2012/11/14 のsoftlab_study の発表資料 「SSDの基礎」

1. SSDの基礎
#so'lab_study
2012/11/14
@syu_cream

2. アジェンダ
• SSDの基礎
– SSDの基本構成
– NANDフラッシュメモリの基礎
• MOSFETについて
• NANDフラッシュメモリのセルについて
• NANDフラッシュメモリの基本構成
– SSDのNANDコントローラについて
• FTL(Flash
TranslaEon
Layer)
• SSD絡みの最新動向
– PCIe
SSD
– 余談:
君の知らないSSD物語

3. SSDの基礎

4. SSDとは？
• 一般的には…
– フラッシュメモリを用いた高速なディスクデバイス
• そう言うとUSBメモリとあまり違いが分からない
• PCIe
SSDはSSDじゃねぇんだよ
• →NANDフラッシュメモリを用いた、「インタフェースが
HDD互換」な、「ハード内部でバリバリ最適化してい
る」ストレージ

5. SSDの利点・欠点
• 利点
– ランダムアクセスが高速
– 騒音が少ない
– 対衝撃性が高い
– 省電力
• だが、将来的に電力消費上がる可能性アリ
• 欠点
– フラッシュメモリの書換可能回数(寿命)が存在
– 使い込まれるとランダムライト性能が低減する

6. SSDの基本構成
• インタフェース
– SATA,
mSATAコネクタ
• DRAM
– キャッシュに用いられる
• コントローラ
– SSDの心臓部とも言える肝心要の部位
– 高速化、寿命の長期化、高信頼性等、仕事多し
• NANDフラッシュメモリ
– 実際にデータが保持される部位
– セル辺りに保持するビット数が変動したり(後述)

7. NANDフラッシュメモリの基礎

8. MOSFET
(電界効果トランジスタ)の仕組み
• ゲート電極に電圧を加えて動作させるトランジスタ
– ゲートに電圧を加えるとチャネルが生成される
– チャネル幅によりソース-­‐>ドレイン間を流れる電流が変化
正電圧
ゲート
ソース
ドレイン
チャネル
n型半導体
n型半導体
電流が流れる
p型半導体

9. MOSFETを用いた
NANDフラッシュメモリセル
• MOSFETのゲートを二種類に分割
– 制御ゲート
• 従来と同じゲートの役割
– 浮遊ゲート
• 絶縁膜に囲まれた導体
制御ゲート
絶縁膜
浮遊ゲート
ソース
ドレイン
n型半導体
n型半導体
p型半導体

10. NANDフラッシュメモリでの読込み処理
• 制御ゲートに電圧を加えソース-­‐ドレイン電流を読む
– 浮遊ゲートに電子が有る場合…
• チャネルは生成されず電流は流れない
– 浮遊ゲートに電子が無い場合…
• チャネルが生成され電流が流れる
正電圧
電子に阻害され
電圧通らず
+ +
-­‐
-­‐
チャネル
電流が流れる
GND

11. NANDフラッシュメモリでの書込み処理
• 制御ゲートに電子を注入することでデータ書込
– 制御ゲートに高電圧をかける
– 電子が絶縁膜を越えて浮遊ゲートへ注入される
• 絶縁膜があるので勝手に電子が出ていけない→揮発しない！
高電圧
GND
GND
高電圧により
電子注入
-­‐
-­‐
GND

12. NANDフラッシュメモリでの削除処理
• 書込みと逆方向に高電圧を掛ける
– トンネル効果により浮遊ゲートの電子が放出
GND
正電圧
正電圧
-­‐
-­‐
トンネル効果で
電子放出
正電圧

13. SLCとMLC
• セル毎に複数ビットの情報を持たせる事も可能
– 浮遊ゲートに注入する電子量をビット数分持つ
• SLC(Single
Level
Cell)
– セル辺り1ビットの情報を持つ
– 容量拡大が難しく高価だが，高速かつ高寿命
• MLC(MulE
Level
Cell)
– セル辺り2,3ビットの情報を持つ
– 容量拡大が容易で安価．しかし低速で寿命は短い
– 最近は単にMCLと言うと2ビット，TLC(Triple
Level
Cell)
と言うと3ビットらしい

14. NANDフラッシュメモリセルの寿命
• セルに書込み/削除を繰り返すと絶縁膜が摩耗する
– 書込み/削除のため、何度も高電圧を掛ける必要がある
– 絶縁破壊が起き，絶縁膜が通電するようになってしまう
絶縁破壊により
電子を保持できなくなる！

15. NANDフラッシュメモリの構成
• メモリセルを直列接続して記憶領域を形成
• 動作原理上、二種類の管理単位が存在
– ページ
• 読込み/書込みの単位
• 4kB~8kB
程度
– ブロック
• 削除の単位
• 512kB
程度
– ここで言うページとブロックはあくまでSSD内部の
独立した管理単位です。

16. フラッシュメモリの構造に起因した
ランダムライト性能低下問題
• データ書き込みの前に既存データの削除が必要
• 削除処理対象領域が書き込み処理対象領域と比較して大きい
– 削除に巻き込まれるページは，一旦バッファに退避しなければならない
– 記録済ページが多いほど，つまり使い込まれているほどこの処理は頻発！
SSDの記憶領域
未使用ページへの
書込みは細かい粒
度で実行可能
記録済ページへの書込み
は粗い粒度(ブロックの赤
枠)で実行されコスト大！
未使用ページ
記録済ページ
ブロック

17. SSDのNANDコントローラ

18. SSDのNANDコントローラ
• SSDの肝心要となる制御機構
– HDD互換なインタフェース提供
– NANDフラッシュメモリ制御
– FTL(Flash
TranslaEon
Layer)の提供

19. FTL(Flash
TranslaEon
Layer)
• 基本的にHDD互換インタフェース提供の為のレイヤ
– しかし実際は…名前以上の仕事をしている！
• FTLの持つ仕事
– 論理アドレスから物理アドレスへの変換
– 不良ブロックの管理
– 誤り訂正
– ウェアレベリング
– deduplicaEon
←！？
– compression
←！！？

20. ウェアレベリング
• セル当りの書換回数を平滑化
– ブロックに対する書換回数をモニタリング
– 書換回数が少ないブロックに書かれるよう変換
– データが静的かどうかを判別して平滑化
• 拡張領域を使ったセル書換頻度低減
– 昨今のSSDは拡張領域を持つ事も
• エンタープライズ向けとかだと有り得る
– 拡張領域にページ単位で書込み→通常の領域にブロック
単位で一気に書換え処理を行うなど

21. 色々なウェアレベリング
• その他、我々の理解を越えた泥臭い延命作
業をしている可能性も。。。

22. The
OpenSSD
Project
• オープンソースのSSDファームウェア
– Programmable
FTL
が実現出来る！
• オレオレウェアレベリングを詰んだSSDとか実現可能に
• hap://www.openssd-­‐project.org/wiki/
The_OpenSSD_Project
• 余力があればそのうちコード読んで紹介します

23. PCIe
SSD

24. (
^o^)
SSD，良きに計らってくれてすごい！
(
˘⊖˘)
。o(待てよ？流石にハードウェアレベルで色々
やり過ぎでは？)
(;˘⊖˘)
。o(更に待てよ？そもそもインタフェースの互換
の為に性能縛られているのでは？)
|Fusion-­‐io|┗(☋｀ )┓三
(
◠‿◠
)☛そこに気づいたか・・・ioDrive
を使ってもらう
▂▅▇█▓▒░(’ω’)░▒▓█▇▅▂うわああああああ

25. ioDrive
• インタフェースにPCI
Express
を使用
• SSDのFTLと同等の機構をデバイスドライバで持つ
• ioDrive
専用ファイルシステムまで存在
– DFS[W
K.
Josephson
et
al.,
FAST’10]

26. 余談:
君の知らないSSD物語

27. メモリセルを自動修復するSSD
• Exploi=ng
Heat-­‐Accelerated
Flash
Memory
Wear-­‐Out
Recovery
to
Enable
Self-­‐Healing
SSDs[Q
Wu
et
al.,
HotStorage’11]
• NANDフラッシュチップを熱して延命（？？）
– フラッシュチップを三次元構成
– 最下層に加熱層を設置
– データを別チップに退避し加熱して延命。その後データを
復帰
– すみません、あまり読込んでないです。誤解があるかも

28. 自爆ボタンがあるSSD
• RunCore
InVincible
– 軍用の、物理的破壊ボタン搭載SSD
• hap://japanese.engadget.com/2012/05/16/ssd-­‐runcore-­‐
invincible/
– コントローラに大電流を流してメモリセルをブッ壊す
• NANDフラッシュメモリチップから煙が上がる模様
– SSDはFTLにより隠蔽された領域のデータが削除しきれな
い問題が有るが物理的にブッ壊せば無問題か
• Reliably
Erasing
Data
From
Flash-­‐Based
Solid
State
Drives[M
Wei
et
al.,
FAST’11]