Anpassen von SSDs für Leistung, Ausdauer und Leistung

Author Sébastien Jean | 18. April 2022 | Alle, Unternehmen

Anpassen von SSDs an Leistung, Ausdauer und Leistung

Da Unternehmen in heutigen Rechenzentren die Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit verbessern möchten, greifen sie zunehmend auf Solid-State-Laufwerke (SSDs) anstelle von Festplattenlaufwerken (HDDs). Allerdings ist es nicht so einfach, die richtigen SSDs für die individuellen Anforderungen zu finden, wie manche vielleicht denken. SSDs gibt es in verschiedenen Formfaktoren und Konfigurationen und können individuell angepasst werden.

Bei der Anpassung einer SSD an bestimmte Anwendungen spielen viele Faktoren eine Rolle. Jedes Unternehmen hat unterschiedliche Prioritäten, welche SSD-Aspekte am wichtigsten sind. Einige Unternehmen benötigen ein Höchstmaß an Leistung bei geringster Latenz – beispielsweise für Anwendungen wie Banktransaktionen in Echtzeit oder die Verarbeitung riesiger Datensätze für maschinelles Lernen. Andere priorisieren einen niedrigen Stromverbrauch zur Energieeinsparung, eine hohe Ausdauer für einen längeren Lebenszyklus oder Kosteneffizienz zur Einhaltung strenger Budgets.

Angesichts der großen Vielfalt an Hardware- und Software-Designoptionen für SSDs sollten Unternehmen zunächst ihre Speicher- und Serveranforderungen ermitteln und dann nach einem Anbieter suchen, der SSDs liefern kann, die genau auf ihre Anforderungen zugeschnitten sind.

Anpassen von SSDs für Leistung und Ausdauer

Faktoren wie Flash-Speichertyp, Blockzuordnung und Verbindungsschnittstelle können einen großen Einfluss auf die Leistung einer SSD haben.

Eine der einfachsten Möglichkeiten, die Leistung ohne negative Nebenwirkungen oder Auswirkungen auf die Ausdauer zu verbessern, besteht darin, einfach das beste verfügbare NAND auszuwählen. NAND ist nicht gleich NAND und Flash-Speicheranbieter verbessern und aktualisieren ihre NAND-Produkte kontinuierlich, um der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein. Es lohnt sich, vor dem Kauf einige Recherchen durchzuführen. Phisons Technik Die Teams arbeiten mit den führenden NAND-Wafer-Herstellern zusammen. Es bewertet neue NAND-Technologien vor der Auslieferung und validiert NAND anschließend für den Einsatz in Speicherprodukten. Die NAND-Expertise von Phison hilft seinen Kunden bei der Auswahl des optimalen NAND für den Einsatz in ihren Speicheranwendungen.

NVMe vs. SATA

Wie eine SSD mit der Hauptplatine eines Servers verbunden wird, kann den Durchsatz und damit die Leistung steigern. Als jedes Unternehmen Festplatten in seinen Rechenzentren verwendete, war Serial ATA oder SATA die häufigste Verbindungsschnittstelle. Die neueste Version der Schnittstelle, SATA III, hat einen maximalen Bandbreitendurchsatz von 600 Megabyte pro Sekunde (MB/s). SAS ist ebenfalls beliebt, basiert jedoch auch auf der physischen SATA-Schnittstelle. Obwohl die SAS-Schnittstelle doppelt so schnell ist, ist die physische Plattenkapazität in etwa dieselbe wie bei SATA.

Im Jahr 2011, als SSDs immer mehr Akzeptanz fanden, wurde ein neues Speicherprotokoll namens Non-Volatile Memory Express (NVMe) entwickelt. Es wurde schnell zum Industriestandard für den Anschluss von SSDs an ein Motherboard, da es den PCI Express (PCIe) 3.0-Bus nutzt, der etwa sechsmal schneller als SATA ist. Das liegt daran, dass SSDs typischerweise x4-PCIe-Lanes verwenden und einen Durchsatz von 3500 MB/s erreichten, verglichen mit 600 MB/s im Jahr 2011. Heute bieten dieselben x4-Lanes einen Durchsatz von 14 GB/s mit Gen5-Signalisierung. Im Gegensatz zu rotierenden Platten kann digitaler NAND-Flash-Speicher die gesamte Schnittstellenbandbreite unterstützen. NVMe-PCIe-SSDs sind nicht nur ultraschnell, sondern können auch eine kürzere Datenzugriffs- und Befehlswarteschlangenlatenz erreichen. NVMe-SSDs verfügen außerdem über hervorragende Multitasking-Fähigkeiten. All diese Verbesserungen führen zu einer höheren Leistung.

Speicherzellentyp

SSDs bestehen hauptsächlich aus einem Flash-Controller und NAND-Flash-Speicherzellen, die die Daten speichern. Diese Speicherzellen gibt es in verschiedenen Konfigurationen, die ihre Geschwindigkeit und die Anzahl der Datenbits, die die Zelle aufnehmen kann, bestimmen.

- Single-Level-Cell-SSDs (SLC) sind die einfachste Konfiguration. Jede Zelle akzeptiert ein Datenbit. Der Vorteil von SLC-SSDs ist ihre Geschwindigkeit: Sie sind die schnellsten verfügbaren SSDs. Sie sind außerdem die zuverlässigsten und langlebigsten SSDs – und wenig überraschend auch die teuersten. Heutzutage sind reine SLC-Konfigurationen spezialisierten Anwendungen wie der Filmindustrie, der medizinischen Bildgebung, dem Hochfrequenzhandel und weltraumgestützten Sensorplattformen vorbehalten.

- Multi-Level-Cell-SSDs (MLC) akzeptieren zwei Datenbits pro Zelle. Diese sind langsamer als SLC-SSDs, da das Schreiben von zwei Bits in eine Zelle länger dauert als das Schreiben eines Bits. Sie sind außerdem weniger zuverlässig und langlebig, da mehr Daten auf die Zelle geschrieben werden und die Speicherzellen bei wiederholter Verwendung im Laufe der Zeit an Qualität verlieren. Diese Konfiguration ist inzwischen weitgehend zugunsten von TLC und QLC veraltet.

- Triple-Level-Cell-SSDs (TLC) akzeptieren drei Datenbits pro Zelle. Als heute am weitesten verbreitete Art von Enterprise-SSDs bieten sie eine größere Kapazität zu einem niedrigeren Preis als SLC. Die Nachteile sind jedoch eine geringere Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit. Auch wenn TLC gebührt, ist es die Basis für alle Unternehmensspeicher. SLC gilt als spezialisiertes NAND und QLC wird für kostenoptimierte oder leseintensive Anwendungen verwendet.

- Quad-Level-Cell-SSDs (QLC) akzeptieren vier Datenbits pro Zelle. Während die Preispositionierung von QLC NAND unter der von TLC liegt, weisen aktuelle QLC-Generationen im Vergleich zu TLC eine vergleichsweise geringere Leistung und Haltbarkeit auf. Aktuelle Generationen von QLC NAND eignen sich hervorragend für den Einsatz in leseintensiven Anwendungen mit minimalem Schreib-I/O.

- Penta-Level-Cell-SSDs (PLC) kodieren fünf Datenbits pro Zelle. PLC-SSDs sind zwar noch nicht im Handel erhältlich, bieten aber größere Speicherkapazitäten pro NAND-Chip und niedrigere Kosten pro GB im Einzelhandel – allerdings bei geringerer Leistung und Haltbarkeit im Vergleich zu QLC oder TLC NAND. Die praktischen Anwendungen für PLC NAND liegen bei selten verwendeten USB-Flash-Laufwerken oder Flash-Speicherkarten, die in etwa der Leistung von Festplatten entsprechen.

Die Herausforderung bei all diesen Speicherzellentypen besteht darin, herauszufinden, wie die Anforderungen der Kundenanwendung an Leistung, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit in Einklang gebracht werden können. Funktionen wie Lesegeschwindigkeit, Schreibgeschwindigkeit, Programmier-/Löschzyklus (P/E), Datenaufbewahrung und aktive Energie haben direkten Einfluss auf jede dieser Eigenschaften.

Beispielsweise nutzen gängige Unternehmensspeicher heute hauptsächlich TLC NAND. Im Vergleich dazu ist die Herstellung einer reinen SLC-NAND-SSD dreimal teurer, bietet aber eine ausgezeichnete Leistung bei geringer Latenz. Zu den Zielanwendungen gehören der hochfrequente Börsenhandel oder schreibintensive Anwendungen wie 8K-Videodrohnen, die für die Aufnahme von Hollywood-Actionszenen verwendet werden. QLC NAND ist in der Regel teurer als TLC NAND und bietet 33% mehr Speicher als TLC im gleichen NAND-Chip. QLC NAND eignet sich gut für datenintensive Anwendungen wie Öluntersuchungen, die Entwicklung neuer Jetturbinen oder die Durchführung genomischer Studien. Die Anpassung des NAND an die Anwendung ist nur einer der Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, wie wir weiter unten sehen werden.

Überversorgung

NAND-Flash-Speicher können nicht wie magnetische Medien direkt überschrieben werden – die alten, noch gültigen Daten müssen zunächst in einen neuen Block verschoben werden, bevor der alte Block gelöscht wird und neu beschrieben werden kann. Der Vorgang des Sammelns noch gültiger Daten wird als „Garbage Collection“ bezeichnet. In diesem Fall bezieht er sich jedoch auf das Löschen der alten ungültigen veralteten Daten und das Sammeln der gültigen Nutzungsdaten. Das Löschen von Blöcken ist im Vergleich zu Lese- oder Schreibvorgängen recht langsam. Bei unsachgemäßer Handhabung verlangsamt der Löschvorgang die Leistung und verschiebt die Latenzverteilung erheblich. Durch die Überbereitstellung (Over-Provisioning, OP) der SSD durch die Bereitstellung freier Kapazität, die vom Benutzer nicht direkt adressiert werden kann, bleibt mehr Zeit für die natürliche Ungültigkeit der Daten, wenn neue Daten geschrieben werden. Dies reduziert den Aufwand für die Speicherbereinigung und den Laufwerksverschleiß und verschärft gleichzeitig die Latenzverteilungskurve deutlich. Durch den zusätzlichen OP kann das System Programmier-/Löschzyklen ausführen, ohne die Systemleistung zu beeinträchtigen oder zu verlangsamen.

Eine Erhöhung des OP steigert auch die Dauerleistung, verringert den Write Amplification Factor (WAF) und erhöht tatsächlich die SSD-Ausdauer. OP verringert die Benutzerkapazität, aber das kann durch das Hinzufügen von mehr NAND ausgeglichen werden, was leider sowohl die Kosten als auch die Wirkleistung erhöht.

Parallelverarbeitung

Eine Festplatte verfügt nur über einen oder zwei Schwenkarme, die die Position des Lese-/Schreibkopfs relativ zum Medium steuern. Obwohl jede Plattenseite über einen eigenen Kopf verfügt, müssen alle Köpfe am selben Arm den gleichen Sektor auf jeder Plattenseite betrachten, was die Zufallsleistung stark einschränkt. Im Gegensatz dazu verfügt eine 4-TB-SSD über 64 unabhängige NAND-Chips mit jeweils zwei bis sechs unabhängigen Ebenen. Das bedeutet, dass eine Enterprise-SSD alle 60 bis 80 Mikrosekunden bis zu 384 I/O-Befehle gleichzeitig verarbeiten kann. Auf diese Weise erreicht eine Enterprise-SSD 1 bis 2 Millionen I/O pro Sekunde (IOPS) im Vergleich zu Festplatten, die auf 150 bis 400 IOPS pro Sekunde begrenzt sind. Um diese Zahlen ins rechte Licht zu rücken: Ein Augenzwinkern dauert etwa eine Drittelsekunde.

Weitere Verbesserungen sind möglich, wenn man sich das Design des Speichercontrollers ansieht. Ein typischer Enterprise-Controller verfügt über sechs bis acht große Prozessorkerne, während sich die Phison-Designs auf 32 bis 48 Mikrokerne konzentrieren. Obwohl die Entwicklung eines komplexeren Prozessors zusätzlichen Aufwand erfordert, bringt es mehrere Vorteile mit sich, darunter zusätzliche Parallelität, geringere Latenz und verbesserte Leistung.

Anpassen von SSDs an den Stromverbrauch

Während Unternehmen versuchen, ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren, bietet das Rechenzentrum mehrere Möglichkeiten, Energie zu sparen und Kosten zu senken. Eine Möglichkeit besteht darin, stromhungrige Festplatten durch effizientere SSDs zu ersetzen, wobei einige SSDs effizienter sind als andere. Über den einfachen Austausch rotierender Medien durch digitale Medien hinaus können SSDs auf mehrere weitere Arten angepasst werden, um den Stromverbrauch zu senken.

Auf dem Phison E18 basierende Client-SSDs verfügen über eine aggressive Energieverwaltungsfunktion, die beim Spielen von High-End-Spielen auf Laptops bis zu 20% zusätzliche Akkulaufzeit bietet. Der Phison Enterprise X1-Controller ermöglicht SSDs mit branchenführender Leistung und reduziert gleichzeitig den Stromverbrauch um 30%.

Eine Strategie zur Verwaltung des Stromverbrauchs des Speichercontrollers besteht in der Migration auf einen kleineren Prozessknoten. Durch die Verringerung der Prozessknotengröße von 28 nm auf 12 nm kann der Knoten beispielsweise bei höheren Frequenzen und niedrigerer Spannung betrieben werden. Da weniger Energie für die Übertragung von Daten über einen Bus oder das Umschalten der Transistoren verbraucht wird, verringert sich der Energieverbrauch der SSD. Weniger Strom zu verbrauchen bedeutet, dass die SSD weniger Wärme erzeugt, was wiederum den Leckstrom des Transistors verringert.

Eine weitere Möglichkeit, den Strombedarf zu senken, besteht darin, die Anzahl der von einer SSD verwendeten NAND-Kanäle zu reduzieren. Diese Fähigkeit wird durch eine verbesserte ONFI-Busgeschwindigkeit ermöglicht, die zum Verschieben von Daten vom NAND zum SSD-Controller verwendet wird. Jetzt benötigen Sie nicht mehr acht oder 16 Kanäle, um die Gen4- und sogar Gen5-PCIe-Schnittstelle auszulasten. Sie können die Host-Schnittstelle potenziell mit nur vier NAND-Kanälen auslasten. Durch die Reduzierung der Anzahl der Back-End-Kanäle verringert sich die gesamte SSD-Leistung um 20 auf 30%.

Phison ist der SSD-Anpassungspartner Ihrer Wahl

Die Entwicklung maßgeschneiderter Flash-Speicherlösungen wie SSDs erfordert umfassendes Fachwissen. Intelligente Unternehmen finden Partner, die über das nötige Wissen und die nötige Erfahrung verfügen, um maßgeschneiderte Komponenten zu erstellen.

Seit der Produktion des weltweit ersten Single-Chip-USB-Flash-Controllers vor 20 Jahren hat Phison ist weiter gewachsen und hat seine Wissensbasis erweitert. Phison fungiert als On-Demand-Engineering-Dienstleister für seine Partner – und besitzt das gesamte kritische IP für NAND-Flash-Controller im eigenen Haus. Mit diesem hohen Maß an Erfahrung bietet das Unternehmen eine größere Flexibilität bei der kundenspezifischen Anpassung von Produkten für OEM-Kunden und Unternehmen.