如何提高SSD的效能及延長壽命在工業儲存應用

工業儲存應用特別重視記憶體的效能和使用壽命，宜鼎國際研發處協理吳錫熙在論壇中，針對SSD新的Page架構，作深入說明。
SSD演算法

SSD演算法包括以區塊(Block)為架構的傳統模式，和以頁面(Page)為架構的新模式2種。以區塊為架構的管理單元為，一個區塊SLC (256KB)和MLC (1MB/2MB)。特性為，隨機寫入效能和壽命均較差。產品包括隨身碟、快閃記憶卡。

匹配表(Mapping Table)只有區塊層的索引，並且在一個區塊(1MB)中有2048個小區段按照小到大依序排列。

一個管理單元有512個區塊，由韌體找到一個空白的區塊，並將所有資料由原本區塊移入，並且寫入新的資料到空白區塊。寫入8K (4KB)隨機資料需要將2040K (1020KB)的舊靜態資料移開到新區塊。

然而，只寫入8個資料，需要移除900多個區塊，SSD的效能太低。而且時而搬動也減低其壽命，減低其效能。

Page演算法屬於長壽命SSD，管理方式則以幾個page來管理，8K (4K) * page數目。對於隨機寫入效能和壽命較有優勢。需要去維護一個很大的匹配表，且與區塊模式相比較為脆弱。也需要動態隨機存取記憶體(DRAM)快取(Cache)。保留了8~20%容量，以改善效能和壽命。

這種新的演算法，1個區塊包括256個pages，1個區塊可以被寫256次的8K (4K)隨機資料。傳統模式沒有管理，無法照順序寫，新演算法則可將隨機寫入變成依序寫入行為， SSD效能就會因而增加，壽命也會變長。

隨機寫入行為

隨機寫入通常是小檔案，並會更新檔案配置表格(File Allocation Table；FAT)。假若系統已有許多隨機寫入行為，就需要新的演算法來改善使用壽命。

隨著應用不同，寫入行為也會有所不同，不過多半是隨機的。舉例而言，若是POS系統的應用，其直接記憶存取(DMA)讀取為806次，占21%，直接記憶存取寫入部分為2997次，占78%，其他則為13次，占1%。80%的寫入指令是在8K Bytes之下。寫入指令的區段數目結果則為，1~8區段有981次，占33%、9~16區段為1577次，占53%，17~256之間的5個區段，分布較為零星。

接著是壽命驗證的問題。以區塊為架構的演算法為雙平面和8通道，管理單元擴展為16區塊，每一次隨機寫入都需要清除16個區塊：16區塊就等於16MB。也就是說，寫入8K資料就需要清除16MB。

新的演算法(Page模式)則為長時間使用的SSD，管理單元為2 Page，即為(256 * 20%)/2 = 25 Pages。其中20%保留，空出來，即可接受隨機存取指令，而不像區塊模式，每個都要搬動。

8K隨機寫入壽命為16 * 25/(8/8) = 400次。128K隨機寫入為16 * 25/(128/8) = 25次。1M隨機寫入壽命為16 * 25/(1024/8) = 3次。

利用SMART軟體得到壽命資訊

如何能驗證SSD的壽命呢？導入SMART(Self Monitoring, Analysis, and Reporting Technology，自我監控分析和記錄技術)得到壽命資訊，以MLC SSD，5000抹寫次數(Programming/Erase Cycle, P/E Cycle)為例，壽命%=100-(平均_PE_次數/5000)*100。使用年限(1GB？天)：(MB_每_秒*秒？(壽命_減少？100))/1024)。由此可以預測SSD的使用壽命。這種預測方法是用軟體記錄寫了多少資料，即可預估還可以用多久，在某些系統是重要的預測，尤其像MLC SSD較便宜，可用以估計壽命夠不夠。

套公式計算出來的壽命實例，比較一顆舊的和一顆新的32GB MLC SSD，8K隨機寫入，舊的MB/秒為0.02，新的為6.75，前者壽命剩下0.08年，後者剩有138年，且在Page模式之下，選擇較少搬動的資料區塊，更可遠遠大於理論壽命。

上述8K的資料為最低量，新舊壽命也相對差異最大。套公式計算出來的壽命年限，同樣以8KB、128KB、1MB、10MB 4種寫入資料，並以新舊不同的SSD來看，計算結果新的SSD，四者差異不大，都可使用約140年，舊的SSD則是尺寸愈大使用壽命愈久。主要因為新的採用Page模式，隨機寫入會進行順序排列，因此壽命相似。但舊的不管是寫8K、128K、1MB或10MB，都要搬16MB資料，寫愈大要搬開的資料相對愈少，所以使用壽命較久。