Die Technologie von Solid State Disks · 2012. 9. 3. · Matthias Niemann, Fachbereich Informatik,...

Beispielbild

Die Technologie von Solid State Disks

Matthias Niemann

Fachbereich Mathematik und Informatik

Institut für Informatik

30.01.09

2Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

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: www.tomshardware.com

3Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

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

● FazitQuelle: www.tomshardware.com

4Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

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

5Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

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

6Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

Grundlagen – Speicherzellen in Gattern

NAND-Gatter

●Vorteile:● →hohe Speicherdichte günstig● hohe Schreib- und Löschgeschwindigkeit

● geringer Energiebedarf●Nachteile:

● geringe Lesegeschwindigkeit● aufwendiges Lesen und Löschen

●Speicherdichte durch Multi-Level-Cell (MLC) noch größer (vgl. SLC)● verschieden hohe Pegel auf FG

Flash-Speicher

NAND NOR

SLC MLC

7Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

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

8Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

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

9Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

Solid State Disk – Verschleiß

● durch F.-N. tunneling wird Isolierschicht zerstört

● Zellen verlieren dann Ladung des FG● SLC-NAND bis 100.000 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

10Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

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

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

0

20

40

60

80

100

120

kein W-L

dyn. W-L

stat. W-L

Zyklen in %

vom Maximum

Zellen

11Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

Solid State Disks – Geschwindigkeit (seq.)

Samsung SpinPoint F1

Seagate Momentus 7200.3

Transcend TS64G-M

Samsung MCC64G

Intel X25-M

0 20 40 60 80 100 120

Schreibgeschwindigkeit(sequenziell)

64-KByte-Blöcke

128-KByte Blöcke

Samsung SpinPoint F1

Seagate Momentus 7200.3

Transcend TS64G-M

Samsung MCC64G

Intel X25-M

0 50 100 150 200 250

Lesegeschwindigkeit(sequenziell)

64-KByte-Blöcke

128-KByte-Blöcke

MByte/s MByte/s

● sequenzielle Schreibgeschwindigkeit geringer als bei HDDs● bei gleichem Controller ist MLC langsamer als SLC

● sequenzielle Lesegeschwindigkeit im allgemeinen gleichauf

Daten aus „c't-Magazin“, Heft 21/2008Daten aus „c't-Magazin“, Heft 21/2008

12Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

Solid State Disks – Geschwindigkeit (zufällig)

Seagate Momentus 7200.3

Samsung MCC64G

Intel X25-M

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Workstation Performance(IO-Operationen pro Sekunde)

IO/s

Samsung SpinPointF1

Seagate Momentus 7200.3

Transcend TS64G-M

Samsung MCC64G

Intel X25-M

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Transferrate(zufällig verteilt, 128-KByte-Blöcke)

Schreiben

Lesen

IO/sMByte/s

● zufällig verteilte Schreibgeschwindigkeit im Allgemeinen geringer

● zufällig verteilte Lesevorgänge bei allen Modellen höher● daher deutlich mehr IO-Operationen pro Sekunde

Daten aus „c't-Magazin“, Heft 21/2008 Daten von www.tomshardware.com, Okt. 2008

13Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

Solid State Disks – Energiebedarf

● fehlende Mechanik lässt erweiterte Ruhemodi zu (DIPM)● Zugriffszeit erhöht sich nicht (vgl. HDD)

● Leistung pro Watt deutlich höher

Seagate Momentus 7200.3

Samsung MCC64G

Intel X25-M

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Energieverbrauch(gesamt)

Last (Worksta-tion)

Last (seq.)

Ruhe

Seagate Momentus 7200.3

Samsung MCC64G

Intel X25-M

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Leistung zu Verbrauch(IO pro Watt)

Workstation

sequenziell

Watt

IO pro WattDaten von www.tomshardware.com, Okt. 2008

Daten von www.tomshardware.com, Okt. 2008

14Matthias Niemann, Fachbereich Informatik, Die Technologie von Solid State Disks, 30.01.09

Fazit

● größte Innovation der letzten 18 Jahre

● Gesamtleistung im allgemeinen höher● Energieverbrauch geringer

● Erschließung neuer Anwendungsbereiche

● Schockresistenz, Temperaturabhängigkeit

●Verdrängung der HDD in Server und Mobil-Segment plausibel

● Consumer-Bereich voraussichtlich träger

Note-/Netbook

Server/Workstation

Consumer/Desktop

Verdrängung der HDD

(bei Neuverkäufen)

Zeitraum

Zeit