreibschwäche Die Textdatei wurde im OS gelöscht 12 KByte Bild soll gespeichert werden Controller muss zunächst Page der Textdatei löschen ABER: nur blockweises Löschen möglich!

32 Seite 32 Schreibschwäche Der gesamte Block wird in einen Zwischenspeicher kopiert Auf einen on-die Cache oder auf einen externen Speicher

33 Seite 33 Schreibschwäche Ungültige Page der Textdatei wird im Cache gelöscht Das 12 KByte Bild kann nun auf die Pages aufgeteilt werden Der Block wird gelöscht und Cache zurückgeschrieben

34 Seite 34 Schreibschwäche In Zahlen: 12 KByte Bild soll gespeichert werden 12 KByte müssen gelesen werden 20 KByte werden geschrieben. Hypothetische SSD kann 2 KByte/s lesen und 1 KByte/s schreiben 26 Sekunden um Bild zu speichern Für Benutzer: 12 KByte / 26 s = 0,46 KByte/s

35 Seite 35 Schreibschwäche Mögliche Abhilfen: Secure Erase Tool löscht jeden Block, setzt SSD auf Auslieferungszustand zurück ATA-Trim-Befehl OS teilt SSD-Controller mit, welche Blöcke nicht mehr gebraucht werden Betriebssystem muss Befehl unterstützen! Firmware um Garbage Collection erweitern Erzeugung möglichst vieler freier Blöcke durch zusammenfassen von bereits beschriebenen Blöcken

36 Seite 36 Inhalt Motivation Aufbau und Funktionsweise NAND vs NOR SLC vs MLC Speicherorganisation Vergleich mit konventionellen Festplatten Transferraten Zugriffszeiten Sonstiges Haltbarkeit Schreibschwäche Zusammenfassung

37 Seite 37 Zusammenfassung Vielversprechende Technik Spürbare Geschwindigkeitsvorteile Noch zu teuer Interessant: Hybride Festplatten

38 Seite 38 Fragen?

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