Vše, co jste kdy chtěli vědět o NVMe SSD (a nebáli se zeptat) | Kapitola 5
Seznam kapitol
Už dlouho se v diskusi pod testy SSD disků množí dotazy, jak a co funguje. Rozhodl jsem se tedy nejčastější dotazy zodpovědět v samostatném článku. Porovnáme rychlosti dle počtu PCIe linek, objasníme TRIM a podíváme se na jednotlivé způsoby implementace SLC cache a jejich výhody a nevýhody.
Typy řešení SLC cache
Pokud si myslíte, že SLC cache je doménou SSD s (3D) TLC, je to omyl. Už MLC disky v roce 2014 se zdály výrobcům pomalé a nabízeli u nich SLC cache. Co bychom dnes za pořádné MLC disky dali, že? Myšlenka SLC cache je jednoduchá. Pokud to volná kapacita disku dovolí, je možné některé TLC/QLC NAND buňky provozovat v režimu SLC, tedy s maximálně rychlým zápisem. To umožní po nějakou dobu zápis dle maximálních možností řadiče a rozhraní PCIe. Existují čtyři dluhy implementace SLC cache:
Statická dedikovaná SLC cache, která má danou pevnou hodnotu po celé ploše disku a při všech hodnotách zaplnění disku. To znamená, že výrobce nastaví například 6 GB jako skutečné SLC buňky, kdy se tyto buňky nachází v over-provisioning části disku, tedy mimo prostor uživatelských dat. Tam je logické, že funguje vždy nezávisle na zaplnění disku daty. Data se pak přesouvají ze SLC do TLC v době nečinnosti disku. Toto řešení nebývá časté.
Statická SLC cache, má danou opět pevnou hodnotu, ovšem disk ji bere z uživatelského prostoru. Bývá většinou malá, v řádu jednotek GB. Disk se pak snaží data ze SLC konvertovat do TLC co nejdříve, aby mohl opět další buňky použít jako SLC. Tento systém je častější, je levný ale více zatěžuje kontrolér disku. Také u plných disků nemůže fungovat, nezbývají žádné volné TLC buňky pro SLC zápis.
Dynamická SLC cache, je výrazně lepší řešení než statická, používá se ale málo. Zde kontrolér přiřazuje hodnotu SLC dle zaplněnosti disku z uživatelského prostoru a může být i hodně velká (až 300–500 GB). Dokud je na disku místo pro použití SLC, systém funguje stále. Data se opět kopírují ze SLC do TLC v průběhu práce disku i během klidové fáze. U zcela plného disku samozřejmě nefunguje.
Kombinovaná SLC cache. Ta spojuje některé z výše popsaných možností. Dobrou ilustrací je disk Intel s QLC čipy. Ten ji sice nazývá dynamickou, ale jde o statickou s několika stupni. Pokud je disk prázdný nebo zaplněný méně než 50 procent, je SLC cache u 1TB disku vždy 140 GB. Mezi zaplněním 50-75 procent pak dynamicky klesá ze 140 GB až na 12 GB. Kapacita 12 GB je pak dedikovaná cache z části disku pro over-provisioning. Tu si disk drží až do úplného zaplnění.
Každý výrobce disku i řadiče má na funkci SLC cache jiný názor a jinak implementuje její funkci. Podívejme se na několik reálných disků a jejich funkci. Nejlepší SLC cache řešení má PCIe 4.0 disk Adata GAMMIX S50. Čím větší je SLC cache, tím lépe. Tento disk v kontinuálním zápisu dokáže v SLC režimu pracovat až do 480 GB. Rychlost zápisu je celý čas kolem 3 GB/s. Po vyčerpání SLC, klesne rychlost na 0,7 GB/s.
Tady se zastavme. Často se ptáte, jak je to možné. Pokud má totiž disk 1 TB v TLC čipech po 3 Bitech na buňku, má tedy kapacitu převedenou na SLC jen třetinovou, jak se tedy do cca 333 GB vešlo 480 GB? To je správná otázka.
Odpověď je ale jednoduchá. Popišme si, co se v disku děje. Disk dostane příkaz k zápisu dat, je zatím prázdný. Disk má dostatek prostoru pro SLC cache zápis, tedy aktivuje část buněk jako SLC s rychlým zápisem, postupně je zapisuje plnou rychlostí. Už po několika stovkách MB zapsaných dat, se ale aktivuje systém na přepis ze SLC do TLC buněk. Předchozí data disk tedy přesouvá do TLC buněk a tím opět uvolňuje buňky pro použití jako SLC. Neplatí tedy, že celých 480 GB je stále v SLC režimu, ale disk pracuje dynamicky jen s určitou částí kapacity. Nevíme kolik to je, ale třeba jde o 100 GB. V daný okamžik je tedy třeba 100 GB v režimu SLC, a zbytek disku stále v režimu TLC.
U tohoto konkrétního disku, stíhá kontrolér až do poloviny kapacity stále aktivovat novou SLC cache a přesouvat data ze SLC do TLC rychle, potom mu dojde dech. Na disku už není dost místa, které by bylo potřeba pro SLC cache a přesouvání do TLC plnou rychlostí, zápis tedy klesne. V tento okamžik stačí disk nechat pár desítek sekund v klidu, a vše jede opět plnou rychlostí. Data se v této pauze přesunou a je možné opět aktivovat potřebný prostor pro SLC. To platí pro všechny disky, nejen tento.
Další možná implementace je u disku WD Black. Předchozí disk Adata umožní polovinu disku zapsat velmi rychle, druhou pomalu. WD zvolili jinou taktiku, dovolí celou plochu disku zapsat solidní rychlostí, v průměru skoro stejnou jako u Adata (1,8 MB/s proti 1,6 MB/s). SLC cache je zde velmi malá (2 GB), díky čemuž diskový řadič zvládá zapisovat SLC a přesouvat do TLC data relativně rychle. Zvládá to stejně rychle po celé kapacitě disku.
Podobně k SLC cache přistoupili i Corsair s diskem MP510. Průběh ukazuje, že disk startuje se SLC cache také max 2 GB, a po celou dobu kontinuálního zápisu se snaží data zapsat do SLC a rychle překopírovat do TLC a opět zapsat do SLC, a takhle stále dokola. O tom svědčí tento neklidný průběh.
Po dvou příkladech dynamické SLC cache, je zde Intel s pevně danou cache. Disk po vyčerpání 180 GB klesá s rychlostí zápisu na 240 MB/s. Poté co bychom zápis zastavili, chvíli počkali a disk by byl zaplněný méně než 50 procent, opět by rychlost zápisu začínala na 1,7 GB/s. Po vyčerpání 180 GB by opět klesl.
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
