Die Technologie von Solid State Disks

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Eva Abel
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1 Beispielbild Die Technologie von Solid State Disks Matthias Niemann Fachbereich Mathematik und Informatik Institut für Informatik

2 Solid State Disk Überblick Massenspeicher ohne bewegliche Mechanik (vgl. Festplatte) Controller verwaltet: Kommunikation zum Hostsystem üblicherweise per SATA2 Flash-Chips über parallele Controller pro Flash-Controller bis zu 2 Chips Parallelisierung ermöglicht hohe Geschwindigkeit und wettbewerbsfähige Speicherdichte Quelle: 2

Flash-Chips über parallele Controller pro Flash-Controller bis zu 2 Chips

3 Solid State Disk Gliederung Grundlagen MOSFET EEROM-Zelle Speicherzellen in Gattern Gatter in Arrays Controller Operationen Solid State Disk Verschleiß Wear-Leveling Geschwindigkeit (sequenziell) Geschwindigkeit (zufällig verteilt) Energiebedarf Fazit Quelle: 3

Solid State Disk Verschleiß Wear-Leveling Geschwindigkeit

4 Grundlagen MOSFET MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Spannung am Gate steuert Leitfähigkeit zwischen Source und Drain zwischen Source und Drain bildet sich leitender Kanal 4

5 Grundlagen EEROM-Zelle isoliertes Floatinggate kann Ladung beherbergen Beladen durch Hot-Electron Injection oder F.-N. tunneling hohe Spannung an Source lässt heiße Elektronen auf das FG fließen hohe Spannung am Steuergate lässt Elektronen auf das FG tunneln Entladen durch Fowler-Nordheim tunneling hohe Spannung an Drain lässt Elektronen über Drain abfließen zwei Zustände speicherbar FG geladen leitend 1 FG nicht geladen nicht-leitend 0 5

tunneling hohe Spannung an Source lässt heiße Elektronen auf das FG fließen hohe Spannung am Steuergate lässt

6 Grundlagen Speicherzellen in Gattern NAND-Gatter Flash-Speicher Vorteile: NAND NOR hohe Speicherdichte günstig hohe Schreib- und Löschgeschwindigkeit geringer Energiebedarf Nachteile: SLC MLC geringe Lesegeschwindigkeit aufwendiges Lesen und Löschen Speicherdichte durch Multi-Level- Cell (MLC) noch größer (vgl. SLC) verschieden hohe Pegel auf FG 6

Nachteile: SLC MLC geringe Lesegeschwindigkeit aufwendiges Lesen und Löschen

7 Grundlagen Flash-Chip NAND-Gatter in gestapelten 2D- Arrays Zugriff auf Pages über Koordinaten im Array wird aus übergebener Adresse dekodiert Zwischenspeichern der Page in einem Puffer Geschwindigkeit vgl. gering 7

8 Controller Operationen Lesen logische Adresse physikalische Adresse Flash-Chip puffert Page Page wird byteweise in Puffer des Controllers geladen Schreiben Speichern der zu schreibenden Daten in Puffer ggf. mit Native Command Queuing (NCQ) Befehle sortieren solange Pages im Flash auswählen und beschreiben, bis Daten gespeichert interne Fragmentierung der letzten Page Löschen Zwischenspeichern des Blocks Schreiben eines Erase-Blocks Schreiben der nicht zu löschenden Daten 8

mit Native Command Queuing (NCQ) Befehle sortieren solange Pages im Flash auswählen und beschreiben, bis Daten

9 Solid State Disk Verschleiß durch F.-N. tunneling wird Isolierschicht zerstört Zellen verlieren dann Ladung des FG SLC-NAND bis Zyklen, MLC-NAND deutlich weniger Write Amplification minimieren (Blockgröße/neue Daten) Block nur dann Löschen und Schreiben, wenn viele Daten verändert werden Daten puffern, unnötige Vorgänge nicht ausführen Reservedatenbereich Bruchteil von Gesamtkapazität kaputte Blöcke können dort abgelegt werden 9

000 Zyklen, MLC-NAND deutlich weniger Write Amplification minimieren (Blockgröße/neue Daten) Block nur dann

10 Solid State Disk Wear-Leveling Idee: Lebensdauer wird maximiert durch gleichmäßige Abnutzung Wear-Leveling-Algorithmen dynamisches Wear-Leveling neue Daten werden in leere, frische Zellen geschrieben statisches Wear-Leveling neue Daten werden in frische Zellen geschrieben selten geänderte Daten werden in abgenutzte Zellen verschoben sehr gleichmäßige Abnutzung der Zellen Zyklen in % vom Maximum kein W-L dyn. W-L stat. W-L 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,510 Zellen 10

frische Zellen geschrieben selten geänderte Daten werden in abgenutzte Zellen verschoben sehr gleichmäßige Abnutzung der Zellen

11 Solid State Disks Geschwindigkeit (seq.) Schreibgeschwindigkeit (sequenziell) Lesegeschwindigkeit (sequenziell) Intel X25-M Intel X25-M Samsung MCC64G Samsung MCC64G Transcend TS64G-M Transcend TS64G-M Seagate Momentus Samsung SpinPoint F1 Seagate Momentus Samsung SpinPoint F1 64-KByte-Blöcke 128-KByte Blöcke MByte/s Daten aus c't-magazin, Heft 21/ KByte-Blöcke 128-KByte- Blöcke MByte/s Daten aus c't-magazin, Heft 21/2008 sequenzielle Schreibgeschwindigkeit geringer als bei HDDs bei gleichem Controller ist MLC langsamer als SLC sequenzielle Lesegeschwindigkeit im allgemeinen gleichauf 11

Seagate Momentus 7200.3 Samsung SpinPoint F1 Seagate Momentus 7200.

12 Solid State Disks Geschwindigkeit (zufällig) Intel X25-M Samsung MCC64G Transcend TS64G-M Seagate Momentus Samsung SpinPointF1 Transferrate (zufällig verteilt, 128-KByte-Blöcke) Intel X25-M Samsung MCC64G Seagate Momentus Workstation Performance (IO-Operationen pro Sekunde) Schreiben Lesen MByte/s IO/s IO/s Daten aus c't-magazin, Heft 21/2008 Daten von Okt zufällig verteilte Schreibgeschwindigkeit im Allgemeinen geringer zufällig verteilte Lesevorgänge bei allen Modellen höher daher deutlich mehr IO-Operationen pro Sekunde 12

3 Workstation Performance (IO-Operationen pro Sekunde) Schreiben Lesen 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 MByte/s IO/s

13 Solid State Disks Energiebedarf Energieverbrauch (gesamt) Leistung zu Verbrauch (IO pro Watt) Intel X25-M Samsung MCC64G Seagate Momentus Intel X25-M Samsung MCC64G Last (Workstation) Last (seq.) Ruhe 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Watt Daten von Okt Seagate Momentus Workstation sequenziell IO pro Watt Daten von Okt fehlende Mechanik lässt erweiterte Ruhemodi zu (DIPM) Zugriffszeit erhöht sich nicht (vgl. HDD) Leistung pro Watt deutlich höher 13

com, Okt. 2008 Seagate Momentus 7200.3 Workstation sequenziell 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 IO pro Watt Daten von www.tomshardware.

Fazit größte Innovation der letzten 18 Jahre Gesamtleistung im allgemeinen höher Energieverbrauch geringer Consumer/Desktop Verdrängung der HDD (bei Neuverkäufen) Erschließung neuer

14 Fazit größte Innovation der letzten 18 Jahre Gesamtleistung im allgemeinen höher Energieverbrauch geringer Consumer/Desktop Verdrängung der HDD (bei Neuverkäufen) Erschließung neuer Anwendungsbereiche Schockresistenz, Temperaturabhängigkeit Server/Workstation Note-/Netbook Verdrängung der HDD in Server und Mobil-Segment plausibel Consumer-Bereich voraussichtlich träger Zeitraum Zeit 14

neuer Anwendungsbereiche Schockresistenz, Temperaturabhängigkeit Server/Workstation

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