前情提要

在了解 FTL 之後，這裡將對 TRIM, over-provisioning 作介紹，並探討 clustered block 以及 SSD 不同層級的平行機制。

5 Advanced functionalities

5.1 TRIM

依照 HDD 的慣例，檔案系統刪除資料時不一定要真的下抹除指令到硬碟去（真的要刪的時候只要直接複寫過去就好了）。造成可能有檔案系統回報硬碟是空的、裡面塞滿實質 stale 的資料但 controller 不知情的情況。這會造成 controller 沒法有效 GC，到了發現要複寫了才開始清出空間，最後導致效能低落。

另外一個問題是，controller 快樂的把那些 controller 應該知道要刪除的資料搬來搬去做 wear leveling，但是這些都是做白工，而且干擾了 foreground 的讀寫工作。

有沒有跟職場環境有點像？

對這個問題的一個解法是 TRIM 指令，由作業系統送出，告知 SSD controller 某些 page 已經被刪掉了，沒有留存在 logical space 的必要。有了這個資訊 SSD 就不用把那些 page 搬來搬去，並適時刪除。這個指令必須要在 SSD controller, 作業系統, 檔案系統都有支援的情況下才有用。

維基百科的 TRIM 頁面有列出支援的作業系統及檔案系統[16]，

關心 zfs 的人，freeBSD 9.2 及近期的 zfsOnLinux 8.0 都有支援 TRIM，愈來愈適合裝在筆電上啦。

5.2 Over-provisioning
透過提供更多備用的 physical block 來讓 SSD gc 更好做事、提升壽命。大部分的 SSD 都有將 7 ~ 25% 的空間做 over-provisioning[13]。使用者也可以加碼在分割硬碟的時候留更多空間，例如 100 GB 的硬碟，切了 90 GB 來用，其他擺著，controller 一樣會把那些空間拿來做 GC 等用途。

AnandTech 的一篇關於 over-provisioning 的文章，建議除了製造商原有的之外可以做到 25% 來達到更好的 SSD 存取效能[34]。另外一篇 Percona 的文章指出 Intel 320 SSD 在將滿時寫入效能低落的現象[38]。

作者對這現象的解釋是如果 SSD controller 始終保持在忙碌狀態，就會找不到適當實際進行 GC，清出 free state 的 block，直到 free block 用完了才不得不做。在這時候 FTL 已經無法像先前那樣有效率的完成 foreground 讀寫操作，必須等 GC 清出空間才能做，這導致嚴重的效能下降。 over-provisioning 可以協助減緩此類現象的發生，讓 FTL 有更多的空間支應大量的寫入操作。至於需要多大的空間來做，作者建議如果需要因應尖峰時段大量隨機寫入，上看25%，不需要的話 10 ~ 15%即可。

5.3 Secure Erase

有部分型號提供 ATA Secure Erase 功能可以讓 SSD 所有 block 清為 free，清空各 FTL mapping table。這可以解決資訊安全及使 SSD 效能恢復至出廠狀態。不過 [11] 提到很多大部分廠商的實作都有問題。 Stackoverflow 上面有對於資訊安全議題的相關討論，也可以看到如何更有效的把資料確實從 SSD 上抹除，也有一篇 paper 在討論這件事，，原則上就是挑選有支援加密的型號，或是你直接用有加密的檔案系統。 [48, 49]

還有把硬碟丟到調理機裡面

5.4 Native Command Queueing (NCQ)

SATA 讓 SSD 可以批次接受多個指令，利用內部平行處理機制的功能[3]。除了降低延遲之外，部分 controller 也提供此機制讓 host CPU 可以批次下指令，當 CPU 工作量大的時候有幫助 [39]

5.5 斷電保護

部分實作利用 supercapacitor 來保持 SSD 在斷電之後仍有足夠能量完成 host bus 的指令。不過作者指出這個跟 Secure Erase 一樣，各家實作不同，也沒有統一規範。

[72] Zheng et al., 2013 在斷電壓力測試中測了 15 款 SSD，沒透露廠家，但掉資料、系統損毀的比例 13/15。另外一位 Luke Kenneth Casson Leighton 也拿了四款 SSD 來做測試，只有 Intel 沒掉資料 [73]。

如果是資訊機房的話還是要牢記備份 321 原則，還有上 UPS 跟自動關機機制。

6. SSD 內部平行處理機制

6.1 有限的 IO 頻寬

因 nand flash 物理限制，單一 package 的 io 頻寬極限是在 32-40 MB [5]。因此能提升存取效能的方法就是 parallelized/平行化 或是 interleaved 解釋可見 [2]的 2.2。

interleved 類似 pipelined

藉由結合不同層級的內部平行處理機制，SSD 可以同時 simutaneously 存取多個 block，又稱 clustered block. 作者建議想了解細節的人去看 [2, 3]，進階指令如 copyback, inter-plane transfer 可參考 [5]。

6.2 不同層級的平行機制


上圖為 nand flash 的內部結構，所謂的層級即是 channel, package, chip, plane, block, 到 page ，以離 controller 的距離來做分級。

  • Channel-level parallelism.
    controller 與 package 透過多個 channel 溝通，各channel 可被獨立運用，也可同步使用，各個 channgel 由多個 package 共用。
  • Package-level parallelism.
    在同個 channel 上的 package 可以被同時存取，上面提到的 interleaving 可以用在同 channel 的 package 上。
  • Chip-level parallelism.
    一個 package 裡有兩個以上的 die/chip 可被平行存取。
  • Plane-level parallelism.
    一個 chip 裡面有兩個以上的 plane, 同個指令（讀寫抹）可同時下在 chip 的各 plane 上。plane 裡面有 block, block 裡面有 page。plane 裡面還有一些暫存器（小的 RAM 緩存區），用來協助 plane 層級的操作。

6.3 Clustered blocks

對分布在不同 chip 的多個 block 的操作也稱為 clustered block [2]. 跟 HDD raid 的 striping 概念有點像 [1, 5].

批次對 LBA 的存取會被視為 clustered 操作，並同時對不同的 flash package 做存取。多虧了 FTL 的 mapping 演算法/資料結構，即便我們不是做循序的讀寫，一樣可以發揮 FTL 平行運算的超能力。分散 block 到各個 channel 去讓我們的讀寫抹都可以平行處理。意味著當我們 IO 的大小是 clustered block 的倍數，並有把 LBA 對齊，將可充分利用 SSD 內部各層級的平行運作機制。下一篇的 8.2 8.3 有更多介紹

ref

  1. coding for ssd part 4

其他有編號參考資料請至原文觀賞：link