Svenska SSD-Guiden: Världens största löpande SSD-test (Arkiverad)

Garbage Collection, TRIM, Write Amplification, Overprovisioning

En SSD har många fördelar jämfört med traditionell magnetisk lagring. Tyvärr finns det även en del nackdelar. De flesta av dessa nackdelar har med hur NAND-flash är uppbyggt att göra. Man kan inte fixa det utan att byta ut NAND-flash mot något helt annat. Det finns flera nyare minnestyper som är på väg. Men tills dessa kan tillverkas tillräckligt billigt och i tillräckligt stora kvantiterer, så är vi fast med NAND.

Write Amplification

Det kanske största problemet med NAND är att det går bara att skriva, radera och skriva på nytt, ett begränsat antal gånger innan det helt slutar fungera. Vad som är värre är att ju finare tillverkningsteknik man använder för att tillverka minnet, desto färre skrivcyklar klarar minnet av. Detta har med fysikens lagar att göra och inget som går att rå på.

Ett NAND-flash är uppbyggt av miljontals celler. Dessa lagrar en, två eller tre bitar med data (SLC, MLC och TLC). Dessa celler är uppbyggda i “sidor” eller “pages”. På moderna NAND-flash så är dessa sidor ofta 8 kilobyte stora, men även 4 kilobyte är vanligt och i framtiden kommer nog detta att öka till 16 kilobyte. Sidorna är sedan ihopklumpade till “block”. Det vanligaste är att man har 128 stycken sidor i varje block, vilket gör att ett block blir 1 megabyte stor.

Ett annat problem med NAND-flash är att man inte kan skriva över data som redan ligger lagrad. Man måste först radera datan innan man kan skriva nytt. Man kan skriva data en sida i taget men tyvärr bara radera ett block i taget. Det betyder att om du ska radera ett halvt block och skriva om med ny data, så måste informationen som ska sparas, först skrivas till ett annat block. Sedan raderas hela blocket, och den information som sparades undan, skrivs tillbaka tillsammans med den nya informationen som ska skrivas. Detta sker hela tiden och är den största orsaken till varför SSD:er tappar prestanda över tiden.

Förutom att prestandan blir sämre så innebär detta också att även om du bara ska skriva 10 kilobyte data så kan den totala mängden data som skrivits till minneskretsarna bli så mycket som 90-150 kilobyte i sämsta fall. Fenomenet kallas för Write Amplification. Värden på WA är alltså den data som operativsystemet skriver till enheten, delat med hur mycket data som faktiskt skrivs till enhetens NAND. Det säger sig självt att hög WA inte är bra för enhetens livslängd.

Innan vi går vidare så måste undertecknad bara be om ursäkt för mina begränsade kunskaper i MS Paint. För att enklare illustrera hur WA uppstår (i teorin) så tänker vi oss att vi har ett block med 128 kilobyte i en SSD. Blocket består, i det här fallet, av 32 stycken sidor på 4 kilobyte vardera. De minneschip som tillverkas idag har ofta sidor på 8 kilobyte men vi valde att använda 4 kilobyte i det här exemplet för det är lättare att hålla reda på. Vi skriver då 3 stycken filer på vardera 32 kilobyte. Dessa skrivs till vårt block på 128 kilobyte och då får vi 32 kilobyte ledigt.

Om vi då vill lägga in ytterligare en fil på 64 kilobyte till samma block, så får den inte plats. Därför tar vi bort en av filerna för att den nya ska få plats. Datan kan dock inte raderas, men flaggas som ogiltig.

Eftersom data endast kan raderas i hela block så måste vårt block, med en massa data, tömmas. Men innan det så måste de 64 kilobyte som vi vill spara lagras någon annanstans.

Nu när all data har flyttats så kan vi lugnt radera hela sidan.

Tillslut så kan vi skriva tillbaka de gamla filerna på totalt 64 kilobyte och den nya filen vi ville skriva på 64 kilobyte. Först nu har vi fått det resultat vi ville.

Om vi då tänker efter vad som just hände. I operativsystemet har vi sagt åt SSD:n att skriva totalt 160 kilobyte. Men i SSD:n så har enheten i själva verket skrivit 32+32+32+64+128 = 288 kilobyte. Vi har därför fått en Write Amplification på 1,8. Observera att i praktiken så går det inte riktigt till så här. Kontrollern sprider nämligen ut data över alla tillgängliga block (så kallat wear leveling). Det uppstår generellt inte med sekventiell data då denna oftast kan skrivas direkt till tomma block. Hög WA inträffar för det mesta med väldigt små skrivningar och små filer som ständigt måste flyttas runt mellan olika block och olika minneschip. Förutom att WA sänker livslängden på din SSD så det sänker också prestandan. Alla dessa extra skrivningar tar tid, vilket ger längre väntetider mellan skrivningar (latency) och därmed sämre prestanda.

Lyckligtvis så finns det flera sätt att sänka en enhetens WA värde. Den mest uppenbara är förstås SandForce komprimeringsteknik som komprimerar all data innan den skrivs till minnet. Mindre data som ska skrivas blir lägre WA. Tre andra sätt är väldigt vanliga och används av många SSD:er idag så vi tänkte vi skulle gå igenom dem.

TRIM

TRIM fick väldigt mycket uppmärksamhet för två år sedan när det först kom. TRIM är numera en självklar funktion och alla dagens SSD-enheter har stöd för det, men hur funkar det?

Som vi vet så ökar WA och prestandan sjunker när en SSD måste radera gammal data för att sedan skriva över med ny (se ovan för mer detaljerad förklaring). Det är inga problem så länge minnescellerna är tomma när det är dags att skriva och det är därför som enheten funkar bättre efter en så kallad Secure Erase, som i praktiken raderar alla minnesceller på hela enheten.

När du raderar en fil så säger ditt operativsystem åt filsystemet: “Den här filen har raderats. Den finns inte längre”. Filsystemet tar bort informationen om filen men all data som filen innehåller, ligger fortfarande kvar på lagringsmediet. Gamla hårddiskar kunde nämligen bara skriva över gammal data med ny, så om det låg kvar gammal data där spelade ingen roll. Med SSD så skapar detta ett problem. På en SSD med 120 gigabyte så räcker det med att du skriver totalt 120 gigabyte med data till enheten, så är alla minnesceller fulla oavsett om du raderar filer eller inte.

TRIM är helt enkelt ett kommando som skickas från operativsystemet till SSD kontrollern och talar om för den när något raderas. Tar du bort en fil på ett system som har TRIM aktiverat så skickas information om vilken fil som ska raderas, till SSD kontrollern som sedan raderar all data som har med den filen att göra. På det sättet så har du fler lediga minnesceller när det är dags att skriva ny data.

Om du ska köra med en SSD så var noga med att du väljer ett OS som har stöd för TRIM. De OS som i skrivande stund har stöd för TRIM är Windows 7, Windows Server 2008 R2, OS X 10.6.8 eller senare (Apple SSD:er endast), OpenSolaris, Linux v 2.6.28 eller senare och FreeBSD 8.1 eller senare.

Garbage Collection

Ett annat sätt att bibehålla en prestandan i din SSD är via så kallad garbage collection. GC är algoritmer och funktioner som är inbyggda i SSD kontrollern. Syftet är att “städa” SSD-enheten. Detta görs givetvis på flera olika sätt men kan också implementeras olika och varierar därför olika från tillverkare till tillverkare. Det som händer är att när många sidor blir halvfulla flyttar kontrollern sin data till nya sidor och klumpar ihop dem. Istället för att ha 10 halvfulla sidor så får man 5 stycken fulla och 5 stycken tomma. Man kan säga att GC är en slags defragmentering av en SSD. När och hur GC startar och hur mycket av enhetens resurser den använder, är helt upp till varje tillverkare.

Ett sätt är att använda det vi valt att kalla för aktiv GC. Då passar man på att städa enheten samtidigt som man skriver data. t.ex. om du ändå måste skriva om vissa delar av ett block för att ett block innehåller data från olika filer, så tar man och skriver dessa till ett nytt block och därmed “sorterar” datan för att slippa skriva om samma data igen vid ett senare tillfälle. Följden blir att du får något sämre prestanda när du skriver data, men prestandan återhämtar sig lite mer och mer för varje gång ny data skrivs. Bland annat SandForce-enheter använder sig av den här metoden.

Ett annat sätt är att använda det vi kallar passiv GC. Det fungerar ungefär likadant som aktiv, men istället för att städa när enheten ändå skriver ny data, så gör man detta istället när enheten ligger i vila. Vissa tillverkare väljer att enheten måste vila i ett visst antal minuter innan GC körs igång. Vissa enheter triggar betydligt snabbare och börjar städa så fort enheten inte har något jobb alls.

Fördelarna med passiv är att skrivprestandan inte påverkas alls då man utnyttjar enhetens “dötid” istället. Nackdelen är att hela proceduren med läs, skriv, radera, läs, skriv, måste göras hela tiden, med högre WA som följd. En annan nackdel är så länge enheten arbetar aktivt så kommer prestandan att sjunka. För konsumentmarknaden är det inget problem, men för företag som har stor belastning på sina servrar så kan det blir ett problem.

Over-provisoning

Vi har tidigare beskrivit hur en SSD måste flytta på data för att kunna skriva ny data. Ett annat problem uppstår när det inte finns någon plats ledig att använda som mellanlagring. Då måste enheten först flytta data för att kunna göra plats för att kunna mellanlagra data som ändå ska vara på en helt annan plats. Ledigt utrymme gör det helt enkelt enklare för enheten att flytta runt data utan att WA rusar iväg.

Att kunna lagra data på allt tillgängligt utrymme gör att det finns en risk att stänga in enheten i ett hörn. Fyller du hela enheten med data och sedan försöker skriva ny data så kommer enheten få svårt att hålla prestandan uppe. Därför använder man ibland något som kallas för Overprovisioning. Overprovisioning är egentligen ett sätt att ge kontrollern tillgång till mer lagringsutrymme än vad användaren får. Intel har tillämpat detta flera gånger men annars är det vanligare på Enterprise-enheter. Om man vill vara lite extra rädd om sin SSD så kan man göra lite Overprovisioning själv. Istället för att göra en partition på allt tillgängligt utrymme, så kan man göra en partition som är 10 gigabyte mindre och sedan låta resten vara opartitionerad. Då kan du aldrig fylla din SSD fullt ut, och då har alltid enheten en utväg.

För att demonstrera hur Overprovisioning kan hjälpa till i verkligen så gjorde vi ett litet test. Vi tog en OCZ Vertex 3 120 gigabyte och gjorde en Secure Erase på den. Sedan bombarderade vi enheten med Slumpmässig data på 4K under 30 min. För att göra det lite extra jobbigt så använde vi okomprimerbar data för att SandForce kontrollern skulle få jobba ordentligt. En gång varje minut så mäter vi prestandan i antalet IOPS för att se hur enheten reagerar över tiden. När testet var klart så gjorde vi en ny Secure Erase (för att återställa enheten till “ny”). Sedan fyllde vi enheten med okomprimerbar data och gjorde om samma test.

Vi gjorde om testet totalt sex gånger med olika mycket Overprovisioning. Resultatet ser ni i diagrammet här nedan. Ni måste trycka på bilden för att kunna se ordentligt då diagrammet inte får plats på sidan.

När enheten är helt tom så håller sig prestandan runt 30 000 IOPS i 17-18 min för att sedan falla ner och stabilisera sig vid 8 000 – 9 000 IOPS. Men när vi fyllt enheten helt så sjunker prestandan väldigt drastiskt och återhämtar sig aldrig riktigt. När enheten får 1 gigabyte ledigt så ökar prestandan något och hamnar lite högre överlag. Vid 2 gigabyte ledigt så ökar prestandan ytterligare lite grann men fortfarande väldigt långt ner. När vi ökar till 4 gigabyte och 8 gigabyte så ser vi en rejäl ökning i prestanda. Till att börja med så håller sig enheten på cirka 30 000 IOPS i ungefär två minuter och sedan sjunker den, men inte alls lika mycket som tidigare. Samma sak händer när vi ökar ytterligare till 16 gigabyte . Enheten håller full hastighet under en längre period (tills det extra utrymmet är fullt) och sedan håller sig enheten på en generellt högre nivå.

Vi passade även på att mäta hur hög Write Amplification man får vid de olika testerna. I tabellen nedan ser vi vilken WA faktor som vi fick vid varje testtillfälle. 1,00x innebär att det skrev exakt lika mycket data till NAND som skrevs av filsystemet, 5,00 x innebär att det skrev 5 gånger mer data till NAND än vad som skrevs av filsystemet.

Vi kan tydligt se att ju mer utrymme som finns ledigt, desto lägre blir WA. Vi ser också att när vi fyller enheten med data som SandForce-kontrollen lätt kan komprimera, så ökar WA inte speciellt mycket. Detta är givetvis ett väldigt extremt fall, men det visar hur pass viktigt Overprovisioning är för enhetens prestanda och livslängd.