SSDs: Grundlagen+ Konfiguration fürhohe PerformanceWerner Fischer, Technology Specialist Thomas-Krenn.AGThomas Krenn Roads...
Agenda 1) SSD Aufbau 2) Schreibtechniken 3) Anwendungsbeispiele 4) Konfigurationstipps                          Folie 2/27
Agenda 1) SSD Aufbau    ●   Speicherzellen    ●   Pages    ●   Blöcke    ●   Planes    ●   Dies    ●   TSOPs    ●   SSDs 2...
1) Aufbau  • Speicherzellen    – NAND Speicherzelle =      MOS Transistor mit      Floating Gate    – speichert Ladung    ...
1) Aufbau  • Speicherzellen    – SLC (Single Level Cell) → 1 Bit pro Speicherzelle    – MLC (Multi Level Cell) → 2 Bits pr...
1) Aufbau  • Pages: Zusammenfassung mehrerer Speicherzellen    – eine Page ist die kleinste Struktur einer SSD,      die g...
1) Aufbau  • Blöcke: Zusammenfassung mehrerer Pages    – ein Block ist die kleinste Struktur einer      SSD, die gelöscht ...
1) Aufbau  • Planes    – mehrere Blöcke bilden eine Plane    – zumeist 1.024 Blocks = 1 Plane    – 25nm Intel/Micron:     ...
1) Aufbau  • Dies    – mehrere Planes bilden ein Die    – zumeist 4 Planes = 1 Die    – 25nm Intel/Micron:      1 Die = 8 ...
1) Aufbau  • TSOPs (thin small outline packages)    – mehrere Dies bilden ein TSOP                   Quelle: Intel/Micron ...
1) Aufbau  • SSDs    – mehrere TSOPs (zum Beispiel zehn)      sind in einer SSD    – ab Anfang 2011 vermutlich      Kapazi...
Agenda 1) SSD Aufbau 2) Schreibtechniken    ●   Spare Area    ●   Wear Leveling    ●   ATA TRIM    ●   Garbage Collection ...
2) Schreibtechniken  • Spare Area    – typsicherweise zwischen 7% und 28% der Netto-Kapazität    – z.B. 160 GByte sichtbar...
2) Schreibtechniken  • ATA TRIM    – Betriebssystem teilt der SSD mit welche Datenbereiche      nicht mehr benötigt werden...
2) Schreibtechniken  • Secure Erase    –   alle Daten gehen verloren    –   löscht alle Blöcke einer SSD    –   Löschspann...
2) Schreibtechniken  • Lebensdauer (Endurance)    – Bad Blocks (Ausfall von Blöcken)       • je mehr p/e Zyklen stattfande...
2) Schreibtechniken  • Lebensdauer (Endurance)    – Data Retention       • Anzahl an Stunden (Tage/Jahre) wie lange Daten ...
Agenda 1) SSD Aufbau 2) Schreibtechniken 3) Anwendungsbeispiele    ●   SSD als (kleines) Bootdevice    ●   SSD als Ersatz ...
3) Anwendungsbeispiele  • SSD als Bootdevice    – geringe Zahl an p/e Zyklen,      täglicher Turnover z.B. 0,1x    – gerin...
3) Anwendungsbeispiele  • SSD als Ersatz für Einzel-HDD    – normale bis geringe Anzahl an p/e Zyklen,      täglicher Turn...
3) Anwendungsbeispiele  • SSDs im RAID-Verbund    – normale bis geringe Anzahl an p/e Zyklen,      täglicher Turnover maxi...
3) Anwendungsbeispiele  • SSD als Cache    – große Zahl an p/e Zyklen,      täglicher Turnover z.B. 10x    – spezielles Au...
Agenda 1) SSD Aufbau 2) Schreibtechniken 3) Anwendungsbeispiele 4) Konfigurationstipps    ●   AHCI aktivieren    ●   Secur...
4) Konfigurationstipps  • AHCI aktivieren    – NCQ (Native Command Queuing)    – LPM (Link Power Management)         • Dev...
4) Konfigurationstipps  • ATA TRIM aktivieren    – Linux ab 2.6.33 (z.B. Ubuntu 10.10)  • Partitions- und Dateisystem-Alig...
4) Konfigurationstipps  • Over-Provisioning (vergrößern der Spare Area)    Quelle: Intel                                  ...
Fazit            Technologie der SSDs hat sich bereits            sehr verbessert (intelligente Controller)            Dur...
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20101011 roadshow-2010-ssds-grundlagen-know-how-und-konkrete-konfiguration-fuer

  1. 1. SSDs: Grundlagen+ Konfiguration fürhohe PerformanceWerner Fischer, Technology Specialist Thomas-Krenn.AGThomas Krenn Roadshow 201011.10. Berlin12.10. Hamburg14.10. Köln19.10. Frankfurt20.10. Stuttgart21.10. Zürich05.11. Wien
  2. 2. Agenda 1) SSD Aufbau 2) Schreibtechniken 3) Anwendungsbeispiele 4) Konfigurationstipps Folie 2/27
  3. 3. Agenda 1) SSD Aufbau ● Speicherzellen ● Pages ● Blöcke ● Planes ● Dies ● TSOPs ● SSDs 2) Schreibtechniken 3) Anwendungsbeispiele 4) Konfigurationstipps Folie 3/27
  4. 4. 1) Aufbau • Speicherzellen – NAND Speicherzelle = MOS Transistor mit Floating Gate – speichert Ladung permanent Quelle: Intel – bei der Programmierung werden Elektronen am Floating Gate abgelegt – ein Löschen entfernt die Elektronen – ein Program/Erase (p/e) Zyklus entspricht einem Round-Trip der Elektronen – jeder p/e Zyklus führt zu einer Abnützung des Tunnel Oxide – Lebensdauer dadurch begrenzt – wird in Anzahl der möglichen p/e Zyklen gemessen Folie 4/27
  5. 5. 1) Aufbau • Speicherzellen – SLC (Single Level Cell) → 1 Bit pro Speicherzelle – MLC (Multi Level Cell) → 2 Bits pro Speicherzelle Quelle: anandtech.com – TLC (Triple Level Cell) → 3 Bits pro Speicherzelle Folie 5/27
  6. 6. 1) Aufbau • Pages: Zusammenfassung mehrerer Speicherzellen – eine Page ist die kleinste Struktur einer SSD, die gelesen oder geschrieben werden kann – derzeit meist 4 KiB (4.096 Bytes) – entspricht bei MLC 16.384 Speicherzellen – bei den neuen 25nm Flash Chips von Intel/Micron 8 KiB (8.192 Bytes) Folie 6/27
  7. 7. 1) Aufbau • Blöcke: Zusammenfassung mehrerer Pages – ein Block ist die kleinste Struktur einer SSD, die gelöscht werden kann – derzeit besteht ein Block zumeist aus 128 Pages á 4 KiB → 512 KiB Block – bei den neuen 25nm Flash Chips von Intel/Micron 256 Pages á 8 KiB → 2 MiB Block Quelle: anandtech.com Folie 7/27
  8. 8. 1) Aufbau • Planes – mehrere Blöcke bilden eine Plane – zumeist 1.024 Blocks = 1 Plane – 25nm Intel/Micron: 1 Plane = 2 GiByte Quelle: anandtech.com Folie 8/27
  9. 9. 1) Aufbau • Dies – mehrere Planes bilden ein Die – zumeist 4 Planes = 1 Die – 25nm Intel/Micron: 1 Die = 8 GiByte – Beispiel eines Wafers mit zahlreichen Dies: Quelle: http://www.intel.com/pressroom/archive/releases/20100201comp.htm Quelle: Intel/Micron Folie 9/27
  10. 10. 1) Aufbau • TSOPs (thin small outline packages) – mehrere Dies bilden ein TSOP Quelle: Intel/Micron – 25nm Intel/Micron: 8 Dies = 1 TSOP = 64 GiByte Folie 10/27
  11. 11. 1) Aufbau • SSDs – mehrere TSOPs (zum Beispiel zehn) sind in einer SSD – ab Anfang 2011 vermutlich Kapazitäten bis zu 600 GByte Quelle: maximumpc.com Folie 11/27
  12. 12. Agenda 1) SSD Aufbau 2) Schreibtechniken ● Spare Area ● Wear Leveling ● ATA TRIM ● Garbage Collection ● Secure Erase ● Lebensdauer (Endurance) 3) Anwendungsbeispiele 4) Konfigurationstipps Folie 12/27
  13. 13. 2) Schreibtechniken • Spare Area – typsicherweise zwischen 7% und 28% der Netto-Kapazität – z.B. 160 GByte sichtbar, tatsächliche Kapazität 160 GiByte (171,8 GByte → 11,8 GByte Spare Area) – Spare Area wird genützt für • Read/Modify/Write • Wear Leveling • Bad Block Replacement • Wear Leveling – Flash Speicherzellen sind nur endlich oft beschreibbar – Wear Leveling verteilt die Abnutzung möglichst gleichmäßig auf alle Speicherzellen Folie 13/27
  14. 14. 2) Schreibtechniken • ATA TRIM – Betriebssystem teilt der SSD mit welche Datenbereiche nicht mehr benötigt werden und gelöscht werden können – erhöht die Anzahl an gelöschten Blöcken und damit die Schreibperformance – muss unterstützt werden von • SSD • Betriebssystem • Dateisystem • Garbage Collection – in Zeiten ohne I/O fasst der SSD-Controller teilweise beschriebene Blöcke zusammen – erhöht die Anzahl an gelöschten Blöcken Folie 14/27
  15. 15. 2) Schreibtechniken • Secure Erase – alle Daten gehen verloren – löscht alle Blöcke einer SSD – Löschspannung wird angelegt – danach wieder optimale Schreibperformance – empfehlenswert • wenn gebrauchte SSDs für neue Zwecke genutzt werden • nachdem Performance-Tests durchgeführt wurden Folie 15/27
  16. 16. 2) Schreibtechniken • Lebensdauer (Endurance) – Bad Blocks (Ausfall von Blöcken) • je mehr p/e Zyklen stattfanden, umso länger dauert das Löschen eines Blockes • überschreitet die notwendige Zeit zum Löschen eine bestimmte Dauer, wird der Block als Bad Block markiert, und stattdessen ein Spare Block verwendet • kein Datenverlust, einzelne Bad Blocks kein Problem – Write Data Errors • RBER (raw bit error rate) – wird mittels ECC korrigiert • RBER steigt mit höherer Zahl an p/e Zyklen • ECC kann eine gewisse Anzahl an Fehlern korrigieren • UBER (uncorrectable bit error rate) muss niedrig gehalten werden (meist <1 Fehler pro 1015 bis 1016 Zugriffen) Folie 16/27
  17. 17. 2) Schreibtechniken • Lebensdauer (Endurance) – Data Retention • Anzahl an Stunden (Tage/Jahre) wie lange Daten erhalten bleiben nachdem das Gerät außer Betrieb genommen wurde • ECC kann eine gewisse Anzahl an Fehlern korrigieren • retention time sinkt mit höherer Zahl an p/e Zyklen – Defects • alle NAND-Devices haben ein „Wearout Cliff“ – neue JDEC Standards (TBW – Terabytes written) Quelle: Intel Folie 17/27
  18. 18. Agenda 1) SSD Aufbau 2) Schreibtechniken 3) Anwendungsbeispiele ● SSD als (kleines) Bootdevice ● SSD als Ersatz für Einzel-HDD ● SSDs im RAID-Verbund ● SSD als Cache 4) Konfigurationstipps Folie 18/27
  19. 19. 3) Anwendungsbeispiele • SSD als Bootdevice – geringe Zahl an p/e Zyklen, täglicher Turnover z.B. 0,1x – geringe SSD Kapazität reicht bereits (geringe Kosten) – kürzere Startzeiten – Programme starten subjektiv deutlich schneller – erhöht die Produktivität beim Arbeiten am PC Folie 19/27
  20. 20. 3) Anwendungsbeispiele • SSD als Ersatz für Einzel-HDD – normale bis geringe Anzahl an p/e Zyklen, täglicher Turnover maximal 0,5x; meist deutlich weniger – mittlere/hohe SSD Kapazität erforderlich (mittlere bis hohe Kosten) – geringere Stromverbrauch und geringe Abwärme, da eine normale Festplatte damit entfällt – vor allem bei Notebooks stark im Kommen • erhöht Akku-Laufzeit • verringert Gewicht Folie 20/27
  21. 21. 3) Anwendungsbeispiele • SSDs im RAID-Verbund – normale bis geringe Anzahl an p/e Zyklen, täglicher Turnover maximal 0,5x; meist deutlich weniger – ATA TRIM greift hier nicht, da SSD aufgrund von RAID- Initialisierung/Partiy ständig logisch voll ist Folie 21/27
  22. 22. 3) Anwendungsbeispiele • SSD als Cache – große Zahl an p/e Zyklen, täglicher Turnover z.B. 10x – spezielles Augenmerk auf SSD Endurance • vergrößerte Spare-Area erhöht Lebensdauer – Beispiele • Adaptec MaxIQ • Cache für ZFS (Beispiel NexentaStor) Folie 22/27
  23. 23. Agenda 1) SSD Aufbau 2) Schreibtechniken 3) Anwendungsbeispiele 4) Konfigurationstipps ● AHCI aktivieren ● Secure Erase vor dem Produktiveinsatz ● ATA TRIM aktivieren ● Partitions- und Dateisystem-Alignment ● Over-Provisioning Folie 23/27
  24. 24. 4) Konfigurationstipps • AHCI aktivieren – NCQ (Native Command Queuing) – LPM (Link Power Management) • Device Initiated Interface Power Management (DIPM) aktivieren • Secure Erase vor dem Produktiveinsatz – vor dem Partitionieren – löscht alle Blöcke der SSD – Blöcke aus Sicht des SSD Controllers „leer“ – erhöht Performance Folie 24/27
  25. 25. 4) Konfigurationstipps • ATA TRIM aktivieren – Linux ab 2.6.33 (z.B. Ubuntu 10.10) • Partitions- und Dateisystem-Alignment – vor allem bei Generation-1 SSDs wichtig – Partitionierung unter Linux mit speziellen Parametern • fdisk -S 32 -H 32 /dev/sda • erste Partition erst bei Zylinder 2 starten lassen um richtiges Alignment zu gewährleisten (beim ersten Zylinder wird der erste Track – Head 0 – für den MBR freigehalten) Folie 25/27
  26. 26. 4) Konfigurationstipps • Over-Provisioning (vergrößern der Spare Area) Quelle: Intel Folie 26/27
  27. 27. Fazit Technologie der SSDs hat sich bereits sehr verbessert (intelligente Controller) Durch geringe Strukturbreiten (25 nm) sinken die Preise/GByte Lebensdauer/Zuverlässigkeit durch JEDEC Standard gut planbar → Bedeutung von SSDs und Flash-Speicher wie Fusion-io wird sich in den nächsten Jahren weiter deutlich steigern Folie 27/27

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