Тестирование SSD-накопителя Plextor PX-64M2S

Особенности функционирования SSD-дисков

Во всех современных SSD-дисках используется флэш-память с организацией по типу NAND (NAND флэш-память). На простейшем (низшем) уровне основу такой памяти составляет элементарная ячейка флэш-памяти, а элементарные ячейки, объединенные в массив, вмещающий 4 Кбайт данных, называются страницей памяти. 128 таких страниц образуют блок памяти размером 512 Кбайт (иногда в такой блок входит 64 страницы). Таким образом, логическая структура объединения ячеек в массивы довольно проста. Страница подобна сектору (блоку) в жестком диске и представляет собой минимальный размер данных, с которым работает флэш-память. Однако сектор жесткого диска и страница флэш-памяти принципиально различаются при выполнении операций чтения, записи и удаления. Так, если в жестком диске сектор можно прочитать, записать и удалить, то во флэш-памяти операции чтения и записи возможны страницами по 4 Кбайт, а вот стирание данных — только блоками по 512 Кбайт. Причем страница, на которую записана информация, не может использоваться вновь до тех пор, пока не будет очищена.

Вообще, процесс записи информации на SSD-диски сильно отличается от аналогичного процесса с HDD-дисками. Для того чтобы объяснить эти явления, рассмотрим более подробно процессы записи на HDD- и SSD-диски.

В случае жестких HDD-дисков размер сектора равен 4 Кбайт (в новых моделях) или 512 байт. Для адресации секторов (блоков) на диске используется метод LBA (Logical Block Addressing), при котором каждый блок, адресуемый на жестком диске, имеет свой порядковый номер.

Если данные записываются, к примеру, в блок LBA c определенным номером, то это означает, что они будут размещаться в определенном месте (на конкретных цилиндре, дорожке и секторе) на диске. И сколько бы раз ни перезаписывался этот блок, данные всегда будут помещаться в одно и то же физическое место на диске, соответствующее номеру блока LBA. Если данные записываются в LBA-блоки с разными номерами, то это означает, что на диске они будут размещаться в разных мес­тах, которые соответствуют номерам LBA-блоков. Если, к примеру, требуется записать на HDD-диск какой-либо файл, то первоначально он разбивается на блоки, каждому из которых присваивается определенный логический LBA-номер, а каждому логическому LBA-номеру соответствует жестко заданное место на диске.

Если же данные удаляются, то есть пользователь удаляет файл на уровне операционной системы, то на самом деле они не удаляются с диска, а просто соответствующие данным логические LBA-адреса на уровне операционной системы помечаются как свободные и могут в дальнейшем использоваться (данные могут перезаписываться). Важно, что контроллер самого HDD-диска ничего об этом не знает, однако для HDD-диска это не проблема, поскольку переписать LBA-блоки для HDD-диска не составляет труда.

В случае SSD-диска всё обстоит совсем иначе. Дело в том, что в SSD-дисках нет однозначного соответствия между логическим номером записываемой порции данных (страницы) и ее физическим расположением во флэш-памяти. Еще раз напомним, что запись данных во флэш-память производится страницами, а удаление — только блоками, причем для записи в уже использованную страницу ее предварительно необходимо очистить (стереть данные).

Во флэш-памяти данные преимущественно записываются последовательно, то есть порциями по 4 Кбайт в следующую по порядку свободную страницу флэш-памяти. При этом логический адрес записываемой страницы (LBA) сопоставляется с физическим адресом (PBA), то есть с адресом расположения во флэш-памяти.

Соответствие между логическими и физическими адресами (LBA-PBA mapping) приведено в специальной таблице, размещенной в оперативной памяти SSD-диска.

При получении запроса на запись контроллер выделяет необходимое число свободных страниц и заносит в таблицу соответствие между LBA- и PBA-адресами. Если же данные перезаписываются (то есть требуется записать данные с логическими адресами, которые уже заняты), то контроллер SSD-диска выделяет следующие свободные страницы памяти, а в таблице соответствия логических и физических адресов помечает страницы, в которые эти данные были записаны ранее как содержащие устаревшую информацию. Важно, что при этом страницы с устаревшими данными реально не перезаписываются (как в HDD-дисках) и не удаляются.

Если же данные удаляются, то есть пользователь удаляет файл на уровне операционной системы, то, как и в случае HDD-диска, они не удаляются с диска, а просто соответствующие данным логические LBA-адреса на уровне операционной системы помечаются как свободные и в дальнейшем могут быть использованы (данные могут перезаписываться). Важно, что контроллер самого SSD-диска ничего об этом не знает и считает соответствующие страницы памяти занятыми. То есть соответствующие страницы памяти не помечаются к удалению в таблице соответствия LBA- и PBA-адресов. Запись на SSD-диск в основном происходит последовательно, поэтому существует большая разница между записью на новый диск (на который данные еще не записывались) и на уже заполненный. Отметим, что заполненный диск, с точки зрения пользователя, может быть пустым, поскольку удаление данных с диска на уровне операционной системы еще не означает их реального удаления из флэш-памяти.

При случайной записи на пустой (или частично занятый) SSD-диск всё происходит очень просто. Все данные пишутся последовательно в страницы памяти, заполняя тем самым блоки памяти. Причем даже в том случае, если производится перезапись данных, они последовательно записываются в следующие по порядку свободные страницы памяти, а в таблице соответствия логических и физических адресов те страницы, в которые эти данные были записаны ранее, помечаются как содержащие устаревшие данные (помечаются к удалению).

Естественно, при таком последовательном алгоритме записи неизбежна ситуация, когда весь диск будет заполнен, то есть на нем не останется блоков со свободными страницами, а будут лишь блоки, содержащие заполненные страницы с актуальными данными, и страницы, помеченные к удалению.

Казалось бы, почему нельзя записывать новые данные в те страницы флэш-памяти, которые содержат устаревшие данные и помечены на удаление? Всё дело в том, что в архитектуре флэш-памяти для того, чтобы произвести запись данных в занятую страницу памяти, ее нужно предварительно очистить. Однако, как уже отмечалось, если запись и чтение во флэш-памяти осуществляются страницами, то удаление возможно только блоками. И если нам нужно очистить какую-то страницу памяти, то придется стереть весь блок, в котором находится эта страница. В то же время данный блок может содержать как страницы, помеченные на удаление (с устаревшими данными), так и страницы с актуальными данными, которые удалять нельзя.

Для того чтобы использовать блоки со страницами, помеченными на удаление, применяется метод переноса данных с помощью пустых и резервных блоков. Даже если пустых блоков в SSD-диске уже не осталось, всегда имеется определенное количество резервных блоков, применяемых для переноса данных. Перед тем как удалить страницу с устаревшими данными, нужно переместить из соответствующего блока страницы с актуальными данными в резервный свободный блок и уже потом удалить весь блок, содержащий страницы с устаревшими данными. Соответственно мы получаем частично занятый блок с перемещенными данными, доступный для записи, и пустой блок, который становится резервным. Однако в результате такого перемещения данных получается, что на SSD-диск приходится записывать больше данных, чем требуется. К примеру, если необходимо записать всего одну страницу (4 Кбайт) и для этого нет свободного блока, то прежде нужно найти блок со страницами, помеченными на удаление. Если имеется блок, в котором помечена на удаление всего одна страница, то нужно переместить из этого блока в резервный блок остальные 127 страниц и дополнить его той одной страницей, которую нужно было записать. Затем блок со страницей, помеченной на удаление, стирается и становится резервным. Получается, что для записи всего одной страницы (4 Кбайт) приходится записывать 128 страниц (512 Кбайт), а кроме того, тратится много времени на чтение всего блока и его стирание. Именно поэтому скорость записи на новый диск (на который данные никогда не записывались) и на уже заполненный может кардинально различаться. Для того чтобы подчеркнуть принципиальную разницу в скорости записи на пустой и заполненный диски, используется коэффициент усиления записи (Write Amplification), который показывает, во сколько раз больше данных приходится записывать, чем реально требуется. При записи на пустой диск коэффициент усиления записи равен единице, а при записи на заполненный диск его значение может колебаться от 2 до 25.

Рассмотренный пример является несколько идеализированным — в реальности механизм перемещения данных, то есть избавления от блоков со страницами, помеченными к удалению, применяется по мере заполнения диска, причем с помощью как пустых, так и резервных блоков. Эта процедура называется сбором мусора (Garbage Collection).

Существует несколько алгоритмов процедуры Garbage Collection, разница между которыми заключается в способе выбора блока, используемого для перемещения данных. Понятно, что это должен быть блок, содержащий как можно больше страниц памяти, помеченных к удалению. Именно в этом случае можно минимизировать количество операций записи и тем самым уменьшить показатель Write Amplification. Кроме того, учитывая, что количество циклов перезаписи ячеек флэш-памяти ограниченно, процедура Garbage Collection с выбором блока с наибольшим количеством страниц, помеченных к удалению, позволяет продлить время жизни SSD-диска.

Казалось бы, что мешает просто выбрать блок с максимальным количеством страниц, помеченных к удалению? Но для этого нужно просмотреть всю таблицу соответствия LBA-PBA, что представляет собой весьма трудоемкую операцию для контроллера, которая требует много процессорных циклов. Такой способ выбора блоков на удаление неоптимален и ведет к снижению производительности, поэтому используются алгоритмы окна, когда анализируются не все блоки, а лишь некоторые из них (окно блоков), где с наибольшей вероятностью содержится блок с максимальным количеством страниц, помеченных к удалению.

Теперь нужно выяснить, откуда берутся те самые резервные блоки, которые применяются для перемещения данных. Если имеется SSD-диск, емкость которого составляет 120 Гбайт, то реально для записи доступно 120 десятичных, а не двоичных гигабайт. Разница между емкостью диска в двоичной и десятичной интерпретации как раз и составляет резерв блоков для перемещения данных (резервная область). Важно отметить, что резервная область диска — это не какой-то выделенный участок блоков памяти. Резервные блоки как бы «размазаны» по всему диску, более того — их расположение динамически меняется во времени. Любой блок памяти может быть и резервным, и доступным для записи.

Также отметим, что если при записи в какой-то блок памяти выдается ошибка, то он помечается как bad-блок и в дальнейшем не используется. Причем объем доступного для записи места при этом не уменьшается, поскольку все bad-блоки автоматически помечаются как резервные. То есть если по мере эксплуатации SSD-диска в нем увеличивается количество bad-блоков, то это автоматически означает, что уменьшается размер резервной области диска. Естественно, это приводит к тому, что производительность диска в операциях записи начинает снижаться, поскольку от количества резервных блоков зависит скорость записи.

Итак, мы рассмотрели первый феномен SSD-дисков, заключающийся в том, что скорость записи на новый и ранее использовавшийся дис­ки может заметно различаться. Есть и второй феномен — разница в скорости последовательной и случайной записи. Казалось бы, если данные записываются на SSD-диск преимущественно последовательным образом, то как вообще можно говорить о случайной записи? Представим себе последовательную (с точки зрения операционной системы) запись большого массива данных на пустой диск. То есть запись, при которой все логические LBA-адреса заполняются последовательно.

В этом случае все физические блоки памяти будут заполняться последовательно, а если данные перезаписываются, то опять-таки будут образовываться блоки, целиком состоящие из страниц, помеченных к удалению. В этом случае не требуется технология перемещения данных, поскольку если блок состоит только из страниц, помеченных к удалению, то его можно стереть целиком, не перемещая из него никаких данных. Понятно, что в таком случае (то есть при последовательной записи) коэффициент усиления записи равен единице и достигается максимальная скорость записи.

При случайной записи даже на пустой диск, хотя данные и записываются преимущественно последовательным образом, пока не будет заполнено всё доступное пространство диска, неизбежно возникают операции перезаписи данных мелкими порциями, в результате чего блоки данных содержат как страницы с нужными данными, так и страницы, помеченные к удалению. Это как раз та ситуация, которая была рассмотрена ранее, то есть по мере заполнения диска начинает использоваться механизм перемещения данных и коэффициент усиления записи превышает единицу. Таким образом, за счет эффективного использования технологии перемещения данных скорость случайной записи всегда ниже скорости последовательной записи.

Еще одна принципиальная разница между случайной и последовательной записью заключается в принципах формирования и оптимизации таблицы соответствия LBA-PBA. Строго говоря, речь идет не просто о таблице, а о гораздо более сложной структуре. Не вникая в детали, отметим, что данная таблица не содержит отдельных записей для каждого сектора, а оперирует блоками переменной длины — чем больше эти блоки, тем меньше записей в таблице требуется. Более того, по мере заполнения такой таблицы начинается процедура ее оптимизации, что заметно отражается на производительности диска.

Процесс оптимизации, по сути, состоит из объединения разрозненных маленьких фрагментов в один непрерывный сегмент. Одно такое объединение позволяет заменить несколько тысяч записей в таблице на одну. Объединение производится путем считывания разрозненных фрагментов и последовательной их записи в новый сегмент. Физические блоки, где эти фрагменты ранее размещались, помечаются как неиспользуемые.

При последовательной записи фактически создается один большой фрагмент. Поэтому записей в таблице будет очень мало и оптимизировать ее не надо. Если же запись производится случайным образом, то необходимость постоянной оптимизации таблицы приводит к тому, что производительность диска резко падает.

Кроме рассмотренных ранее специфических особенностей, SSD-диски имеют и другие отличия от HDD-дисков. В частности, для того чтобы обеспечить равномерное использование всех ячеек памяти и тем самым повысить долговечность SSD, применяется механизм Wear Leveling. Он заключается в том, что контроллер SSD-диска отслеживает частоту использования различных блоков памяти, и если какие-то блоки памяти задействуются реже остальных, то он принудительно повышает частоту их применения. Рассмотрим, к примеру, ситуацию, когда записывается большой архив фотографий, занимающий половину диска. Понятно, что архивные фотографии не будут перезаписываться, и получается, что, будучи однократно записанными, блоки памяти, соответствующие этому архиву, больше не используются, в то время как остальные блоки памяти эффективно применяются, а следовательно, быстрее изнашиваются. Для того чтобы уравнять частоту использования всех блоков памяти и тем самым увеличить время жизни SSD-диска, механизм Wear Leveling принудительно перезаписывает неиспользуемые блоки данных в другие блоки, высвобождая их для применения.

Как уже отмечалось, наиболее слабым местом всех SSD-дисков является процедура случайной записи. Однако есть несколько простых способов, позволяющих немного повысить скорость случайной записи. Напомним, что скорость случайной записи зависит от количества резервных блоков. На этом явлении основан один из прос­тых способов увеличения скорости случайной записи, который заключается в принудительном увеличении размера резервной области. Для этого достаточно создать на диске логический раздел, размер которого меньше физического размера диска. В этом случае не используемое для логического раздела пространство автоматически становится резервной областью диска. Правда, данный способ годится только для нового диска, на котором до этого не создавалось логических разделов. Если же на диске первоначально был создан логический раздел по размеру всего диска, который ранее использовался, то создание нового логического раздела не приведет к ожидаемым результатам. В этом случае диск нужно сначала почистить, то есть принудительно очистить все блоки памяти. Обычная операция форматирования при этом помогает не всегда (это зависит от операционной системы, модели SSD-диска и версии прошивки диска), поэтому для очистки дисков иногда приходится применять специальные утилиты (например, Paragon Disk Wiper 2010).

Другой способ повышения производительности SSD-дисков заключается в применении специальной команды TRIM.

Если операционная система и SSD-диск поддерживают команду TRIM, то при удалении некоторого файла с диска ОС посылает команду TRIM-диску и дает ему знать, что данные из определенного набора страниц могут быть перезаписаны, то есть соответствующие страницы памяти помечаются к удалению и могут применяться в процедуре Garbage Collection. Важно отметить, что сама по себе команда TRIM не приводит к физическому удалению данных. Преимущество команды TRIM заключается в том, что с ее помощью можно увеличить количество блоков, содержащих страницы, отмеченные к удалению, и тем самым повысить эффективность процедуры Garbage Collection при выборе блока с наибольшим количеством страниц, отмеченных к удалению. Тем самым команда TRIM способствует увеличению производительности диска, минимизируя избыточную запись при перемещении данных. Кроме того, использование команды TRIM позволяет снизить число перемещений данных в процедуре Wear Leveling.

Для работы команды TRIM необходима поддержка со стороны как ОС, так и SSD-диска. Команда TRIM реализована в операционной системе Windows 7, а также в ядре Linux, начиная с ревизии 2.6.28. Кроме того, все основные производители SSD-дисков объявили о поддержке этой команды. Тем не менее не все старые SSD-диски ее поддерживают.

В операционной системе Windows 7 команда TRIM используется в таких операциях, как удаление файлов и даже форматирование. Поэтому если мы хотим увеличить размер резервной области диска для повышения его производительности за счет уменьшения логического раздела диска, то достаточно перед удалением старого логического раздела отформатировать его или просто удалить всё содержимое, а потом уже удалить старый логический раздел и создать новый.