【经验】过度配置如何提高基于NAND的ATP SSD的耐用性和性能介绍

过度配置(overprovisioning, OP)为固态硬盘(SSD)的垃圾收集过程提供了额外的空间，有助于提高性能，并增加其耐久性，从而有助于延长驱动器寿命。本文ATP ELECTRONICS深入介绍OP及其大小如何影响写入(TBW)，以及SSD的随机写入性能。

过度配置

在过去的几十年里，基于闪存的SSD引发了一场存储设备的革命。与使用磁盘进行存储的传统机电硬盘驱动器(hdd)不同，SSD由一组固态电子存储芯片制成，由控制单元和存储单元(即NAND闪存芯片、DRAM芯片)组成，因此提供更高的数据传输速率、区域存储密度和可靠性。以及更低的延迟和访问时间。

在本文的范围内，有必要详细介绍HDD和SSD的功能。HDD通过对硬盘的磁化扇区进行写入和覆盖操作，不能直接覆盖SSD盘的数据。SSD不是覆盖旧数据，而是通过编程在NAND闪存中更新数据，使相同数据的新副本失效。

允许在NAND闪存中写入数据的关键操作和基本操作是程序(P)和擦除(E)。一个P和E过程称为一个P/E周期。用P/E周期数来描述NAND闪存持续时间。由于每个P/E周期都会导致闪存的轻微磨损，NAND闪存在被磨损之前有有限的P/E周期。采用了各种技术和算法来管理NAND，以延长SSD的寿命。OP就是其中之一，也是本文的重点。它实际上是与基于NAND的SSD存储的工作原理密切相关的特性。

了解NAND内存的物理结构对于理解SSD的P和E过程是非常重要的。NAND内存可以被划分为块。一个块通常由许多页面组成，而页面大小因NAND技术而异。在编程过程中，数据一次只能写入一页。然而，擦除只发生在一个块上。由于这个限制，引入了垃圾收集进程来充分利用闪存。

垃圾收集(GC)

SSD控制器通过FTL (闪存转换层)实现主机空间LBA (逻辑块地址)与Flash内存PBA (物理块地址)的映射。这种映射以链接/映射表的形式存在。主机通过链接表对物理块进行寻址。

为了简单地说明GC过程，将闪存简化为两个物理块，每个块包含6个页面，如图1所示。在将数据写入内存时，通过磨损均衡算法，数据均匀地分布在所有物理块上，如图1(a)所示，从而避免了对特定区域的重复编程。由于无法直接覆盖flash上的数据，因此需要将更新后的数据写入空闲页面，而将原始数据标记为无效，如图1(b)所示。FTL将简单地将更新数据的逻辑地址重定向到新的物理地址。

需要释放无效页面，以便向内存中添加更多数据。由于擦除只能在块级别执行，以释放上面块中的无效页，因此需要读写有效数据来释放另一个块中的页。同时，原始页中的数据被标记为无效，只包含无效数据的整个块可以被擦除。收集有效数据并擦除整个无效数据块的过程称为GC。如图2所示。

写放大系数(WAF)

假设主机希望在SSD中可用的空闲块非常少的情况下写入数据，SSD控制器应该开始执行GC进程来释放包含无效数据的块。如图3所示，在GC Write数据处理过程中，SSD实际上向flash写入了4个页面，以便在一个页面上写入数据F，这是由主机请求的。

这种现象被称为写放大，即写入NAND的数据量超过了主机需要写入的数据量。WAF可以计算为写入闪存的数据(包括在GC期间复制有效数据)与主机请求写入的数据量的比率。

以图3为例，假设C_1、D_1、E_1和F的数据大小均为4KiB，则该写过程的WAF可计算为4。这也说明了GC的效率对WAF有很大的影响。WAF过高会加剧闪存的退化，减少驱动器的寿命。

WAF因应用不同的工作负载而有显著差异。一般来说，小块的随机写将比大块的顺序写产生更高的WAF。例如，当将4KiB块大小的数据写入到页面大小为16KiB的SSD时，在顺序写的情况下，可以将4个块顺序写入到一个物理页面。而在随机写方面，每4KiB数据将随机分布到不同的页面或/和块。与顺序写相比，驱动器上的数据将是高度碎片化的，这将在数据替换期间导致高度碎片化的无效数据。因此，SSD控制器需要执行密集的GC来重新定位有效数据并擦除所有无效数据。这可能会导致驱动性能的显著下降和WAF的上升。

预测

可以预见，当SSD快满时，将没有足够的空闲空间进行垃圾回收。解决这个困境的方法是过度配置，这是一个将额外的空闲空间分配到SSD的过程，以确保始终有足够的空间供GC进程使用。这个额外的区域称为过度供应的空间，主机无法访问，只有SSD控制器可以访问，从而允许GC进程顺利进行。

OP的计算公式如下:

注意，flash的容量始终为2的n次方(单位为GiB)，而SSD厂家公布的容量为十进制(GB)。例如，使用256 GiB Flash构建一个256 GB的SSD, SSD固有OP为(256*(2^30)-256*(10^9))/(256*(10^9))= 7.37%。

在固有OP之上，可以根据不同的应用程序请求配置其他用户OP。例如，由256 GiB flash构建的240gb SSD的总OP为(256*(2^30)-240*(10^9))/(240*(10^9))= 14.53%。

但是，为了简化，市场描述通常只提到用户OP，所以对于一个240 GB的SSD，市场OP是(256*(10^9)-240*(10^9))/(240*(10^9))7%。而根据计算，256GB SSD的市场OP为0%。

综上所述，如果我们将SSD配置为不同的用户容量，OP将如下所示:

不管使用哪种定义，OP是指SSD容量中预留给FW算法(如GC、磨损均衡和坏块替换)使用的部分。用户无法访问。

过度配置对SSD性能的影响

当写操作接近饱和时，垃圾收集会严重影响SSD性能。为了解决这个问题，过度配置为垃圾收集过程提供了额外的空间，而不会严重影响性能。

下面两张图展示了通过分配不同的OP大小，256GB SATA硬盘的峰值性能和总体性能的变化。这些性能是通过使用上一节描述的JEDEC 219工作负载来衡量的，连续随机写的用户容量为2.4倍。

当写到一个全新的驱动器时，随机写性能是最好的，因为还没有垃圾收集操作，因此OP大小对峰值性能没有影响，如图8所示。当驱动器被数据填满时，驱动器内的数据变得越来越碎片化。驱动器的控制器必须不断标记无效数据并将其垃圾收集。此时，GC成为降低驱动器性能的一个主要因素。从图9的图中可以看到，随着OP大小的增加，垃圾收集对性能的影响越来越小。事实上，随着OP的增加，总体随机写性能显著提高。

过度配置有助于提高SSD的耐久性和写性能，但会降低用户容量。因此，根据应用程序分配最佳的OP量是很重要的。对于写密集型的工作负载，为了显著提高持久性，牺牲一定的容量是有益的。相反，对于读密集型工作负载，较低的OP可以让客户最大限度地利用用户容量。

作为专业存储和内存解决方案的全球领导者，ATP提供独特的、定制配置的解决方案，以满足独特的需求。ATP定制OP，以适应不同的现实应用环境，为客户提供最有利的驱动耐力、用户容量和性能产品。