Budúcnosť solid state diskov menom enterprise MLC

Väčšiemu rozšíreniu SSD (solid state drives) stále bránia ich vysoké ceny. Obzvlášť v podnikovom prostredí boli dlhý čas jedinou voľbou SSD typu SLC (single-level cell), ktoré ukladajú do každej pamäťovej bunky len jeden stav - 0 alebo 1. Naopak, lacnejšie a menej spoľahlivé SSD typu MLC (multi-level cell) boli určené pre zariadenia koncových používateľov, ako sú smartfóny, prehrávače médií, kamery a podobne. No životnosť MLC bola zhruba desaťkrát menšia než pri SLC, takže firmy nemali de facto na výber.
Pamäťové disky označované ako enterprise MLC SSD sú snahou zaplniť existujúcu medzeru a umožniť rozšírenie lacnejšie technológie aj do podnikového prostredia a zabezpečiť, aby bola dostatočne spoľahlivá aj pre náročné podnikové aplikácie.

MLC: Kompromis na všetkých frontoch
SSD sa vyznačujú oproti klasickým pevným diskom najmä veľmi nízkou latenciou, teda časom, ktorý uplynie pred začiatkom čítania alebo zápisu dát.
Všetky pamäte typu flash používajú bunky NAND (negovaný AND) pri ukladaní elektrického náboja. Bunky SLC majú spomínané dva stavy 0 alebo 1. MLC ich majú viac, v prípade dvoch bitov na jednu bunku je to 00 alebo 01 a 10 alebo 11. V prípade troch a viac bitov je situácia analogická a výsledkom je, samozrejme, hustejší zápis (teda vyššia kapacita za nižšiu cenu).

Disky SLC sa vďaka tomu vyznačujú hlavne rýchlosťou zápisu, vysokým počtom I/O operácií za sekundu a spoľahlivosťou, naopak, MLC sú lacnejšie a možno pri nich ľahšie docieliť vyššiu kapacitu. To, prečo sú MLC SSD osadzované najmä do prístrojov pre koncových používateľov, je dané faktom, že tu nie sú také nároky na I/O operácie ako v prípade podnikových systémov. Od roku 2008 si preto výrobcovia SSD začínajú tieto nedostatky a nerovnováhu uvedomovať a ponúkajú aj produkty označované ako enterprise MLC, prípadne skrátene eMLC.

Cesta k zvýšeniu spoľahlivosti MLC
Oproti klasickým pevným diskom sú všetky pamäťové disky síce odolnejšie proti nárazom a ďalším typom fyzického poškodenia, ale vďaka spôsobu uloženia informácie v kremíku je z princípu ich životnosť obmedzená. Ako sme už uviedli, SLC SSD majú vďaka svojej architektúre približne desaťnásobnú životnosť a práve zvýšenie životnosti MLC bolo kľúčom k tomu, aby mohli tieto disky nájsť uplatnenie aj vo firemnom prostredí. To sa dosahuje kombináciou mnohých techník, ktoré si teraz priblížime.

Vyrovnanie opotrebenia (wear leveling) - záťaž na disk nie je v praxi obyčajne rovnomerne rozdelená na celú jeho kapacitu a zápisy sa pomerne často sústredia len na niektoré špecifické bloky, čo spôsobí ich rýchlejšie zlyhanie, zatiaľ čo ostatné bloky môžu byť prakticky nepoužívané. V takom prípade sa potom MLC SSD stane úplne nepoužiteľným a nespoľahlivým, čomu má zabrániť práve technika vyrovnávania opotrebovania pri eMLC, ktorá distribuuje záťaž cez celý disk. To potom priaznivo predlžuje jeho životnosť.

Dnes sa používajú dve techniky rozkladania záťaže - dynamická, ktorá len zapisuje nové dáta do prázdnych buniek, a statická, ktorá navyše ešte presúva na veľmi vyťažené miesta také dáta, ktoré sa prakticky nepoužívajú.

Pridanie kapacity navyše (overprovisioning) - ďalšia technika, ktorá má zvýšiť životnosť MLC flash čipov, je kapacita navyše, ktorá činí obyčajne asi 20 % k predajnej kapacite disku. V prípade, že dôjde k poškodeniu blokov, resp. buniek, ktoré by SSD urobili nestabilným, dôjde k ich premapovaniu z tejto dodatočnej kapacity, čo opäť zvyšuje celkovú životnosť disku.

Zlepšená oprava chýb - všetky podnikové disky založené na pamätiach typu flash používajú techniky opravy dát na testovanie a prípadné korekcie chýb pri zápise a čítaní. So starobou flash čipov sa chybovosť zvyšuje a tá navyše rastie exponenciálne spolu s tým, koľko bitov je uložených v jednej pamäťovej bunke MLC. To preto, že prečítať viac hodnôt z jednej bunky je oveľa náročnejšie než len prečítať, či má stav 0 alebo 1. MLC SSD preto obsahujú veľmi pokročilé a efektívne algoritmy korekcie, vďaka čomu je výrazne zvýšená tolerancia chýb v pamäťových čipoch.

Zosilnený zápis a TRIM - pretože existujúce dáta na SSD musia byť pred zápisom nových dát vymazané alebo presunuté inam, trpia pamäte flash väčším počtom čítacích a zápisových cyklov než bežné pevné disky, kde sa staré dáta jednoducho prepíšu. Tento fenomén sa po anglicky označuje ako write amplification (niečo ako zosilnený zápis, resp. zosilnená záťaž zápisu), a čím je zosilnený zápis vyšší, tým je kratšia životnosť disku pre obmedzený počet cyklov zmeny stavu jednej pamäťovej bunky.

Jeden zo spôsobov, ako zosilnený zápis obmedziť, je využitie SATA príkazu TRIM. Príkaz TRIM funguje v spolupráci s operačným systémom a informuje ho o nepotrebných blokoch, ktoré tak disk môže premazávať „do zásoby". A v prípade, že príde požiadavka na zápis nových dát, má už pripravený priestor, kam dáta môže uložiť, a nemusí v tom okamihu nič mazať. To má okrem iného aj priaznivý vplyv na výkon zápisu SSD.

Zdroj: ictmanazer.cz