Écrire une amplification

L'amplification d'écriture ( WA ) est un phénomène indésirable associé à la mémoire flash et aux disques SSD (Solid State Drives ) où la quantité réelle d'informations écrites physiquement sur le support de stockage est un multiple de la quantité logique destinée à être écrite.

Étant donné que la mémoire flash doit être effacée avant de pouvoir être réécrite, avec une granularité beaucoup plus grossière de l'opération d'effacement par rapport à l'opération d'écriture, le processus d'exécution de ces opérations entraîne le déplacement (ou la réécriture) des données et métadonnées utilisateur plus d'une fois. Ainsi, la réécriture de certaines données nécessite qu'une partie déjà utilisée de la mémoire flash soit lue, mise à jour et écrite vers un nouvel emplacement, ainsi que l'effacement initial du nouvel emplacement s'il a été précédemment utilisé. En raison du fonctionnement de la mémoire flash, des parties de mémoire flash beaucoup plus importantes doivent être effacées et réécrites que ce qui est réellement requis par la quantité de nouvelles données. Cet effet multiplicateur augmente le nombre d'écritures requises au cours de la durée de vie du SSD, ce qui réduit le temps pendant lequel il peut fonctionner de manière fiable. L'augmentation des écritures consomme également de la bande passante vers la mémoire flash, ce qui réduit les performances d'écriture sur le SSD. De nombreux facteurs affecteront la WA d'un SSD ; certains peuvent être contrôlés par l'utilisateur et certains sont le résultat direct des données écrites et de l'utilisation du SSD.

Intel et SiliconSystems (acquis par Western Digital en 2009) ont utilisé le terme d'amplification d'écriture dans leurs articles et publications en 2008. L'amplification d'écriture est généralement mesurée par le rapport entre les écritures effectuées dans la mémoire flash et les écritures provenant du système hôte. Sans compression , l'amplification d'écriture ne peut pas descendre en dessous de 1. En utilisant la compression, SandForce a affirmé avoir obtenu une amplification d'écriture de 0,5, avec des valeurs optimales aussi basses que 0,14 dans le contrôleur SF-2281.

En raison de la nature du fonctionnement de la mémoire flash, les données ne peuvent pas être directement écrasées comme c'est le cas sur un disque dur . Lorsque les données sont écrites pour la première fois sur un SSD, toutes les cellules démarrent dans un état effacé afin que les données puissent être écrites directement en utilisant des pages à la fois (souvent de 4 à 8 kilo-octets (Ko) ). Le contrôleur SSD du SSD, qui gère la mémoire flash et s'interface avec le système hôte, utilise un système de mappage logique-physique appelé adressage de bloc logique (LBA) qui fait partie de la couche de traduction flash (FTL). Lorsque de nouvelles données arrivent en remplacement des données plus anciennes déjà écrites, le contrôleur SSD écrira les nouvelles données dans un nouvel emplacement et mettra à jour le mappage logique pour pointer vers le nouvel emplacement physique. Les données de l'ancien emplacement ne sont plus valides et devront être effacées avant que cet emplacement puisse être réécrit.

La mémoire flash ne peut être programmée et effacée qu'un nombre limité de fois. On parle souvent de nombre maximal de cycles de programmation/effacement (cycles P/E) qu'elle peut supporter pendant la durée de vie de la mémoire flash. La mémoire flash à cellule unique (SLC), conçue pour des performances supérieures et une endurance plus longue, peut généralement fonctionner entre 50 000 et 100 000 cycles. Depuis 2011 , la mémoire flash à cellules multiniveaux (MLC) est conçue pour des applications à moindre coût et présente un nombre de cycles considérablement réduit, généralement compris entre 3 000 et 5 000. Depuis 2013, la mémoire flash à cellules à trois niveaux (TLC) (par exemple, 3D NAND) est disponible, avec un nombre de cycles tombant à 1 000 cycles de programmation-effacement (P/E). Une amplification d'écriture plus faible est plus souhaitable, car elle correspond à un nombre réduit de cycles P/E sur la mémoire flash et donc à une durée de vie du SSD accrue. L’usure de la mémoire flash peut également entraîner une dégradation des performances, telle qu’une dégradation de la vitesse d’E/S.

L'amplification d'écriture était toujours présente dans les SSD avant que le terme ne soit défini, mais c'est en 2008 qu'Intel et SiliconSystems ont commencé à utiliser le terme dans leurs articles et publications. Tous les SSD ont une valeur d'amplification d'écriture et elle est basée à la fois sur ce qui est en cours d'écriture et sur ce qui a été précédemment écrit sur le SSD. Afin de mesurer avec précision la valeur pour un SSD spécifique, le test sélectionné doit être exécuté pendant suffisamment de temps pour garantir que le disque a atteint un état stable .

Une formule simple pour calculer l'amplification d'écriture d'un SSD est :

Les deux quantités utilisées pour le calcul peuvent être obtenues via les statistiques SMART (ATA F7/F8 ; ATA F1/F9).

De nombreux facteurs affectent l'amplification d'écriture d'un SSD. Le tableau ci-dessous répertorie les principaux facteurs et la manière dont ils affectent l'amplification d'écriture. Pour les facteurs variables, le tableau indique s'ils ont une relation directe ou inverse . Par exemple, lorsque la quantité de surprovisionnement augmente, l'amplification d'écriture diminue (relation inverse). Si le facteur est une fonction de bascule ( activée ou désactivée ), il a une relation positive ou négative .

Les données sont écrites dans la mémoire flash en unités appelées pages (composées de plusieurs cellules). Cependant, la mémoire ne peut être effacée que dans des unités plus grandes appelées blocs (composés de plusieurs pages). Si les données de certaines pages du bloc ne sont plus nécessaires (également appelées pages obsolètes), seules les pages contenant de bonnes données dans ce bloc sont lues et réécrites dans un autre bloc vide précédemment effacé. Ensuite, les pages libres laissées par le fait de ne pas déplacer les données obsolètes sont disponibles pour de nouvelles données. Il s'agit d'un processus appelé garbage collection (GC). Tous les SSD incluent un certain niveau de garbage collection, mais ils peuvent différer quant au moment et à la vitesse à laquelle ils exécutent le processus. Le garbage collection est une grande partie de l'amplification d'écriture sur le SSD.

Les lectures ne nécessitent pas d'effacement de la mémoire flash, elles ne sont donc généralement pas associées à une amplification d'écriture. Dans le cas peu probable d'une erreur de perturbation de lecture , les données de ce bloc sont lues et réécrites, mais cela n'aurait aucun impact matériel sur l'amplification d'écriture du lecteur.

Le processus de récupération de place implique la lecture et la réécriture de données dans la mémoire flash. Cela signifie qu'une nouvelle écriture depuis l'hôte nécessitera d'abord une lecture de l'ensemble du bloc, une écriture des parties du bloc qui contiennent encore des données valides, puis une écriture des nouvelles données. Cela peut réduire considérablement les performances du système. De nombreux contrôleurs SSD implémentent la récupération de place en arrière-plan ( BGC ), parfois appelée récupération de place inactive ou récupération de place en temps d'inactivité ( ITGC ), où le contrôleur utilise le temps d'inactivité pour consolider les blocs de mémoire flash avant que l'hôte n'ait besoin d'écrire de nouvelles données. Cela permet aux performances du périphérique de rester élevées.

Si le contrôleur devait collecter en arrière-plan tous les blocs de réserve avant que cela ne soit absolument nécessaire, les nouvelles données écrites à partir de l'hôte pourraient être écrites sans avoir à déplacer de données à l'avance, ce qui permettrait aux performances de fonctionner à leur vitesse maximale. Le compromis est que certains de ces blocs de données ne sont en fait pas nécessaires à l'hôte et seront éventuellement supprimés, mais le système d'exploitation n'a pas informé le contrôleur de cette information (jusqu'à l'introduction de TRIM). Le résultat est que les données bientôt supprimées sont réécrites à un autre emplacement de la mémoire flash, augmentant l'amplification d'écriture. Dans certains SSD d' OCZ, la collecte des déchets en arrière-plan ne nettoie qu'un petit nombre de blocs puis s'arrête, limitant ainsi la quantité d'écritures excessives. Une autre solution consiste à disposer d'un système de collecte des déchets efficace qui peut effectuer les déplacements nécessaires en parallèle avec les écritures de l'hôte. Cette solution est plus efficace dans les environnements à écriture élevée où le SSD est rarement inactif. Les contrôleurs SSD SandForce et les systèmes de Violin Memory ont cette capacité.

En 2010, certains fabricants (notamment Samsung) ont introduit des contrôleurs SSD qui ont étendu le concept de BGC pour analyser le système de fichiers utilisé sur le SSD, afin d'identifier les fichiers récemment supprimés et l'espace non partitionné . Samsung a affirmé que cela garantirait que même les systèmes (systèmes d'exploitation et matériel de contrôleur SATA) qui ne prennent pas en charge TRIM pourraient atteindre des performances similaires. Le fonctionnement de l'implémentation Samsung semble supposer et nécessiter un système de fichiers NTFS . Il n'est pas clair si cette fonctionnalité est toujours disponible dans les SSD actuellement livrés par ces fabricants. Une corruption systémique des données a été signalée sur ces disques s'ils ne sont pas formatés correctement à l'aide de MBR et NTFS.

TRIM est une commande SATA qui permet au système d'exploitation d'indiquer à un SSD quels blocs de données précédemment enregistrés ne sont plus nécessaires suite à la suppression de fichiers ou au formatage d'un volume. Lorsqu'un LBA est remplacé par le système d'exploitation, comme lors de l'écrasement d'un fichier, le SSD sait que le LBA d'origine peut être marqué comme obsolète ou non valide et il ne sauvegardera pas ces blocs lors de la collecte des déchets. Si l'utilisateur ou le système d'exploitation efface un fichier (et pas seulement en supprime des parties), le fichier sera généralement marqué pour suppression, mais le contenu réel du disque n'est jamais réellement effacé. De ce fait, le SSD ne sait pas qu'il peut effacer les LBA précédemment occupés par le fichier, de sorte qu'il continuera à inclure ces LBA dans la collecte des déchets.

L'introduction de la commande TRIM résout ce problème pour les systèmes d'exploitation qui la prennent en charge comme Windows 7 , Mac OS (dernières versions de Snow Leopard, Lion et Mountain Lion, corrigées dans certains cas), FreeBSD depuis la version 8.1, et Linux depuis la version 2.6.33 du noyau Linux . Lorsqu'un fichier est supprimé définitivement ou que le lecteur est formaté, le système d'exploitation envoie la commande TRIM avec les LBA qui ne contiennent plus de données valides. Cela informe le SSD que les LBA en cours d'utilisation peuvent être effacés et réutilisés. Cela réduit le nombre de LBA devant être déplacés pendant la collecte des déchets. Le résultat est que le SSD aura plus d'espace libre, ce qui permettra une amplification d'écriture plus faible et des performances plus élevées.

La commande TRIM nécessite également la prise en charge du SSD. Si le micrologiciel du SSD ne prend pas en charge la commande TRIM, les LBA reçus avec la commande TRIM ne seront pas marqués comme non valides et le lecteur continuera à collecter les données en supposant qu'elles sont toujours valides. Ce n'est que lorsque le système d'exploitation enregistre de nouvelles données dans ces LBA que le SSD saura marquer le LBA d'origine comme non valide. Les fabricants de SSD qui n'ont pas initialement intégré la prise en charge TRIM dans leurs lecteurs peuvent soit proposer une mise à niveau du micrologiciel à l'utilisateur, soit fournir un utilitaire distinct qui extrait les informations sur les données non valides du système d'exploitation et effectue séparément le TRIM du SSD. L'avantage ne sera réalisé qu'après chaque exécution de cet utilitaire par l'utilisateur. L'utilisateur pourrait configurer cet utilitaire pour qu'il s'exécute périodiquement en arrière-plan en tant que tâche planifiée automatiquement.

Le fait qu'un SSD prenne en charge la commande TRIM ne signifie pas nécessairement qu'il sera en mesure de fonctionner à vitesse maximale immédiatement après une commande TRIM. L'espace libéré après la commande TRIM peut se trouver à des emplacements aléatoires répartis sur le SSD. Il faudra un certain nombre de passes d'écriture de données et de récupération de place avant que ces espaces ne soient consolidés pour afficher des performances améliorées.

Même après que le système d'exploitation et le SSD sont configurés pour prendre en charge la commande TRIM, d'autres conditions peuvent empêcher tout bénéfice de TRIM. Début 2010 , les bases de données et les systèmes RAID ne sont pas encore compatibles avec TRIM et ne sauront donc pas comment transmettre ces informations au SSD. Dans ces cas, le SSD continuera à sauvegarder et à récupérer ces blocs jusqu'à ce que le système d'exploitation utilise ces LBA pour de nouvelles écritures.

L'avantage réel de la commande TRIM dépend de l'espace utilisateur disponible sur le SSD. Si la capacité utilisateur sur le SSD était de 100 Go et que l'utilisateur avait effectivement enregistré 95 Go de données sur le disque, toute opération TRIM n'ajouterait pas plus de 5 Go d'espace libre pour la récupération de place et le nivellement de l'usure. Dans ces situations, augmenter la quantité de surprovisionnement de 5 Go permettrait au SSD d'avoir des performances plus cohérentes car il disposerait toujours de 5 Go d'espace libre supplémentaire sans avoir à attendre que la commande TRIM provienne du système d'exploitation.

Le surprovisionnement (parfois orthographié OP, over provisioning ou overprovisioning) est la différence entre la capacité physique de la mémoire flash et la capacité logique présentée par le système d'exploitation (OS) comme étant disponible pour l'utilisateur. Pendant les opérations de récupération de place, de nivellement de l'usure et de mappage des blocs défectueux sur le SSD, l'espace supplémentaire issu du surprovisionnement permet de réduire l'amplification d'écriture lorsque le contrôleur écrit dans la mémoire flash. La ​​région de surprovisionnement est également utilisée pour stocker des données de micrologiciel comme les tables FTL . Le surprovisionnement est représenté par un rapport en pourcentage de la capacité supplémentaire par rapport à la capacité disponible pour l'utilisateur :

Le surprovisionnement provient généralement de trois sources :

1. Calcul de la capacité et utilisation du gigaoctet (Go) comme unité au lieu du gibioctet (Gio). Les fournisseurs de disques durs et de SSD utilisent le terme Go pour représenter un Go décimal ou 1 000 000 000 (= 10 ⁹ ) octets. Comme la plupart des autres dispositifs de stockage électronique, la mémoire flash est assemblée en puissances de deux, de sorte que le calcul de la capacité physique d'un SSD serait basé sur 1 073 741 824 (= 2 ³⁰ ) par Go binaire ou Gio. La différence entre ces deux valeurs est de 7,37 % (= (2 ³⁰ − 10 ⁹ ) / 10 ⁹ × 100 %). Par conséquent, un SSD de 128 Go avec 0 % de surprovisionnement supplémentaire fournirait 128 000 000 000 octets à l'utilisateur (sur un total de 137 438 953 472). Ces 7,37 % initiaux ne sont généralement pas comptabilisés dans le nombre total de surprovisionnement, et la quantité réelle disponible est généralement inférieure, car un certain espace de stockage est nécessaire au contrôleur pour suivre les données non liées au système d'exploitation, telles que les indicateurs d'état des blocs. Le chiffre de 7,37 % peut s'étendre à 9,95 % dans la gamme des téraoctets, car les fabricants profitent d'un niveau supplémentaire de divergence des unités binaires/décimales pour proposer des disques de 1 ou 2 To d'une capacité de 1 000 et 2 000 Go (931 et 1 862 Gio), respectivement, au lieu de 1 024 et 2 048 Go (car 1 To = 1 000 000 000 000 octets en termes décimaux, mais 1 099 511 627 776 en binaire).
2. Décision du fabricant. Cela se fait généralement à 0 %, 7 %, 14 % ou 28 %, en fonction de la différence entre le gigaoctet décimal de la capacité physique et le gigaoctet décimal de l'espace disponible pour l'utilisateur. À titre d'exemple, un fabricant peut publier une spécification pour son SSD à 100, 120 ou 128 Go sur la base de 128 Go de capacité possible. Cette différence est respectivement de 28 %, 14 %, 7 % et 0 % et constitue la base pour laquelle le fabricant affirme avoir 28 % de surprovisionnement sur son disque. Cela ne prend pas en compte les 7,37 % supplémentaires de capacité disponibles grâce à la différence entre le gigaoctet décimal et le gigaoctet binaire. Les produits flash milieu et haut de gamme ont généralement un pourcentage de surprovisionnement plus élevé. L'adaptation du pourcentage de surprovisionnement plus élevé augmentera le coût du produit flash.
3. Espace utilisateur libre connu sur le disque, gagnant en endurance et en performances au détriment de la déclaration des portions inutilisées, ou au détriment de la capacité actuelle ou future. Cet espace libre peut être identifié par le système d'exploitation à l'aide de la commande TRIM. Alternativement, certains SSD fournissent un utilitaire qui permet à l'utilisateur final de sélectionner un surprovisionnement supplémentaire. De plus, si un SSD est configuré avec une disposition de partitionnement globale inférieure à 100 % de l'espace disponible, cet espace non partitionné sera également automatiquement utilisé par le SSD comme surprovisionnement. Une autre source de surprovisionnement est la limite d'espace libre minimum du système d'exploitation ; certains systèmes d'exploitation maintiennent un certain espace libre minimum par lecteur, en particulier sur le lecteur de démarrage ou principal. Si cet espace supplémentaire peut être identifié par le SSD, peut-être grâce à l'utilisation continue de la commande TRIM, cela agit alors comme un surprovisionnement semi-permanent. Le surprovisionnement réduit souvent la capacité de l'utilisateur, de manière temporaire ou permanente, mais il restitue une amplification d'écriture réduite, une endurance accrue et des performances accrues.

Le contrôleur SSD utilisera les blocs libres sur le SSD pour la collecte des déchets et le nivellement de l'usure. La partie de la capacité utilisateur qui est libre de données utilisateur (soit déjà TRIMées, soit jamais écrites en premier lieu) ressemblera à un espace de surprovisionnement (jusqu'à ce que l'utilisateur enregistre de nouvelles données sur le SSD). Si l'utilisateur enregistre des données en consommant seulement la moitié de la capacité utilisateur totale du disque, l'autre moitié de la capacité utilisateur ressemblera à un surprovisionnement supplémentaire (tant que la commande TRIM est prise en charge dans le système).

La commande ATA Secure Erase est conçue pour supprimer toutes les données utilisateur d'un lecteur. Avec un SSD sans chiffrement intégré, cette commande ramènera le lecteur à son état d'origine. Cela restaurera initialement ses performances au niveau le plus élevé possible et la meilleure amplification d'écriture possible (le plus bas nombre), mais dès que le lecteur recommencera à collecter les déchets, les performances et l'amplification d'écriture commenceront à revenir aux niveaux antérieurs. De nombreux outils utilisent la commande ATA Secure Erase pour réinitialiser le lecteur et fournir également une interface utilisateur. Un outil gratuit qui est couramment référencé dans l'industrie s'appelle HDDerase . GParted et Ubuntu fournissent un système Linux bootable d'utilitaires de disque, y compris l'effacement sécurisé.

Les lecteurs qui chiffrent toutes les écritures à la volée peuvent implémenter l'ATA Secure Erase d'une autre manière. Ils se contentent de mettre à zéro et de générer une nouvelle clé de chiffrement aléatoire à chaque fois qu'un effacement sécurisé est effectué. De cette façon, les anciennes données ne peuvent plus être lues, car elles ne peuvent pas être déchiffrées. Certains lecteurs avec un chiffrement intégré effaceront également physiquement tous les blocs après cela, tandis que d'autres lecteurs peuvent nécessiter l'envoi d'une commande TRIM au lecteur pour le remettre dans son état d'origine (sinon leurs performances risquent de ne pas être maximisées).

Si un bloc particulier était programmé et effacé à plusieurs reprises sans écrire sur aucun autre bloc, ce bloc s'userait avant tous les autres blocs, mettant ainsi fin prématurément à la durée de vie du SSD. Pour cette raison, les contrôleurs SSD utilisent une technique appelée nivellement de l'usure pour répartir les écritures aussi uniformément que possible sur tous les blocs flash du SSD.

Dans un scénario parfait, cela permettrait d'écrire chaque bloc jusqu'à sa durée de vie maximale afin qu'ils échouent tous en même temps. Malheureusement, le processus de répartition uniforme des écritures nécessite que les données précédemment écrites et non modifiées (données froides) soient déplacées, afin que les données qui changent plus fréquemment (données chaudes) puissent être écrites dans ces blocs. Chaque fois que les données sont déplacées sans être modifiées par le système hôte, cela augmente l'amplification d'écriture et réduit ainsi la durée de vie de la mémoire flash. La clé est de trouver un algorithme optimal qui maximise les deux.

La séparation des données statiques (froides) et dynamiques (chaudes) pour réduire l'amplification d'écriture n'est pas un processus simple pour le contrôleur SSD. Le processus nécessite que le contrôleur SSD sépare les LBA avec des données qui changent constamment et nécessitent une réécriture (données dynamiques) des LBA avec des données qui changent rarement et ne nécessitent aucune réécriture (données statiques). Si les données sont mélangées dans les mêmes blocs, comme dans presque tous les systèmes actuels, toute réécriture nécessitera que le contrôleur SSD réécrive à la fois les données dynamiques (qui ont provoqué la réécriture initialement) et les données statiques (qui n'ont pas nécessité de réécriture). Toute récupération de données qui n'aurait pas nécessité de déplacement augmentera l'amplification d'écriture. Par conséquent, la séparation des données permettra aux données statiques de rester au repos et si elles ne sont jamais réécrites, elles auront l'amplification d'écriture la plus faible possible pour ces données. L'inconvénient de ce processus est que d'une manière ou d'une autre, le contrôleur SSD doit toujours trouver un moyen de mettre à niveau les données statiques, car les blocs qui ne changent jamais n'auront pas la chance d'être écrits à leur cycle P/E maximal.

Lorsqu'un SSD écrit de grandes quantités de données de manière séquentielle, l'amplification d'écriture est égale à un, ce qui signifie qu'il y a moins d'amplification d'écriture. La raison est que, lorsque les données sont écrites, l'ensemble du bloc (flash) est rempli séquentiellement avec des données liées au même fichier. Si le système d'exploitation détermine que le fichier doit être remplacé ou supprimé, l'ensemble du bloc peut être marqué comme non valide et il n'est pas nécessaire d'en lire des parties pour le récupérer et le réécrire dans un autre bloc. Il suffira de l'effacer, ce qui est beaucoup plus facile et plus rapide que le processus de lecture-effacement-modification-écriture nécessaire pour les données écrites de manière aléatoire qui passent par le ramasse-miettes.

Les performances d'écriture aléatoire maximales sur un SSD sont déterminées par le nombre élevé de blocs libres après que le SSD a été entièrement récupéré, effacé de manière sécurisée, 100 % TRIMé ou nouvellement installé. La vitesse maximale dépendra du nombre de canaux flash parallèles connectés au contrôleur SSD, de l'efficacité du micrologiciel et de la vitesse d'écriture de la mémoire flash sur une page. Au cours de cette phase, l'amplification d'écriture sera la meilleure possible pour les écritures aléatoires et se rapprochera de 1. Une fois que tous les blocs sont écrits une fois, la récupération de place commencera et les performances seront limitées par la vitesse et l'efficacité de ce processus. L'amplification d'écriture dans cette phase augmentera jusqu'aux niveaux les plus élevés que le lecteur connaîtra.

Les performances globales d'un SSD dépendent d'un certain nombre de facteurs, notamment de l'amplification d'écriture. L'écriture sur un périphérique de mémoire flash prend plus de temps que la lecture. Un SSD utilise généralement plusieurs composants de mémoire flash connectés en parallèle comme canaux pour augmenter les performances. Si le SSD a une amplification d'écriture élevée, le contrôleur devra écrire autant de fois de plus dans la mémoire flash. Cela nécessite encore plus de temps pour écrire les données à partir de l'hôte. Un SSD avec une faible amplification d'écriture n'aura pas besoin d'écrire autant de données et pourra donc terminer l'écriture plus tôt qu'un lecteur avec une amplification d'écriture élevée.

En septembre 2008, Intel a annoncé le SSD SATA X25-M avec un WA rapporté aussi bas que 1,1. En avril 2009, SandForce a annoncé la famille de processeurs SSD SF-1000 avec un WA rapporté de 0,5 qui utilise la compression des données pour atteindre un WA inférieur à 1,0. Avant cette annonce, une amplification d'écriture de 1,0 était considérée comme la plus faible qui pouvait être atteinte avec un SSD.