NAND 与 SSD 技术简介

时钟
66Mbps
数据 IO
Toggle DDR NAND :
数据
Data 数据
在时钟信号的两个边缘处理数据
时钟 133Mbps 数据 IO
数 据
数据
数据 数据
数据
随机读IOPS 10%↑ 随机写IOPS 40%↑
三核的优势
HOST
DRAM
写 读
CPU0
随机读
CPU1
随机写
CPU2
随机读
„ F0 F1 F2 F9
Write size 10GB / day Lifetime (64GB) 16 yrs ↑ Lifetime (128GB) 32 yrs ↑ Lifetime (256GB) 64 yrs ↑
20GB / day 40GB / day
8 yrs ↑ 4 yrs ↑
16 yrs ↑ 8 yrs ↑
空闲块
BLK 0
File A 无效 File A 无效 File A 无效 File B 无效
BLK 1
File B File B File B File B
BLK 2
File A File A File A File A
BLK 3
File C File C File C
*每一个单元代表NAND flash.中的一个物理地址。
Ch B Way0 Way1 Way2 Way3 Way4
Ch C Way0 Way1 Way2 Way3 Way4 Way5 Way6 Way7
Ch D
Ch E
Way0 Way1 Way2 Way3 Way4 Way5 Way6
Ch F Way0 Way1 Way2 Way3 Way4
Ch G Way0 Way1 Way2 Way3 Way4 Way5 Way6 Way7
TRIM
TRIM 是 “Information of deleted address”.
•假定 1 : 设备有4 blocks (block 0~3) •假定 2 : 设备有至少一个空闲块. •假定 3 : 支持 TRIM 指令 •命令序列. 1. 写 File A (size = 3 pages) 2. 写 File B (size = 5 pages) 3. 修改 File A (size = 4 pages) 4. 删除 File A (TRIM command is issued.) 5. 写 File C (size = 3 pages)
前台GC
当主机发出一个写指令后，设备就会创建闲块 积极面 - 提高了耐久性 (减少不必要的数据拷贝) 消极面 - 降低了性能 (如果映射 & GC，算法就不好)
三星的领导地位
SSD市场份额 家电
其他
Source: iSuppli, Q4 2010 (excludes enterprise server)
+52%
100%
+95%
*内部测试结果
性能 (压缩)
Compressible 可压缩模式 pattern
Incompressible pattern
File Copy
Office files Office 文件 (448MB) 图形文件 Image 视频文件files (722MB) Movie files (1.28GB) *内部测试结果
突然断电 发热问题 寿命及耐久性
性
能
性能
SATA 6 Gb/s 接口
Writ e 顺序 Sequentia Read l Writ (MB/s) e
Random (IOPS)
随机
Read
64GB 75,000 16,000 520 160
128GB 80,000 30,000 520 320
256GB 80,000 36,000 520 400
空闲块
BLK 1
File B File B File B File B
BLK 0
File A 无效 File A 无效 File A 无效 File B
BLK 2
File A 无效 File A 无效 File A 无效 File A 无效
BLK 3
File C File C File C
In this case, 垃圾回收 doesn’t occur because the TRIM prepares a 空闲块 in advance. After performing the TRIM command, Block2 becomes a 空闲块.
Control Gate ONO
e
n+
Tunnel Oxide
e
e
e
n+
袖珍 p 阱
e
N+
Control Gate ONO
e
e
e
n+
Tunnel Oxide
袖珍 p 阱


NAND Flash 内存
页（Page） • 最小读写单位(程序)
块（Block） • 最小擦除单位
NAND 上的覆盖操作
文件系统
逻辑地址
映像表
物理地址1
物理地址2 NAND Flash 内存
平均抺写
擦写次数(EC) 5 4 3 2 1 区块号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 热块 例如， 写入/擦除周期= 5 --> 设备疲劳 擦写次数(EC) 5
平均抺写
4 3 2 1 区块号
512GB 80,000 36,000 520 400
性能 (OS)
详细项目 PCmark05
(Windows XP)
830 256GB 100% 100% 100%
品牌 A -9% +7% -4%
品牌 B -30% -11% +3%
品牌 C -33% -40% -2%
*内部测试结果
PCmarkVantage
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SSD 技术
SSD 技术
SSD 技术的主要目标是更好地管理 NAND Flash 内存.
对性能
对寿命和耐久性
• 交错操作 • MAP 数据管理 • TRIM
• 垃圾回收 • 超容量 • 压缩
•
平均抺写
交错操作
非交错操作
单通道
进程 数据 进程 数据 进程 数据
Ch H
Way0
Way1 Way2 Way3 Way4 Way5 Way6 Way7
Way0
Way1 Way2 Way3 Way4 Way5 Way6 Way7
Way5
Way6 Way7
Way5
Way6 Way7
Way7
Way7
映像表
映像表可以将主机的逻辑地址翻译成 NAND 物理地址. 不允许覆盖数据, 因此，SSD 必须保留写有文件的轨. 这个过程是必需的，因为 NAND
32 yrs ↑ 16 yrs ↑
工作量（Workload ）
- SSD 的耐久性 取决于用户的工作量. - 三星已经通过内部测试，制作了这个与用户工作量相关的产品预期寿命表。
突然断电恢复
如果你的台式机或膝上电脑突然断电，就有可能会产生损坏SSD，并有可能 丢失你的数据的风险. 三星 830 硬件算法的设计目的，就是保护用户的数据，并恢复突然断电给 你带来的损失。
高科技产品
与.
SSD 的主要组成
控制器
与主机通讯的中枢, 主要负责在 NAND Flash 内 存中的读/写任务
DRAM
当在永久 NAND Flash 内存中保存数据时，作为缓 存临时储存数据
NAND Flash : 与 HDD 的主要差别
采用数据储存区，而不是HDD的磁盘
数据处理
HDD : 覆盖 SSD(NAND) : 程序/擦除
顺序 Sequential (MB/s)
Sequential Read Write
Random (4KB,Q1) Read Write
Random (4KB, Q32) Read Write
470 (256GB)
830 (256GB)
100%
+4%
100%
+0%
100%
+39%
100%
垃圾回收创建 “空闲块”.
•假定 1 : 设备有4 blocks (block 0~3) •假定 2 : 设备至少有一个空闲块. •假定 3 : 不支持TRIM 指令命令序列. 1. 写 File A (size = 3 pages) 2. 写 File B (size = 5 pages) 3. 修改 File A (size = 4 pages) 4. 写 File C (size = 3 pages)
覆盖 page 3 意味着什么?
空闲块
Page 1 Page 2 Page 3 Page
4 „„ „„ Page „.. 64
Page 1 Page 2
不切实际 !
解决方案
继续写到下一个page里. Page 1 Page 2 Page 3 无效
数据写入变为 Page 4
将 Page 3 标记为无效数据
闪存
Samsung 830’s 内部结构
DRAM 缓存的优势
DRAM 缓存有助于保持稳定的随机读性能, 即使访问范围增加了.
830 Series
Performace
50MB
100MB
200MB
400MB
1GB
2GB
访问范围
固件设计概念
启动 应用装载 文件拷贝
性能 真实用户体验
可靠性
稳定的性能 & 可靠性
稳健拷贝
128KB Seq. Write (CrystalDiskMark)
Brand “X” 830 Series (128GB)
485MB/s 325MB/s
168MB/s 322MB/s
15.6 seconds 12.9seconds
可靠性
耐久性
需要熟悉NAND的知识 耐久性（Endurance）
*每一个单元代表NAND flash.中的一个物理地址。
超容量缓存
通过保留一些内存容量, SSD 可以更加轻松地创建一些空闲块，以 提升内存的性能和可靠性.
256GB SSD
240GB SSD OP 区 (16GB)
压缩
压缩可以通过减少所写入的数据，帮助提升整体性能，并延长设备的 使用寿命.
32KB data 数据
压缩用户数据
16KB 数据 已写
Samsung SSD 830 系列
Samsung SSD 830 系列
关键组件
Toggle DDR NAND
基于3-核
ARM9 的 MCX 控制器
Flash
256MB DDR2 DRAM 缓存
Toggle NAND的优势
SDR NAND: 在时钟信号的一个边缘处理数据
数据流
数据
数据
数据
交错操作
进程 数据 进程 进程 数据 数据 进程 进程 数据 数据 进程 数据
多通道
数据流
数据
数据
数据
数据
数据
数据
交错操作
通道(channel) - NAND 与控制器之间独立的数据路径 路(way) – 一组共享同一个通道的 NAND 组件 数据
控制器
Ch A
Way0 Way1 Way2 Way3 Way4 Way5 Way6
(Windows Vista)
PCmark7
(Windows7)
性能 (向后兼容性)
SATA II, 3Gb/s 接口
64GB Random 随机 (IOPS) Read Write Read Write 47,000 16,000 270 160 128GB 47,000 29,000 270 255 256GB 47,000 35,000 270 255 512GB 47,000 35,000 270 255
当主机发出一个写指令后设备就会创建闲块积极面提高了耐久性减少不必要的数据拷贝消极面降低了性能如果映射gc算法就不好积极面提高了耐久性减少不必要的数据拷贝消极面降低了性能如果映射gc算法就不好外汇是一种以外币表示的用于国际间结算的支付手段
SSD 101
NAND 与 SSD 技术简介
三星电子株式会社
NAND Flash 基础
Magician Software软件
结论
•更快
•更可靠 •满足各种需要的设计
•全自主三星解决方案
谢 谢
用户体验
安装工具
Norton Ghost
Magician Software软件
三星的 Magician Software 使你能够非常轻松地使 SSD 的性能始终处于峰值状 态。
• 更方便的固件更新 - 基于Windows的固件可以在不损失任何数据的情况下完成更新。
Magician Software软件