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![ioDrive
• インタフェースにPCI
Express
を使用
• SSDのFTLと同等の機構をデバイスドライバで持つ
• ioDrive
専用ファイルシステムまで存在
– DFS[W
K.
Josephson
et
al.,
FAST’10]](https://image.slidesharecdn.com/20121114softlabstudypublic-121217003600-phpapp02/85/2012-11-14-softlab_study-SSD-25-320.jpg)
![メモリセルを自動修復するSSD
• Exploi=ng
Heat-‐Accelerated
Flash
Memory
Wear-‐Out
Recovery
to
Enable
Self-‐Healing
SSDs[Q
Wu
et
al.,
HotStorage’11]
• NANDフラッシュチップを熱して延命（？？）
– フラッシュチップを三次元構成
– 最下層に加熱層を設置
– データを別チップに退避し加熱して延命。その後データを
復帰
– すみません、あまり読込んでないです。誤解があるかも](https://image.slidesharecdn.com/20121114softlabstudypublic-121217003600-phpapp02/85/2012-11-14-softlab_study-SSD-27-320.jpg)
![自爆ボタンがあるSSD
• RunCore
InVincible
– 軍用の、物理的破壊ボタン搭載SSD
• hap://japanese.engadget.com/2012/05/16/ssd-‐runcore-‐
invincible/
– コントローラに大電流を流してメモリセルをブッ壊す
• NANDフラッシュメモリチップから煙が上がる模様
– SSDはFTLにより隠蔽された領域のデータが削除しきれな
い問題が有るが物理的にブッ壊せば無問題か
• Reliably
Erasing
Data
From
Flash-‐Based
Solid
State
Drives[M
Wei
et
al.,
FAST’11]](https://image.slidesharecdn.com/20121114softlabstudypublic-121217003600-phpapp02/85/2012-11-14-softlab_study-SSD-28-320.jpg)
![[B11] 基礎から知るSSD（いまさら聞けないSSDの基本） by Hironobu Asano](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/b11-140623022028-phpapp01-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![[D17]DBエンジニアのための最新HW講座 by Masaya Ishikawa](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/d17oracleishikawa-131122045254-phpapp02-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
2012/11/14 softlab_study 発表資料「SSDの基礎」
- 1. SSDの基礎 #so'lab_study 2012/11/14 @syu_cream
- 2. アジェンダ • SSDの基礎 – SSDの基本構成 – NANDフラッシュメモリの基礎 • MOSFETについて • NANDフラッシュメモリのセルについて • NANDフラッシュメモリの基本構成 – SSDのNANDコントローラについて • FTL(Flash TranslaEon Layer) • SSD絡みの最新動向 – PCIe SSD – 余談: 君の知らないSSD物語
- 3.
- 4. SSDとは？ • 一般的には… – フラッシュメモリを用いた高速なディスクデバイス • そう言うとUSBメモリとあまり違いが分からない • PCIe SSDはSSDじゃねぇんだよ • →NANDフラッシュメモリを用いた、「インタフェースが HDD互換」な、「ハード内部でバリバリ最適化してい る」ストレージ
- 5. SSDの利点・欠点 • 利点 – ランダムアクセスが高速 – 騒音が少ない – 対衝撃性が高い – 省電力 • だが、将来的に電力消費上がる可能性アリ • 欠点 – フラッシュメモリの書換可能回数(寿命)が存在 – 使い込まれるとランダムライト性能が低減する
- 6. SSDの基本構成 • インタフェース – SATA, mSATAコネクタ • DRAM – キャッシュに用いられる • コントローラ – SSDの心臓部とも言える肝心要の部位 – 高速化、寿命の長期化、高信頼性等、仕事多し • NANDフラッシュメモリ – 実際にデータが保持される部位 – セル辺りに保持するビット数が変動したり(後述)
- 7.
- 8. MOSFET (電界効果トランジスタ)の仕組み • ゲート電極に電圧を加えて動作させるトランジスタ – ゲートに電圧を加えるとチャネルが生成される – チャネル幅によりソース-‐>ドレイン間を流れる電流が変化 正電圧 ゲート ソース ドレイン チャネル n型半導体 n型半導体 電流が流れる p型半導体
- 9. MOSFETを用いた NANDフラッシュメモリセル • MOSFETのゲートを二種類に分割 – 制御ゲート • 従来と同じゲートの役割 – 浮遊ゲート • 絶縁膜に囲まれた導体 制御ゲート 絶縁膜 浮遊ゲート ソース ドレイン n型半導体 n型半導体 p型半導体
- 10. NANDフラッシュメモリでの読込み処理 • 制御ゲートに電圧を加えソース-‐ドレイン電流を読む – 浮遊ゲートに電子が有る場合… • チャネルは生成されず電流は流れない – 浮遊ゲートに電子が無い場合… • チャネルが生成され電流が流れる 正電圧 電子に阻害され 電圧通らず + + -‐ -‐ チャネル 電流が流れる GND
- 11. NANDフラッシュメモリでの書込み処理 • 制御ゲートに電子を注入することでデータ書込 – 制御ゲートに高電圧をかける – 電子が絶縁膜を越えて浮遊ゲートへ注入される • 絶縁膜があるので勝手に電子が出ていけない→揮発しない！ 高電圧 GND GND 高電圧により 電子注入 -‐ -‐ GND
- 12. NANDフラッシュメモリでの削除処理 • 書込みと逆方向に高電圧を掛ける – トンネル効果により浮遊ゲートの電子が放出 GND 正電圧 正電圧 -‐ -‐ トンネル効果で 電子放出 正電圧
- 13. SLCとMLC • セル毎に複数ビットの情報を持たせる事も可能 – 浮遊ゲートに注入する電子量をビット数分持つ • SLC(Single Level Cell) – セル辺り1ビットの情報を持つ – 容量拡大が難しく高価だが，高速かつ高寿命 • MLC(MulE Level Cell) – セル辺り2,3ビットの情報を持つ – 容量拡大が容易で安価．しかし低速で寿命は短い – 最近は単にMCLと言うと2ビット，TLC(Triple Level Cell) と言うと3ビットらしい
- 14. NANDフラッシュメモリセルの寿命 • セルに書込み/削除を繰り返すと絶縁膜が摩耗する – 書込み/削除のため、何度も高電圧を掛ける必要がある – 絶縁破壊が起き，絶縁膜が通電するようになってしまう 絶縁破壊により 電子を保持できなくなる！
- 15. NANDフラッシュメモリの構成 • メモリセルを直列接続して記憶領域を形成 • 動作原理上、二種類の管理単位が存在 – ページ • 読込み/書込みの単位 • 4kB~8kB 程度 – ブロック • 削除の単位 • 512kB 程度 – ここで言うページとブロックはあくまでSSD内部の 独立した管理単位です。
- 16. フラッシュメモリの構造に起因した ランダムライト性能低下問題 • データ書き込みの前に既存データの削除が必要 • 削除処理対象領域が書き込み処理対象領域と比較して大きい – 削除に巻き込まれるページは，一旦バッファに退避しなければならない – 記録済ページが多いほど，つまり使い込まれているほどこの処理は頻発！ SSDの記憶領域 未使用ページへの 書込みは細かい粒 度で実行可能 記録済ページへの書込み は粗い粒度(ブロックの赤 枠)で実行されコスト大！ 未使用ページ 記録済ページ ブロック
- 17.
- 18. SSDのNANDコントローラ • SSDの肝心要となる制御機構 – HDD互換なインタフェース提供 – NANDフラッシュメモリ制御 – FTL(Flash TranslaEon Layer)の提供
- 19. FTL(Flash TranslaEon Layer) • 基本的にHDD互換インタフェース提供の為のレイヤ – しかし実際は…名前以上の仕事をしている！ • FTLの持つ仕事 – 論理アドレスから物理アドレスへの変換 – 不良ブロックの管理 – 誤り訂正 – ウェアレベリング – deduplicaEon ←！？ – compression ←！！？
- 20. ウェアレベリング • セル当りの書換回数を平滑化 – ブロックに対する書換回数をモニタリング – 書換回数が少ないブロックに書かれるよう変換 – データが静的かどうかを判別して平滑化 • 拡張領域を使ったセル書換頻度低減 – 昨今のSSDは拡張領域を持つ事も • エンタープライズ向けとかだと有り得る – 拡張領域にページ単位で書込み→通常の領域にブロック 単位で一気に書換え処理を行うなど
- 21. 色々なウェアレベリング • その他、我々の理解を越えた泥臭い延命作 業をしている可能性も。。。
- 22. The OpenSSD Project • オープンソースのSSDファームウェア – Programmable FTL が実現出来る！ • オレオレウェアレベリングを詰んだSSDとか実現可能に • hap://www.openssd-‐project.org/wiki/ The_OpenSSD_Project • 余力があればそのうちコード読んで紹介します
- 23.
- 24. ( ^o^) SSD，良きに計らってくれてすごい！ ( ˘⊖˘) 。o(待てよ？流石にハードウェアレベルで色々 やり過ぎでは？) (;˘⊖˘) 。o(更に待てよ？そもそもインタフェースの互換 の為に性能縛られているのでは？) |Fusion-‐io|┗(☋｀ )┓三 ( ◠‿◠ )☛そこに気づいたか・・・ioDrive を使ってもらう ▂▅▇█▓▒░(’ω’)░▒▓█▇▅▂うわああああああ
- 25. ioDrive • インタフェースにPCI Express を使用 • SSDのFTLと同等の機構をデバイスドライバで持つ • ioDrive 専用ファイルシステムまで存在 – DFS[W K. Josephson et al., FAST’10]
- 26.
- 27. メモリセルを自動修復するSSD • Exploi=ng Heat-‐Accelerated Flash Memory Wear-‐Out Recovery to Enable Self-‐Healing SSDs[Q Wu et al., HotStorage’11] • NANDフラッシュチップを熱して延命（？？） – フラッシュチップを三次元構成 – 最下層に加熱層を設置 – データを別チップに退避し加熱して延命。その後データを 復帰 – すみません、あまり読込んでないです。誤解があるかも
- 28. 自爆ボタンがあるSSD • RunCore InVincible – 軍用の、物理的破壊ボタン搭載SSD • hap://japanese.engadget.com/2012/05/16/ssd-‐runcore-‐ invincible/ – コントローラに大電流を流してメモリセルをブッ壊す • NANDフラッシュメモリチップから煙が上がる模様 – SSDはFTLにより隠蔽された領域のデータが削除しきれな い問題が有るが物理的にブッ壊せば無問題か • Reliably Erasing Data From Flash-‐Based Solid State Drives[M Wei et al., FAST’11]