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せぴあやまがた
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第 179 回計算機アーキテクチャ第 15 回組込みシステム合同研究発表会 SSD アーキテクチャと未来 2010 年 1 月 28 日

2 Contents 1 NAND and SSD Market Over View 2 Reliability of SSD 3 Technologies for SSD 4 Future of SSD 2

3 1 NAND and SSD Market Overview 3

4 World Wide NAND Flash Market 2001 : IT Bubble Recession : Lehman Shock 30,000 25, : Forecast 20, : Before Lehman Shock million $ 15, : Right after Lehman Shock NAND Market 10,000 5, SSD Forecast +15% CAGR can be expected for Unlike other semiconductor devices, NAND can anticipate quick recovery. Toshiba expects that NAND market will expand beyond the pre-crisis estimate. Source : WSTS + Gartner+ IDC2009 4

5 Bit Growth of NAND Flash & SSD 1,000, ,000 10,000 IT Bubble Recession Total shipments by gigabytes HDD NAND CAGR % Opt. Media 40% 156% million GB 1, Evolution Lehman Shock DRAM SSD 47% 334% ( ) NAND bit growth rate is the highest Source:TSR(HDD) isuppli & Gartner (DRAM/NAND) 記録メディア工業会 & TSB (Opt.media) IDC2009 5

6 2 Reliability of SSD 6

Basic Structure of SSD SSD の構造 ( 一例 ) コネクタインターフェイスは

DRAM Cache 機能を果たす ( DRAM 無しの場合もあります ) コントローラ SSD

NAND フラッシュメモリデータを蓄積する NAND フラッシュメモリ多値 NAND(MLC)

7 Basic Structure of SSD SSD の構造 ( 一例 ) コネクタインターフェイスは HDD と同様に SATA micro SATA が主流物理形状は HDD とコンパチブルなものが主流 DRAM Cache 機能を果たす ( DRAM 無しの場合もあります ) コントローラ SSD の心臓部となるこのコントローラでの制御により高速化 / 書換寿命の長期化 / 高信頼性化を実現 NAND フラッシュメモリデータを蓄積する NAND フラッシュメモリ多値 NAND(MLC) 技術により低価格 / 大容量化を実現 ( 2 値 NAND(SLC) が使用される場合もある ) 形状 2.5inch case ( コネクタ : 標準 SATA) 1.8inch case ( コネクタ :Micro SATA) 1.8inch case less < 筐体なし > ( コネクタ :Micro SATA) など 7

8 SSD の寿命に対する誤解 MLC NANDは SLC NANDに比べ書き換え耐性が低い NANDの書き換え回数が規定値を超えると SSDはすぐ壊れてしまう Truth Myth NAND は書き換え回数が増えるほど故障確率が高くなるデバイスである MLC イメージ SLC イメージ故障確率書き換え回数 NAND の故障モードは幾つかあり SSD として予防救済出来るものもある 8

9 NAND フラッシュとは? SLC(Single Level Cell) :2 値 NAND 技術 1セルに1ビット分のデータの格納が可能(1 bit/cell) 1セルに格納されているデータ OR 1 0 セルデータ 0 n 1 n p p n n Voltage (Vth) セルデータ 0 Number of Bits セルデータ 1 MLC(Multi Level Cell) : 多値 NAND 技術 1 セルに 2 ビット分のデータの格納が可能 (2bit/Cell) これにより 1 セルあたりに格納できるデータ量が SLC の 2 倍になる 1 ビットセルあたり 3 ビットを格納できる MLC も製品化予定セルデータ 0,1 0,0 n p n p n n Voltage (Vth) セルデータ 0,1 セルデータ 0,0 1 セルに格納されているデータ SLC の 2 倍のデータ量 1,0 n p n セルデータ 1,0 Number of Bits 11 OR 10 OR 00 OR 01 1,1 n p n セルデータ 1,1 9

10 What type of error is recoverable? Possible NAND failure modes No Failure Random Bit Error Single Page Error Multiple Page Error Single Block Error District Error Single Chip Error Random Bit Error Single Page Error District0 District1 District0 District1 Bit Error One Page Error Peripheral Circuit Peripheral Circuit 10

11 What type of error is recoverable? Possible NAND failure modes No Failure Random Bit Error Single Page Error Multiple Page Error Single Block Error District Error Single Chip Error Multiple Page Error Single Block Error District0 District1 District0 District1 Multiple Pages Error *Adjacent Pages Block Error Peripheral Circuit Peripheral Circuit 11

12 SSD の寿命を理解する (1) SSD の故障モードとは? SSD の信頼性 11 余裕容量が減る NAND のブロック故障が増加様々な対応が考えられるが東芝の実装では Read Only Modeに移行 22 データが失われるエラー訂正に失敗する HDD 同様 Blue Panic の可能性も 33 動かない.. アクセス出来ない.. NANDチップ丸ごと故障コントローラ DRAMの故障など 12

13 SSD の寿命を理解する (2) SSD の故障確率は以下の変数による関数 11 Drive Drive 全体の容量現状は 128GB が売れ筋 22 ユーザ保存容量 33 SSD SSD 書き込み効率 1 日に保存するGB 数ユーザにより異なるユーザが 1 書いたときの SSD 内部での実書き込み量 ( 係数 ) SSD への実書き換え回数 ( 書き込み回数 ) を求める書き換え回数 = 1 日 4GB 書き込み効率 6 を仮定 2 4GB* 3 6( 書き込み効率 ) *1825 日 (5 年 ) GB SSD の故障確率はユーザによって異なってくる故障確率ユーザの分布イメージ 1bit でもエラーしたら故障と考える書き換え回数 13

14 SSD の寿命を理解する (3) ユーザーモデル (Usage Model) SSD の寿命を理解するうえでユーザーの使い方を理解することが重要あなたは 1 日何 GB 書いていますか? 1GB? 2GB? 5GB? 10GB 以上? あなたは Drive の全容量を使い切っていますか? 100% 使ってます 30% 程度余裕を持ってます半分くらい空いてます HDD に比べ容量が少ない SSD どうやって使いますか? 性能を期待してゲーミングマシンとしてソフトの保存は HDD 耐振動耐衝撃性を期待してモバイル PC 実際のところ Windows のユーザはどんな使い方をしているのだろうか? 14

15 SSD の寿命を理解する (4) Windows ユーザ履歴 1 日当たりの書き込みデータ量 (Hibernation 除外 ) Windows-XP 環境でのモニター結果対象 ITユーザー期間約 2ヶ月 Log gauss 平均書き込み量 m: 1.4GB/day, XGB 3σ: 5.2GB/day, 1.9TB/year 1 日の Write 量 Write 量 /day=( 総 Write 量 / 稼働日数最大書き込み量 x250 日 ( 年間稼働日数 YGB )/365 日 Hibernate 量は除く 5.2 Loc 3σ=5.2GB スケール N N = 度数 N GB/day (TB/1year) 15

16 SSD の寿命を理解する (5) Windows ユーザ履歴 1 日当たりの Hibernation 書き込み量 Windows-XP 環境でのモニター結果対象 ITユーザー期間約 2ヶ月平均書き込み量 XGB Hibernate に要する Write 量 Hibernate 量 /day= 搭載メモリ x 回数 / 稼働日 x250 日 ( 年間稼働日数 )/365 日 m: 1.0GB/day, 3σ: 最大書き込み量 YGB 4GB /day, 1.5TB/year 25 Loc スケール N 度数 N

17 SSD の寿命を理解する (6) 書き込み効率とは ( 基本的な考え方 ) SSD 小小小中 1MB 中小小小ユーザ ( ホスト ) から SSD への書き込み小大 0.1MB 中小中 0.5MB SSD コントローラ大中小小小小小小小大小小小小小小中小 1MB 24MB 書き込み効率 = 24MB =5.45 1MB *1 + 中 *3 + 小 *19 理想は倍率 ( 効率 )=1 0.5MB 0.1MB 17

18 SSD の寿命を理解する (7) ユーザ履歴の結果と TSBの想定書き込み効率から SSDの書き換え回数を求めてみる 11 Drive Drive 全体の容量 22 ユーザ保存容量 33 SSD SSD 書き込み効率 128GB 2.5GB 6 Hostからは 1 年 : 約 1,000GB 5 年 : 約 5,000GB SSD 内部では 1 年 : 約 6,000GB 5 年 : 約 30,000GB 5 年間毎日使用して 235 回程度書き換える計算 18

19 SSD の寿命を理解する ( まとめ ) SSD の寿命とは SSD の信頼性 NANDの寿命あくまで確率の問題使い方が確率を左右する書き換え効率大きく影響するエラー救済機能によっても変わる SSD の故障モード余裕容量が減るデータが失われる動かない.. アクセス出来ない.. 19

20 3 Technologies for SSD 20

21 SSD を開発する (1) PC からのアクセスを把握する (PC のアクセスはランダム?) 書き込みサイズ分布割合 (%) 累計 (%) 割合 (%) 全体の 66% が 4KB アクセス 16KB 以下のアクセスが約 90% 書き込みサイズ (kb) 21

22 SSD を開発する (2) PC からのアクセスを把握する (PC のアクセスはランダム?) 80G 1 日目 10 日目 20 日目 30 日目全くアクセスしない領域アドレス毎日同じようなアドレスをアクセスしていることに着目青 :Sequential Write 赤 :Random Write アクセスの時間的空間的局所性があるキャッシュが効く時間コンピュータアーキテクチャ技術が適用できる分野 22

23 SSD を開発する (3) SSD 用キャッシュを考察するランダムにキャッシュが効かないのは当然ただしフットプリントがキャッシュ容量に収まれば別 DRAMでは収まりきらない電源切れると忘れてしまうアクセス履歴結果では日を超えてローカリティがある書き換え頻度が高いデータをうまく扱えるキャッシュを持っている SSD が速いアドレス DRAM NAND L1 Cache L2 Cache User Data SSD キャッシュ等を管理する専用のファイルシステムが必要時間 SSD の代表的なキャッシュ構成 23

24 SSD を開発する (4) NAND 内キャッシュの特徴データの書き換えに消去が必要上書きができない更新が必要なデータは消去済みの領域へ書き込みガベージコレクションが必須 Validなデータを集めて使用可能なブロックを生成ガベージコレクション頻度を下げることで書き込み効率向上キャッシュ用のブロック量と制御方法が決め手 NAND 内キャッシュ SSD ファイルシステム NAND の特徴を吸収ブロック単位で消去後にプログラム可能ページ単位でプログラム / 読み出し LBA 空間と NAND 内データの対応管理セクタ単位でのランダムアクセスを可能 NAND DRAM キャッシュ管理書き込み効率向上 SSD ファイルシステム Block Block Block Block Block Erase Valid InValid Erase InValid Erase InValid Erase InValid Erase Erase Valid InValid Erase InValid Erase InValid Erase InValid Erase Erase Valid InValid Erase InValid Erase InValid Erase InValid Erase Erase Valid Erase Valid Erase Valid Erase Valid Erase Valid Block Page Page Page Page NAND Sector Sector Sector Sector DRAM Cache 24

25 SSD を開発する (5) 代表的なデータ更新方法 DRAM 更新データ書き込み開放 Invalid 更新コピー Block A NAND Host からの Write 要求更新管理サイズプログラムデータ記録位置の管理 Block B Invalid ファイルシステム更新 Erase LBA 空間記録位置の更新更新したいデータ量と管理サイズが書き込み効率へ影響例. 管理サイズ 8KB に対して 4KB の書き込みを行った場合には書き込み量は 2 倍 25

26 SSD を開発する (6) データ管理サイズの選択 District0 District1 ページ管理だとテーブルがたくさん必要でDRAMに入りきらない例 8KBページで512GBを管理する場合には 64Mエントリ *4B=256MB 書き込み効率は良い例 8KB 管理時に4KB 書き込みを行った場合には書き込み効率 2 倍 Block Page ブロック管理だとテーブルが小さく済む例 1MBブロックで512GBを管理する場合には512Kエントリ *4B=2MB 書き込み効率が悪い例 1MB 管理時に4KB 書き込みを行った場合には書き込み効率 256 倍 Peripheral Circuit どうやって管理するかが各社のノウハウすみませんあまりお話できません 26

27 SSD を開発する (7) 余裕容量と性能余裕容量が多いと 1 書き込み速度向上 2 書き換え効率改善する余裕容量少ない余裕容量多い Valid Data Invalid Data 未書込み余裕容量が多いと性能は高くなる ( ( 反面ユーザー容量が減る ) ) 新たに作り出せた未書込み領域新たに作り出せた未書込み領域 27

28 SSD を開発する (8) SSD の要素技術ファイル管理メモリ管理 Out of Order Issue NAND 動作時に他の要求がきたときの処理技術 CPU I/F 暗号化セキュリティ技術 Command Queue ECC NANDC NAND NAND NAND SATA/SAS 6Gbps 性能予測シミュレーション検索圧縮 etc. HW 化 HW engine DRAMC DRAM 高度な誤り訂正技術電源断対策 Log コミットメント NAND キャッシュ管理アルゴリズム 28

29 SSD を開発する (9) SSD 向けSoC 開発 NAND 世代ごとに開発エラー訂正の高度化速度向上の要求 I/Fの高速化先端プロセスで低価格化 HW と同時に FW も重要単純な処理はHW : 高速化のため複雑な処理はFW : 処理の柔軟性のためコンピュータアーキテクチャ技術の塊キャッシュ誤り訂正並列処理シミュレーション技術 etc. 設計検証技術 HW/FW Co-design, SW エミュレータ上での FW 開発, Chip 全体検証, ランダム検証 29

30 4 Future of SSD 30

31 SSD の今後 (1) 今後のSSDマーケット発展の為に考えると性能競争はほどほどに速けりゃ良いってモノでもなくなりつつあるのでは? 最大速度以外にやるべきことはあるはず小さいのが価値だ半導体の特徴を活かしたいろんなForm Factorが必要とされている脱 HDD 互換 Form Factor 次世代メモリの活用 NANDでないデバイスでSSDを作る新しいアーキテクチャ新しいアルゴリズム検討する 31

32 SSD の今後 (2) Ultra 高速 SSD の意味 PCMark05 実行結果と理想値の予測ベンチマーク実行時間の比較 score XP Startup (MB/s) Application Loading (MB/s) General Usage (MB/s) Virus Scan (MB/s) File Write (MB/s) 評価環境 PC: DELL INSPIRON 530 某 HDD 弊社 SSD Gen2 理想値 Gen3 理想値実行時間 (s) 某 HDD 30%up 弊社 SSD 6%up Gen2 理想値データ転送時間要求待ち時間 2%up Gen3 理想値 OS: Windows XP Pro. 32

33 SSD の今後 (3) Ultra 高速 SSDの意味 Single Process Process 1 Process 1 ウイルススキャンやバックグラウンドサービスが動作中にアプリケーションを起動する場合など Process 2 Process 2 CPU 処理時間 CPUリソース割当待ちディスクIO ディスクIO 待ちが見える Single CPU :: Multi Process Process 1 Process 2 Process 1 Process 2 ディスク IO が高速になると全体的に速くなるが CPU 待ちが見える Multi CPU :: Multi Process Process 1 Process 2 Process 1 Process 2 Multi CPU & Multi Process で特に高速 SSD の効果が大きい (Multi CPU 環境が標準になりつつある ) 33

34 SSD の今後 (4) 小型化への挑戦フラッシュカード,MCP では既に始まっている WAFER LEVEL CSP, Si チップ上への再配線技術を応用 34

35 Ch.3 CE1 Ch.3 CE1 Ch.3 CE0 Ch.3 CE0 Ch.2 CE1 Ch.2 CE1 Ch.2 CE0 Ch.2 CE0 Ch.1 CE0 Ch.1 CE0 Ch.1 CE1 Ch.1 CE1 Ch.0 CE0 Ch.0 CE0 Ch.0 CE1 Ch.0 CE1 X16 x16 X16 X16 CE1 CE0 CE0 CE1 SSD の今後 (5) 小型化への挑戦 2.5 インチ筐体内部 Half Slim msata 極小 SSD Stacked PKG 最終目標 1PKG-SSD 超多段 St 技術基板埋め込み技術 1PKG Storage 35

36 SSD の今後 (6) 小型化への挑戦 ( 1 パッケージソリューション ) 現状の SSD 53.6x70.6mm 3784mm 2 実装技術活用実装面積 PKG SSD 極薄技術活用 14x18mm 252mm 2 実装技術のみならず極薄技術歩留まり Test 技術熱問題 etc etc 様々な技術の開発課題の克服が今後の SSD 発展に不可欠である 36

37 おわりに Future Green Network with SSD Cloud Server Information Explosion Digital TV Home Server Smart Home Mobile Thin Client Medical Smart Grid 37

38 ご清聴有難うございました Last Page 38

Microsoft PowerPoint - web_ SSDの基礎 ppt

Microsoft PowerPoint - web_ SSDの基礎 ppt SSD の基礎 HDD と SSD の特性差株式会社東芝セミコンダクター社メモリ事業部 SSD 応用技術部永井宏一多部光一 JDSF~JAVCOM2010 年秋季技術交流セミナー SSD の最新情報から映像まで主催 : JDSF 技術交流 WG 共催 : JAVCOM 技術研究委員会 2010/10/27 2010 年秋季 JDSF~JAVCOM 技術交流セミナー SSD の最新情報から映像まで