Microsoft PowerPoint - web_ SSDの基礎 ppt

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - web_ SSDの基礎 ppt"

まなみょうだに
4 years ago
Views:

1 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

2 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 SSD の基礎 HDD と SSD の特性差永井宏一 2010 年 10 月 27 日於 : 東放学園大学株式会社東芝セミコンダクター社メモリ事業部 SSD 応用技術部多部光一

3 Agenda 1 はじめに HDD と SSD の仕様比較 2 HDD 及び SSD の原理と基本特性 3 4 SSD の基本的動作の仕組みと SSD 固有の振る舞いおわりに 2

4 はじめに HDD と SSD の仕様比較 3

5 PC 用 HDD と SSD (Solid State Drive) の仕様比較例 HDD SSD 容量 640GB 512GB サイズ Interface 転送レートセクター長 2.5 FF ( 高さ 9.5mm 幅 69.85mm 奥行 100.0mm) SATA (3Gbps) 512Byte 回転数 7200rpm N/A データ転送速度 ( 最大 ) 約 115MiB/s 平均回転待ち時間 4.16ms N/A 平均シーク時間 11 msec(read) 12 msec(write) 220MiB/s(Read) 180MiB/s(Write) N/A トラック間シーク時間 1ms N/A 最大シーク時間 19ms N/A 電圧消費電力 ( 最大 ) 5.5W 3.4W 質量 110g 58g 5V HDD コンパチアクセスタイム短い消費電力小さい速い 4

6 PC 用 HDD と SSD (Solid State Drive) の仕様比較例 HDD SSD 容量 640GB 512GB サイズ Interface 転送レートセクター長 2.5 FF ( 高さ 9.5mm 幅 69.85mm 奥行 100.0mm) SATA (3Gbps) 512Byte 回転数 7200rpm N/A データ転送速度 ( 最大 ) 約 115MiB/s 平均回転待ち時間 4.16ms N/A 平均シーク時間 11 msec(read) 12 msec(write) 220MiB/s(Read) 180MiB/s(Write) N/A トラック間シーク時間 1ms N/A 最大シーク時間 19ms N/A 電圧 SSD を使用すればどんな用途でも簡単に性能 UP!!? 5V 消費電力 ( 最大 ) 5.5W 3.4W 質量 110g 58g HDD コンパチアクセスタイム短い消費電力小さい速い 5

7 PC 用 HDD と SSD (Solid State Drive) の仕様比較例 HDD SSD 容量 640GB 512GB サイズ Interface 転送レートセクター長 2.5 FF ( 高さ 9.5mm 幅 69.85mm 奥行 100.0mm) SATA (3Gbps) 512Byte 回転数 7200rpm N/A データ転送速度約 115MiB/s 220MiB/s(Read) ( 最大 ) 180MiB/s(Write) 速いというほど話は簡単ではありません平均回転待ち時間 4.16ms N/A 平均シーク時間 11 msec(read) N/A 12 msec(write) アクセスタイムトラック間シーク時間 1ms N/A 短い最大シーク時間 19ms N/A 電圧 SSD を使用すればどんな用途でも簡単に性能 UP!!? 5V 消費電力 ( 最大 ) 5.5W 3.4W 質量 110g 58g HDD コンパチ消費電力小さい 6

8 SSD に関する巷の情報プチフリって聞くが? TRIMがないとSSDは性能が落ち寿命が短くなる? 書換え寿命に達するとすぐ壊れる? 使っていくと性能が落ちる? デフラグはSSDの寿命を縮めるだけ? 7

9 HDD 及び SSD の原理と基本特性 8

10 HDD 及び SSD の原理と基本特性記録原理 HDD 磁気ダイレクトオーバーライト SSD 電荷消去してから記録記録媒体磁気ディスク NAND フラッシュメモリー記録による媒体劣化無有読み出しによる情報劣化無有年月温度による情報劣化無視できる考慮が必要アクセス場所の決定方法磁気ディスクの面半径位置周方向位置スピンドルモータとシーク機構が必要電子スイッチ LBA と物理記録位置原則として固定対応は可変記録再生単位セクターサイズ単位 (Large Sector でも 4KiB 程度 ) セクターサイズよりかなり大きい消去単位はさらに大きい 9

11 HDD の速度速度の要因物理的な因子 : これが主因 LBAと物理的記録位置が原則として固定機構的な仕組みでアクセス LBAが離れればアクセス時間が延びるディスクは一定速度で回転し記録密度はディスク全体でほぼ均一したがって外周ほど転送レートが速く内周は遅いファームウェア処理 : 副因 (HDDの高密度化に伴い増えてきたが) スペアセクターによる交替処理キャリブレーション処理など物理的な要因は LBA によってコントロール可能性能を上げるためにはスピードが必要なデータは外周に記録同一ファイルはLBAを連続させる関連するファイルはLBA 空間内で近くに配置ファイルシステムはこれらのHDDの特性を考慮して設計されている 10

12 SSD の基本的動作の仕組みと SSD 固有の振る舞い 11

SSD の基本的構造 SSD の構造例コネクタ HDD と同様の SATA micro SATA

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 MLC( 現在は 4 値 )

SSD 用では 1 パッケージに 8chip まで積層この例では SSD1 台に 64

13 SSD の基本的構造 SSD の構造例コネクタ HDD と同様の SATA micro SATA の他 msata 等も DRAM 各種管理データの保持 Cache 用コントローラ内部の SRAM で済ませて不要の場合もありコントローラ 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 MLC( 現在は 4 値 ) 技術により低価格 / 大容量化を実現 ( SLC(2 値 )NAND が使用される場合もある ) SSD 用では 1 パッケージに 8chip まで積層この例では SSD1 台に 64 チップまで搭載可能形状 2.5inch case ( コネクタ :SATA) 1.8inch case ( コネクタ :Micro SATA) 1.8inch case less < 筐体なし > ( コネクタ :Micro SATA) Half Slim < 筐体なし > ( コネクタ :SATA) msata ( コネクタ :msata) など 12

14 NAND の SLC と MLC 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 倍になる最近は 1 セルあたり 3 ビットを格納できる MLC もでてきた 0,1 0,0 セルデータ 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 13

15 NAND 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 NANDはすぐ壊れる 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 14

16 NAND と SSD の論理構造 NAND 読み書きの単位 : ページページにはオーバーライトできない. 消去の単位 : ブロックブロックにはページ単位で順番に追記 ( ブロック内ランダム記録不可 ) 32Gibit チップの例 8KiB/page * 128 page/block * 4096 block 物理容量はこれにECCのための冗長予備ブロックの容量が含まれる SSD SSDは高速化のため論理的に複数チップを1つとして扱う場合があるー > 論理ページ & ブロックサイズはさらに拡大 SSDは 1セクター (512Byte) 単位での読書きが必要 NANDの論理ページ / ブロックサイズとセクターサイズの差やランダムアクセスの制限を解決する手段データ管理システムが必要!! 15

17 SSD のデータ管理システム NANDの制約を吸収 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実現 NAND DRAM キャッシュ管理書き込み効率向上消去回数の均一化寿命を延ばす Block Page Page Page Page SSD データ管理システム NAND Sector Sector Sector Sector DRAM Cache 16

18 データ更新方法の原理 (Read-Modify-Write) DRAM 3 更新データ書込み更新 2 コピー NAND Block A 1Host からの Write 要求更新データ記録位置の管理管理サイズデータ管理システム Block B Invalid LBA 空間 17

19 データ更新方法の原理 (Read-Modify-Write) DRAM 更新 NAND Block A Host からの Write 要求更新データ記録位置の管理管理サイズデータ管理システム 4 Block B Erase LBA 空間 18

20 データ更新方法の原理 (Read-Modify-Write) DRAM 更新 NAND Block A 5 記録 Host からの Write 要求更新データ記録位置の管理管理サイズデータ管理システム Block B Invalid 更新 LBA 空間安全のため違うブロックに書き戻す 19

21 データ更新方法の原理 (Read-Modify-Write) 開放 Invalid 更新 DRAM NAND Block A Invalid Host からの Write 要求更新データ記録位置の管理管理サイズデータ管理システム Block B Invalid 更新 LBA 空間 6 記録位置の更新安全のため違うブロックに書き戻す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 8KiB に対して 4KiB の書き込みを行った場合には書き込み量は 2 倍 20

22 データ管理サイズの選択ページ管理テーブルが大きくなり大容量 DRAMが必要例 8KiBページで512GiBを管理 64Miエントリ *4B=256MiB 書き込み効率は良い例 8KiB 管理時に4KiB 書き込み書き込み効率 2 倍ガーベージコレクション処理が必要応答悪化要因記録に追いつかないと極端に悪化する場合がある休ませると処理が進み回復するブロック管理テーブルが小さく済む例 1MBブロックで512GBを管理 512Kiエントリ *4B=2MiB 書き込み効率が悪い-> 記録速度低下要因例 1MiB 管理時に4KiB 書き込み書き込み効率 256 倍 District0 District1 Page Block Peripheral Circuit どうやって管理するかが各社のノウハウ 21

23 ページ管理における余裕容量と性能余裕容量増大の効果 1 書き込み速度向上 2 書き換え効率改善余裕容量少ない余裕容量多い Valid Data Invalid Data 未書込み 22

24 ページ管理における余裕容量と性能余裕容量増大の効果 1 書き込み速度向上 2 書き換え効率改善余裕容量少ない余裕容量多い Valid Data Invalid Data 未書込み 23

25 ページ管理における余裕容量と性能余裕容量増大の効果 1 書き込み速度向上 2 書き換え効率改善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 24

) 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

26 SSD のキャッシュランダムアクセス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 NAND 内キャッシュも使用アクセスには日を超えて局所性がある ( 多段キャッシュ構成 ) 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 キャッシュのサイズ管理方法がポイント時間 SSD のキャッシュ構成例 DRAM キャッシュが大きければ高性能というわけではない 25

27 TRIM コマンド TRIMコマンドとは SSDのために作られたコマンドドライブに対し無効となったセクターを知らせる例えばファイルシステム上でファイルが消去された場合ファイルの実体が記録されていたセクターを TRIMで無効化になったことを知らせる受け取ったSSDが何をするかはSSD 依存場合によっては何もしなくてもよい ( データが消えるとは限らない ) SSD 内のInvalid Dataを保持するページが増大ページ管理部分にのみ効果あり余裕容量が増えるのと同等の効果無効なデータをコピーしなくて済むので速度低下が減り寿命が延びるブロック管理部分にはほとんど効果無ページ管理が主体のSSDには効果があり残り容量が少ない場合はデフラグの方が有効な場合あり TRIM コマンドの効果は SSD 依存 26

28 SSD の故障モード 1. NAND のブロック故障が増加して動作不能になる Read Only Mode に移行する実装もある 2. エラー訂正に失敗してデータが失われるホストにはUNC(Uncorrectable Error) 応答 NANDの消耗温度記録後の経過時間の影響で確率が変動する 3. ATA コマンドも処理できない NANDチップ丸ごと故障コントローラ故障 DRAM 故障など 27

29 SSD の故障確率 SSD の故障確率は以下の変数による関数 11 Drive 全体の容量 NAND の書換え回数を求める (1 日 4GiB/day 5 年使用, 書き込み効率 6 として ) 22 累積書込み量平均的なClient PC では 4GiB/day 書き込み効率ホストから 1 書いたときの SSD 内部での実書き込み量使い方で大きく変動 2 4GiB* 1825 日 (5 年 ) 3 6( 書き込み効率 ) 書き換え回数 342 回 = GiB 現在のNANDの実力に対して十分すぎる余裕があり SSD の故障確率はユーザによって異なってくる 33 ユーザ度数故障確率ユーザの累積書き換え回数の分布イメージ 1bit でもエラーしたら故障と考える書き換え回数 28

30 SSD の寿命を延ばす技術 (1/2) ウエアレベリング消去回数を均一化する技術レベル1: 通常動作無効ブロックリストから消去回数の少ないブロックを選んで記録副作用無レベル2: 有効ブロックリストに消去回数が非常に少ないブロックがある場合書換えられないままの領域がある場合に発生する有効ブロックのデータを無効ブロックにコピーし元のブロックに記録副作用あり ( 書込み効率悪化消去回数の増大書込み速度低下 ) ウエアレベリングの原理記録ブロック無効ブロック記録ブロック無効ブロックレベル1 レベル

31 SSD の寿命を延ばす技術 (1/2) ウエアレベリング消去回数を均一化する技術レベル1: 通常動作無効ブロックリストから消去回数の少ないブロックを選んで記録副作用無レベル2: 有効ブロックリストに消去回数が非常に少ないブロックがある場合書換えられないままの領域がある場合に発生する有効ブロックのデータを無効ブロックにコピーし元のブロックに記録副作用あり ( 書込み効率悪化消去回数の増大書込み速度低下 ) ウエアレベリングの原理書換取出複写書換記録ブロック無効ブロック記録ブロック無効ブロックレベル1 レベル

32 SSDの寿命を延ばす技術 (2/2) NANDのエラーレート ECC とリフレッシュ書換え回数が増えるにつれ悪化記録後時間の経過とともに悪化 ( 高温だとより加速される ) 同じデータの繰り返し読み出しで悪化隣接データの繰り返し読み出しで悪化セル以外の故障に起因する増加 ECC 等によるデータエラー修復同じNANDチップでも寿命はエラー訂正能力で変わる訂正方法によってはエラーレートが悪化すると訂正時間がホストから見えるようになる -> 応答性能の悪化 ECC の訂正限界を超える前に書き直す -> リフレッシュ副作用消去回数増加応答悪化 31

33 HDD と SSD の消費電力と電力量最大消費電力は HDDでは起動時なのに対し SSDはWrite 時 Staggered Spin-up では回避できない SSD 内部での裏処理のWriteもあるので外部からタイミングをコントロールするのは難しい RAID 構築時電源容量注意 SSDは Read/Write 時以外は消費電力が非常に小さいので電力量は削減できる HDD(640GB) Startup 5.5W N/A SSD(512GB) Read/Write 2.1W/2.1W 1.8W/3.4W Seek 2.3W N/A Idle 1100mw(Active Idle) 210mW (PhyRdy) Idle 800mW(Low Power Idle) 53mW (Slumber) Standby 160mW 53mW (Slumber) Sleep 130mW 53mW (Slumber) 32

34 使用に伴う長期的性能劣化使用に伴いリフレッシュ頻度増加エラー訂正時間増加記録単位の断片化 ( ファイルシステム側で空き領域をデフラグすると応答改善に効く場合がある ) などの劣化要因の反面記録時間減少という性能向上効果もあるどの要因が表れるかはSSDと使い方次第偽劣化 HDD 用ベンチマークプログラムは未記録のセクターでも読むものがある SSDでは未記録のセクターは読むNANDが無く読まずに0を返す実装があるこのようなプログラムで測定すると記録領域が増えるにつれ読み出し速度が劣化するように見える 33

35 おわりに 34

36 おわりに SSD は機械的電気的論理的インターフェースは HDDと同じで互換あり中身は HDDとまったく別物 Client PC 用 SSDはその用途に使う分には何も考えなくても不都合無いように設計されている ( 筈 ) 設計の想定外の用途に使う場合に期待通り動くかはわからない応答遅れの原因ガーベージコレクションなどのデータ整理リフレッシュウエアレベリングエラー訂正その他 ( エラーリカバリ管理情報記録 ) 応答遅れ低減方法 TRIMが効くSSDと効かないSSDがあるようにアーキテクチャと実装に強く依存リアルタイム性を重視される場合は注意が必要 35

Microsoft PowerPoint - ARC187EMB 提出用.ppt

Microsoft PowerPoint - ARC187EMB 提出用.ppt 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 応用技術部参事土屋憲司 Copyright 2009, Toshiba Corporation. NSKTCM-125, Dec. 09 1 Contents 1 NAND and SSD Market Over