Bagaiman Kerja Optimal SSD dalam Komputer kita (Terlengkap pembahasan 2020)

Di sini, di ExtremeTech, kami biasanya menyebutkan perbedaan antara beberapa jenis bangunan NAND – NAND vertikal versus planar, atau sel multi-level (MLC) versus sel level tiga (TLC) dan sel quad-level (QLC). Sekarang, mari kita bicara tentang kueri terkait yang ekstra mendasar: Bagaimana cara SSD bekerja di tempat pertama, dan cara mereka memeriksa dengan ilmu terapan yang lebih baru, seperti keahlian penyimpanan non-volatile Intel, Optane?

Untuk memahami bagaimana dan mengapa SSD benar-benar berbeda dari disc berputar, kita harus berbicara sedikit tentang drive yang melelahkan. Hard drive menyimpan informasi tentang urutan piringan magnetik berputar yang disebut piringan. Ada lengan aktuator dengan kepala belajar / menulis yang terhubung dengannya. Lengan ini menempatkan kepala baca-tulis di atas ruang drive yang tepat untuk mempelajari atau menulis data.

Karena kepala drive harus sejajar di atas ruang disk untuk dapat mempelajari atau menulis informasi (dan disk terus berputar), ada waktu tunggu yang tidak nol lebih awal dari informasi yang dapat diakses. Drive dapat belajar dari sejumlah area untuk dapat meluncurkan program atau memuat file, yang menunjukkan bahwa ia harus hadir agar piring-piring berputar ke tempat yang benar sejumlah contoh lebih awal daripada yang mungkin dapat mengisi penuh. perintah. Jika drive tertidur atau dalam kondisi daya rendah, mungkin diperlukan beberapa detik ekstra untuk disk berputar sebanyak energi penuh dan mulai bekerja.

Dari awal menurut Penulispro.id, sudah jelas bahwa hard drive tidak mungkin bisa menyamai kecepatan di mana CPU dapat berfungsi. Latensi dalam HDD diukur dalam milidetik, berbeda dengan nanodetik untuk CPU tipikal Anda. Satu milidetik adalah 1.000.000 nanodetik, dan kadang-kadang dibutuhkan hard drive 10-15 milidetik untuk mencari informasi pada drive dan mulai mempelajarinya. Drive drive yang melelahkan meluncurkan piring-piring yang lebih kecil, cache reminiscence on-disk, dan kecepatan spindle yang lebih cepat untuk menangkal perkembangan ini, namun hanya ada drive yang begitu cepat yang dapat berputar. 10.000 RPM VelociRaptor rumah tangga Western Digital adalah rangkaian drive tercepat yang pernah dibuat untuk pasar pembeli, sedangkan beberapa drive perusahaan berputar sebanyak 15.000 RPM. Masalahnya adalah, bahkan drive pemintalan tercepat dengan cache yang paling penting dan piring-piring terkecil tetap sangat lamban sejauh CPU Anda khawatir.

Bagaimana SSDs Sangat Berbeda

“Jika aku meminta orang-orang apa yang mereka inginkan, mereka akan menyebut kuda lebih cepat.” – Henry Ford

Stabil-state drive disebut sebagai itu terutama karena mereka tidak bergantung pada komponen penggeser atau disk pemintalan. Sebagai alternatif, informasi disimpan ke kumpulan flash NAND. NAND sendiri terdiri dari apa yang disebut transistor gerbang mengambang. Tidak seperti desain transistor yang digunakan dalam DRAM, yang harus di-refresh sejumlah instance per detik, NAND flash dirancang untuk mempertahankan kondisi biayanya walaupun tidak diaktifkan. Ini membuat NAND menjadi semacam kenangan yang tidak mudah menguap.

Gambar oleh Cyferz di Wikipedia, Artistic Commons Attribution-Share Alike 3.0.

Diagram di atas menunjukkan desain sel flash yang mudah. Elektron disimpan di dalam gerbang mengambang, yang kemudian terbaca sebagai “0” atau “1.” yang dibebankan. Tentu saja, dalam NAND flash, Nol berarti informasi disimpan dalam sel – ini adalah cara lain yang terkadang kami anggap nol atau satu. NAND flash diatur dalam kotak. Format kisi lengkap Anda dikenal sebagai blok, sedangkan baris orang yang membentuk kisi disebut sebagai halaman web. Ukuran halaman web yang tersebar luas adalah 2K, 4K, 8K, atau 16Okay, dengan 128 hingga 256 halaman per blok. Dimensi blok selanjutnya terkadang bervariasi antara 256KB dan 4MB.

Salah satu manfaat teknik ini harus segera terlihat. Sebagai hasil dari SSD tidak memiliki komponen yang bergeser, mereka akan berfungsi dengan kecepatan jauh di atas ini dari HDD biasa. Bagan berikutnya menunjukkan latensi entri untuk media penyimpanan khas yang diberikan dalam mikrodetik.

 

NAND sama sekali tidak secepat memori tertinggi, namun sejumlah pesanan lebih cepat daripada hard drive. Sementara latensi tulis jauh lebih lambat untuk NAND flash daripada latensi belajar, namun tetap melampaui media pemintalan konvensional.

Ada dua masalah yang perlu diperhatikan dalam grafik di atas. Pertama, kata bagaimana memasukkan bit ekstra per sel NAND memiliki pengaruh besar pada efisiensi memori. Ini lebih buruk untuk menulis dibandingkan membaca – latensi tipikal sel tiga tingkat (TLC) 4x lebih buruk dibandingkan dengan sel tingkat tunggal (SLC) NAND untuk membaca, namun 6x lebih buruk untuk menulis. Menghapus latensi juga sangat terpengaruh. Dampaknya tidak proporsional, keduanya – TLC NAND agak dua kali lebih lamban dibandingkan MLC NAND, terlepas dari hanya memegang informasi tambahan 50% (tiga bit per sel, sebagai alternatif dua). Itu juga berlaku untuk drive QLC, yang pengecer lebih banyak bit pada berbagai rentang tegangan di dalam sel yang identik.

Jika Anda pernah menggunakan SSD bekas, Anda mungkin pernah mendengar tentang satu hal yang disebut sebagai “bermacam-macam sampah.” Sampah bermacam-macam adalah kursus latar belakang yang memungkinkan drive untuk mengurangi dampak efisiensi dari sistem ini / menghapus siklus dengan melakukan tugas-tugas tertentu dalam latar belakang. Gambar berikut langkah-langkah oleh kursus bermacam-macam sampah.

Kata pada contoh ini, drive telah mengambil keuntungan dari kebenaran yang mungkin dapat menulis dalam waktu singkat untuk mengosongkan halaman dengan menulis nilai baru untuk 4 blok utama (A-D ‘). Selain itu ditulis dua blok baru, E dan H. Blok A-D saat ini ditandai sebagai basi, yang berarti mereka terdiri dari data yang ditandai oleh drive sebagai ketinggalan zaman. Sepanjang interval idle, SSD akan mentransfer halaman kontemporer ke blok baru, menghapus blok sebelumnya, dan menandainya sebagai rumah bebas. Ini menyiratkan waktu berikutnya SSD harus melakukan penulisan, itu mungkin menulis ke Blok X yang sekarang kosong, daripada melakukan siklus sistem / hapus ini.

Gagasan berikutnya yang ingin saya fokuskan adalah TRIM. Jika Anda menghapus file dari Windows Home pada drive yang sulit, file tersebut tidak dihapus secara instan. Sebagai alternatif, sistem kerja memberi tahu drive yang susah payah itu mungkin dapat menimpa ruang fisik dari disk tempat informasi disimpan saat berikutnya ia harus menulis. Itulah sebabnya mengapa bisa membatalkan penghapusan data catatan (dan mengapa menghapus data catatan di Windows Home terkadang tidak membersihkan banyak disk house sampai Anda mengosongkan tempat sampah daur ulang). Dengan HDD standar, OS tidak ingin berkonsentrasi ke informasi tempat yang sedang ditulis atau seperti apa keadaan relatif dari blok atau halaman tersebut. Dengan SSD, masalah ini.

Perintah TRIM memungkinkan sistem kerja untuk memberi tahu SSD, mungkin saja ia melompati penulisan ulang informasi yang pasti pada saat berikutnya ia melakukan penghapusan blok. Ini menurunkan seluruh jumlah informasi yang ditulis drive dan akan meningkatkan umur SSD. Setiap membaca dan menulis membahayakan flash NAND, namun menulis lebih berbahaya daripada membaca. Untungnya, umur panjang blok-level belum dikonfirmasi menjadi kesulitan dalam NAND flash yang modis. Informasi tambahan tentang umur panjang SSD, berdasarkan Laporan Teknologi, dapat ditemukan di sini.

Dua ide terakhir yang ingin kita bicarakan adalah menaikkan level dan menulis amplifikasi. Sebagai hasil dari SSD menulis informasi ke halaman namun menghapus informasi dalam blok, jumlah informasi yang ditulis ke drive selalu lebih besar daripada penggantian yang tepat. Jika Anda membuat perubahan ke file 4KB, misalnya, seluruh blok Anda yang file 4K duduk di dalamnya harus up to date dan ditulis ulang. Mengandalkan variasi halaman per blok dan skala halaman, Anda mungkin menemukan diri Anda menulis informasi harga 4MB untuk mengganti file 4KB. Berbagai macam sampah mengurangi pengaruh amplifikasi tulis, seperti halnya perintah TRIM. Melindungi sebagian besar drive gratis dan / atau provisi yang berlebihan produsen bahkan dapat mengurangi pengaruh amplifikasi tulis.

Menempatkan leveling merujuk kembali ke mengikuti memastikan blok NAND tertentu tidak ditulis dan dihapus biasanya lebih daripada yang lain. Sedangkan mengenakan leveling akan meningkatkan harapan hidup dan daya tahan drive dengan menulis ke NAND secara merata, itu mungkin benar-benar dapat meningkatkan amplifikasi penulisan. Dalam berbagai cara untuk mendistribusikan penulisan secara merata ke seluruh disk, umumnya penting untuk memprogram dan menghapus blok meskipun isinya belum benar-benar dimodifikasi. Algoritma leveling yang sangat bagus berusaha untuk memastikan dampak ini.

Pengontrol SSD

Ini harus jelas sekarang SSD memerlukan mekanisme manajemen yang jauh lebih halus daripada drive yang melelahkan. Itu bukan untuk membenci media magnetik – Saya benar-benar menganggap HDD layak dihormati lebih dari yang diberikan. Tantangan mekanis yang terkait dalam menyeimbangkan sejumlah kepala baca-tulis nanometer di atas piring-piring yang berputar pada 5.400 hingga 10.000 RPM tidak perlu bersin. Kebenaran bahwa HDD menjalankan masalah ini sementara memelopori strategi baru untuk merekam ke media magnetik dan akhirnya menghasilkan drive dengan kecepatan 3-5 sen per gigabyte sama sekali tidak dapat dipercaya.

Pengontrol SSD yang khas

Pengontrol SSD, bagaimanapun, berada dalam kategori sendiri. Mereka biasanya memiliki kumpulan memori DDR3 atau DDR4 untuk membantu mengelola NAND itu sendiri. Banyak drive juga menggabungkan cache sel tingkat tunggal yang bertindak sebagai buffer, peningkatan efisiensi drive dengan mendedikasikan NAND cepat untuk mempelajari / menulis siklus. Karena flash NAND dalam SSD sering dikaitkan dengan pengontrol dengan urutan saluran memori paralel, Anda mungkin dapat mempertimbangkan pengontrol drive sebagai melakukan sejumlah pekerjaan penyeimbangan beban yang identik sebagai array penyimpanan kelas atas – SSD tidak menggunakan RAID secara internal, tetapi memakai leveling, bermacam-macam sampah, dan administrasi cache SLC semuanya memiliki paralel dalam dunia besi besar.

Beberapa drive juga menggunakan algoritma kompresi informasi untuk mengurangi th