Comment fonctionnent les SSD? – ExtremeTech

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Chez ExtremeTech, nous avons souvent discuté de la différence entre différents types de structures NAND – NAND vertical contre planaire, ou cellule à plusieurs niveaux (MLC) contre cellules à trois niveaux (TLC) et cellules à quatre niveaux (QLC). Maintenant, parlons de la question pertinente la plus fondamentale: comment fonctionnent les SSD en premier lieu, et comment se comparent-ils avec les nouvelles technologies, comme la technologie de stockage non volatile d’Intel, Optane?

Pour comprendre comment et pourquoi les SSD sont différents des disques en rotation, nous devons parler un peu des disques durs. Un disque dur stocke les données sur une série de disques magnétiques en rotation appelés plateaux. Il y a un bras d’actionneur avec des têtes de lecture / écriture attachées. Ce bras positionne les têtes de lecture-écriture sur la zone correcte du lecteur pour lire ou écrire des informations.

Étant donné que les têtes de lecteur doivent s’aligner sur une zone du disque pour lire ou écrire des données et que le disque tourne constamment, il y a un délai avant d’accéder aux données. Le lecteur peut avoir besoin de lire à partir de plusieurs emplacements afin de lancer un programme ou de charger un fichier, ce qui signifie qu’il peut être nécessaire d’attendre que les plateaux tournent dans la position appropriée plusieurs fois avant de pouvoir exécuter la commande. Si un lecteur est en veille ou en état de faible consommation, le disque peut mettre plusieurs secondes de plus à tourner à pleine puissance et à commencer à fonctionner.

Dès le début, il était clair que les disques durs ne pouvaient pas correspondre à la vitesse à laquelle les CPU pouvaient fonctionner. La latence des disques durs est mesurée en millisecondes, par rapport aux nanosecondes pour votre processeur typique. Une milliseconde équivaut à 1 000 000 nanosecondes, et il faut généralement 10 à 15 millisecondes à un disque dur pour trouver des données sur le disque et commencer à les lire. L’industrie des disques durs a introduit des plateaux plus petits, des caches de mémoire sur disque et des vitesses de rotation plus rapides pour contrer cette tendance, mais il n’y a que des disques aussi rapides qui peuvent tourner. La famille VelociRaptor de 10 000 tr / min de Western Digital est l’ensemble de disques le plus rapide jamais conçu pour le marché grand public, tandis que certains disques d’entreprise tournent aussi vite que 15 000 tr / min. Le problème est que même le disque qui tourne le plus rapidement avec les plus grands caches et les plus petits plateaux est toujours terriblement lent en ce qui concerne votre CPU.

Différences entre les SSD

“Si j’avais demandé aux gens ce qu’ils voulaient, ils auraient dit des chevaux plus rapides.” – Henry Ford

Les disques SSD sont appelés ainsi précisément parce qu’ils ne dépendent pas de pièces mobiles ou de disques en rotation. Au lieu de cela, les données sont enregistrées dans un pool de mémoires flash NAND. La NAND elle-même est constituée de ce qu’on appelle des transistors à grille flottante. Contrairement aux conceptions de transistor utilisées dans la DRAM, qui doivent être actualisées plusieurs fois par seconde, le flash NAND est conçu pour conserver son état de charge même lorsqu’il n’est pas alimenté. Cela fait de la NAND un type de mémoire non volatile.

Structure des cellules Flash

Image de Cyferz sur Wikipedia, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0.

Le diagramme ci-dessus montre une conception de cellule flash simple. Les électrons sont stockés dans la grille flottante, qui se lit alors comme «0» chargé ou «1» non chargé. Oui, dans le flash NAND, un 0 signifie que les données sont stockées dans une cellule – c’est l’opposé de la façon dont nous pensons généralement à un zéro ou à un. Le flash NAND est organisé en grille. L’ensemble de la disposition de la grille est appelé un bloc, tandis que les lignes individuelles qui composent la grille sont appelées une page. Les tailles de page courantes sont 2K, 4K, 8K ou 16K, avec 128 à 256 pages par bloc. La taille des blocs varie donc généralement entre 256 Ko et 4 Mo.

Un avantage de ce système devrait être immédiatement évident. Étant donné que les SSD n’ont pas de pièces mobiles, ils peuvent fonctionner à des vitesses bien supérieures à celles d’un disque dur typique. Le graphique suivant montre la latence d’accès pour les supports de stockage typiques donnée en microsecondes.

SSD-Latency

Image par CodeCapsule

La NAND est loin d’être aussi rapide que la mémoire principale, mais elle est de plusieurs ordres de grandeur plus rapide qu’un disque dur. Bien que les latences d’écriture soient considérablement plus lentes pour le flash NAND que les latences de lecture, elles dépassent toujours les supports de rotation traditionnels.

Il y a deux choses à noter dans le tableau ci-dessus. Tout d’abord, notez comment l’ajout de bits par cellule de NAND a un impact significatif sur les performances de la mémoire. C’est pire pour les écritures que pour les lectures – la latence typique de la cellule à trois niveaux (TLC) est 4x pire par rapport à la cellule NAND à cellule à un niveau (SLC) pour les lectures, mais 6x pire pour les écritures. Les latences d’effacement sont également fortement impactées. L’impact n’est pas non plus proportionnel: la NAND TLC est presque deux fois plus lente que la NAND MLC, bien qu’elle ne contienne que 50% de données en plus (trois bits par cellule, au lieu de deux). Cela est également vrai pour les disques QLC, qui stockent encore plus de bits à différents niveaux de tension dans la même cellule.

La raison pour laquelle TLC NAND est plus lent que MLC ou SLC est liée à la manière dont les données entrent et sortent de la cellule NAND. Avec SLC NAND, le contrôleur a seulement besoin de savoir si le bit est un 0 ou un 1. Avec MLC NAND, la cellule peut avoir quatre valeurs – 00, 01, 10 ou 11. Avec TLC NAND, la cellule peut avoir huit valeurs et QLC en a 16. La lecture de la valeur appropriée hors de la cellule nécessite que le contrôleur de mémoire utilise une tension précise pour vérifier si une cellule particulière est chargée.

Lit, écrit et efface

L’une des limitations fonctionnelles des SSD est qu’ils peuvent lire et écrire des données très rapidement sur un lecteur vide, l’écrasement des données est beaucoup plus lent. En effet, bien que les disques SSD lisent des données au niveau de la page (c’est-à-dire à partir de lignes individuelles dans la grille de mémoire NAND) et puissent écrire au niveau de la page, en supposant que les cellules environnantes sont vides, ils ne peuvent effacer les données qu’au niveau du bloc. En effet, le fait d’effacer le flash NAND nécessite une tension élevée. Bien que vous puissiez théoriquement effacer la NAND au niveau de la page, la quantité de tension requise sollicite les cellules individuelles autour des cellules en cours de réécriture. L’effacement des données au niveau du bloc permet d’atténuer ce problème.

La seule façon pour un SSD de mettre à jour une page existante est de copier le contenu de tout le bloc dans la mémoire, d’effacer le bloc, puis d’écrire le contenu de l’ancien bloc + la page mise à jour. Si le lecteur est plein et qu’aucune page vide n’est disponible, le SSD doit d’abord rechercher les blocs marqués pour suppression mais qui n’ont pas encore été supprimés, les effacer, puis écrire les données sur la page maintenant effacée. C’est pourquoi les disques SSD peuvent devenir plus lents à mesure qu’ils vieillissent – un disque presque vide est plein de blocs qui peuvent être écrits immédiatement, un disque presque plein est plus susceptible d’être forcé à travers toute la séquence programme / effacement.

Si vous avez utilisé des disques SSD, vous avez probablement entendu parler de ce qu’on appelle la «collecte des ordures». Le garbage collection est un processus d’arrière-plan qui permet à un lecteur d’atténuer l’impact sur les performances du cycle de programme / effacement en effectuant certaines tâches en arrière-plan. L’image suivante parcourt le processus de récupération de place.

Collecte des ordures

Image reproduite avec l’aimable autorisation de Wikipedia

Notez que dans cet exemple, le lecteur a profité du fait qu’il peut écrire très rapidement sur des pages vides en écrivant de nouvelles valeurs pour les quatre premiers blocs (A’-D). Il a également écrit deux nouveaux blocs, E et H. Les blocs A-D sont désormais marqués comme périmés, ce qui signifie qu’ils contiennent des informations que le lecteur a marquées comme obsolètes. Pendant une période d’inactivité, le SSD déplacera les nouvelles pages vers un nouveau bloc, effacera l’ancien bloc et le marquera comme espace libre. Cela signifie que la prochaine fois que le SSD devra effectuer une écriture, il pourra écrire directement sur le bloc X maintenant vide, plutôt que d’effectuer le cycle de programmation / effacement.

Le prochain concept que je veux discuter est TRIM. Lorsque vous supprimez un fichier de Windows sur un disque dur classique, le fichier n’est pas supprimé immédiatement. Au lieu de cela, le système d’exploitation indique au disque dur qu’il peut écraser la zone physique du disque où ces données ont été stockées la prochaine fois qu’il devra effectuer une écriture. C’est pourquoi il est possible de restaurer des fichiers (et pourquoi la suppression de fichiers dans Windows n’efface généralement pas beaucoup d’espace disque physique tant que vous ne videz pas le bac de recyclage). Avec un disque dur traditionnel, le système d’exploitation n’a pas besoin de faire attention à l’endroit où les données sont écrites ou à l’état relatif des blocs ou des pages. Avec un SSD, cela compte.

La commande TRIM permet au système d’exploitation d’indiquer au SSD qu’il peut ignorer la réécriture de certaines données la prochaine fois qu’il effectuera un effacement de bloc. Cela réduit la quantité totale de données écrites par le disque et augmente la longévité du SSD. Les lectures et les écritures endommagent le flash NAND, mais les écritures font beaucoup plus de dégâts que les lectures. Heureusement, la longévité au niveau du bloc ne s’est pas avérée être un problème dans le flash NAND moderne. Plus de données sur la longévité des SSD, gracieuseté du rapport technique, peuvent être trouvées ici.

Les deux derniers concepts dont nous voulons parler sont le nivellement d’usure et l’amplification d’écriture. Étant donné que les disques SSD écrivent des données dans les pages mais effacent les données en blocs, la quantité de données en cours d’écriture sur le lecteur est toujours supérieure à la mise à jour réelle. Si vous apportez une modification à un fichier 4Ko, par exemple, le bloc entier dans lequel se trouve le fichier 4K doit être mis à jour et réécrit. Selon le nombre de pages par bloc et la taille des pages, vous pourriez finir par écrire 4 Mo de données pour mettre à jour un fichier de 4 Ko. La récupération de place réduit l’impact de l’amplification d’écriture, tout comme la commande TRIM. Garder une partie importante du disque libre et / ou un sur-approvisionnement du fabricant peut également réduire l’impact de l’amplification d’écriture.

Le nivellement de l’usure fait référence à la pratique consistant à s’assurer que certains blocs NAND ne sont pas écrits et effacés plus souvent que d’autres. Bien que le nivellement par l’usure augmente l’espérance de vie et l’endurance d’un lecteur en écrivant également dans la NAND, il peut en fait augmenter l’amplification d’écriture. Dans d’autres, pour répartir les écritures de manière uniforme sur le disque, il est parfois nécessaire de programmer et d’effacer des blocs même si leur contenu n’a pas réellement changé. Un bon algorithme de nivellement de l’usure cherche à équilibrer ces impacts.

Le contrôleur SSD

Il devrait maintenant être évident que les SSD nécessitent des mécanismes de contrôle beaucoup plus sophistiqués que les disques durs. Ce n’est pas pour dissiper les supports magnétiques – je pense en fait que les disques durs méritent plus de respect qu’ils ne le sont. Les défis mécaniques liés à l’équilibrage de plusieurs têtes de lecture-écriture à des nanomètres au-dessus de plateaux qui tournent entre 5 400 et 10 000 tr / min ne sont pas à éternuer. Le fait que les disques durs relèvent ce défi tout en ouvrant la voie à de nouvelles méthodes d’enregistrement sur des supports magnétiques et finissent par vendre des disques à 3-5 cents le gigaoctet est tout simplement incroyable.

Contrôleur SSD

Un contrôleur SSD typique

SSD contrôleurs, cependant, sont dans une classe à part. Ils ont souvent un pool de mémoire DDR3 ou DDR4 pour aider à gérer la NAND elle-même. De nombreux lecteurs intègrent également des caches de cellules à un niveau qui agissent comme des tampons, augmentant les performances du lecteur en dédiant des NAND rapides aux cycles de lecture / écriture. Étant donné que la mémoire flash NAND d’un SSD est généralement connectée au contrôleur via une série de canaux de mémoire parallèles, vous pouvez considérer le contrôleur de lecteur comme effectuant le même travail d’équilibrage de charge qu’une matrice de stockage haut de gamme – les SSD ne le font pas déployer RAID en interne mais le nivellement de l’usure, la collecte des ordures et la gestion du cache SLC ont tous des parallèles dans le grand monde du fer.

Certains lecteurs utilisent également des algorithmes de compression de données pour réduire le nombre total d’écritures et améliorer la durée de vie du lecteur. Le contrôleur SSD gère la correction des erreurs et les algorithmes qui contrôlent les erreurs sur un seul bit sont devenus de plus en plus complexes au fil du temps.

Malheureusement, nous ne pouvons pas entrer dans trop de détails sur les contrôleurs SSD, car les entreprises verrouillent leurs diverses sauces secrètes. Une grande partie des performances du flash NAND est déterminée par le contrôleur sous-jacent, et les entreprises ne sont pas disposées à lever trop loin la façon dont elles font ce qu’elles font, de peur de donner un avantage à un concurrent.

Interfaces

Au début, les SSD utilisaient des ports SATA, tout comme les disques durs. Ces dernières années, nous avons assisté à une transition vers les disques M.2 – des disques très minces, de plusieurs pouces de long, qui s’insèrent directement dans la carte mère (ou, dans certains cas, dans un support de montage sur une carte de montage PCIe. Un Samsung Le lecteur 970 EVO Plus est illustré ci-dessous.


Les disques NVMe offrent des performances supérieures aux pilotes SATA traditionnels car ils prennent en charge une interface plus rapide. Les SSD conventionnels connectés via SATA atteignent ~ 550 Mo / s en termes de vitesses de lecture / écriture pratiques. Les disques M.2 sont capables de performances nettement plus rapides dans la plage de 3,2 Go / s.

La route à suivre

Le flash NAND offre une énorme amélioration par rapport aux disques durs, mais il n’est pas sans ses propres inconvénients et défis. Les capacités des disques et le prix par gigaoctet devraient continuer d’augmenter et de diminuer respectivement, mais il y a peu de chances que les SSD capturent les disques durs au prix par gigaoctet. Le rétrécissement des nœuds de processus est un défi important pour le flash NAND – alors que la plupart du matériel s’améliore à mesure que le nœud rétrécit, le NAND devient plus fragile. Les temps de rétention des données et les performances d’écriture sont intrinsèquement inférieurs pour la NAND 20 nm et la NAND 40 nm, même si la densité des données et la capacité totale sont considérablement améliorées. Jusqu’à présent, nous avons vu des disques avec jusqu’à 96 couches sur le marché, et 128 couches semblent plausibles à ce stade. Dans l’ensemble, le passage à la NAND 3D a contribué à améliorer la densité sans rétrécir les nœuds de processus ou s’appuyer sur une mise à l’échelle planaire.

Jusqu’à présent, les fabricants de SSD ont fourni de meilleures performances en offrant des normes de données plus rapides, plus de bande passante et plus de canaux par contrôleur, ainsi que l’utilisation des caches SLC que nous avons mentionnés précédemment. Néanmoins, à long terme, il est supposé que la NAND sera remplacée par autre chose.

À quoi ressemblera cette autre chose est toujours ouvert au débat. La RAM magnétique et la mémoire à changement de phase se sont toutes deux présentées comme des candidats, bien que les deux technologies en soient encore aux premiers stades et doivent surmonter des défis importants pour réellement rivaliser en remplacement de la NAND. La question de savoir si les consommateurs remarqueraient la différence est une question ouverte. Si vous avez effectué une mise à niveau de NAND vers un SSD, puis une mise à niveau vers un SSD plus rapide, vous savez probablement que l’écart entre les disques durs et les SSD est beaucoup plus important que l’écart entre les disques SSD et SSD, même lors de la mise à niveau à partir d’un lecteur relativement modeste. Améliorer les temps d’accès de quelques millisecondes à quelques microsecondes est très important, mais les améliorer des microsecondes aux nanosecondes pourrait tomber en dessous de ce que les humains peuvent vraiment percevoir dans la plupart des cas.

Le 3D XPoint d’Intel (commercialisé sous le nom d’Intel Optane) est devenu l’un des concurrents potentiels du flash NAND et la seule technologie alternative actuelle dans la production grand public. Les SSD Optane n’utilisent pas de NAND – ils sont construits à l’aide d’une mémoire non volatile censée être implémentée de manière similaire à la RAM à changement de phase – mais ils offrent des performances séquentielles similaires à celles des lecteurs flash NAND actuels, mais avec des performances bien meilleures dans les files d’attente de lecteurs faibles. La latence du disque représente également environ la moitié du flash NAND (10 microsecondes contre 20) et une endurance considérablement plus élevée (30 écritures complètes par jour, contre 10 écritures complètes par jour pour un SSD Intel haut de gamme).

Optane1

Objectifs de performance Intel Optane

Optane est désormais disponible dans une grande variété de formats, notamment des cartes d’extension de serveur, des SSD personnels et en tant que cache complémentaire pour accélérer un disque dur conventionnel. Intel a également fait d’Optane une forme de mémoire à connexion directe avec beaucoup plus de capacité disponible au total que la DRAM, au prix de latences d’accès plus élevées.

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