Выравнивание износа
Выравнивание износа (также называемое выравниванием износа ) — это метод [1] для продления срока службы некоторых видов стираемых компьютерных носителей информации, таких как флэш-память , которая используется в твердотельных накопителях (SSD) и USB-флешках , а также память с фазовым изменением фазы . Существует несколько механизмов выравнивания износа, которые обеспечивают различную степень увеличения срока службы таких систем памяти. [2] [3]
Термин «упреждающее выравнивание износа » (PWL) использовался компанией Western Digital для описания метода консервации, используемого на жестких дисках (HDD), предназначенных для хранения аудио- и видеоданных. [4] Однако в контексте этой статьи жесткие диски, как правило, не являются устройствами с повышенным уровнем износа.
Обоснование
[ редактировать ]EEPROM и флэш-память имеют индивидуально стираемые сегменты, каждый из которых может пройти ограниченное количество циклов стирания, прежде чем станет ненадежным. Обычно это около 3000/5000 циклов. [5] [6] но многие флэш-устройства имеют один блок со специально увеличенным сроком службы более 100 000 циклов, который может использоваться контроллером флэш-памяти для отслеживания износа и перемещения данных между сегментами. Стираемые оптические носители , такие как CD-RW и DVD-RW, рассчитаны на 1000 циклов (100 000 циклов для носителей DVD-RAM ).
Выравнивание износа пытается обойти эти ограничения, упорядочивая данные таким образом, чтобы стирание и перезапись распределялись равномерно по носителю. Таким образом, ни один блок стирания не выйдет из строя преждевременно из-за высокой концентрации циклов записи. [7] Во флэш-памяти один блок микросхемы рассчитан на более длительный срок службы, чем другие, поэтому контроллер памяти может хранить рабочие данные с меньшей вероятностью их повреждения. [3] [8]
Обычные файловые системы , такие как FAT , UFS , HFS / HFS+ , EXT и NTFS, изначально были разработаны для магнитных дисков и поэтому неоднократно перезаписывают многие из их структур данных (например, их каталоги) в одну и ту же область. Когда эти системы используются на носителях флэш-памяти, это становится проблемой. Проблема усугубляется тем, что некоторые файловые системы отслеживают время последнего доступа, что может привести к постоянной перезаписи метаданных файла на месте. [9]
Типы
[ редактировать ]В устройствах хранения флэш-памяти используются три основных типа механизмов выравнивания износа: [2]
Нет выравнивания износа
[ редактировать ]Система хранения данных с флэш-памятью без выравнивания износа не прослужит долго, если данные записываются на флэш-память. Без выравнивания износа базовый контроллер флэш-памяти должен постоянно назначать логические адреса операционной системы (ОС) физическим адресам флэш-памяти. Это означает, что каждую запись в ранее записанный блок необходимо сначала прочитать, стереть, изменить и перезаписать в то же место. Такой подход очень трудоемкий и часто написанные локации быстро изнашиваются, а другие локации вообще не будут использоваться. Как только срок службы нескольких блоков подходит к концу, такое устройство становится неработоспособным. [2]
Динамическое выравнивание износа
[ редактировать ]Первый тип выравнивания износа называется динамическим выравниванием износа и использует карту для связи адресов логических блоков (LBA) из ОС с физической флэш-памятью. Каждый раз, когда ОС записывает замещающие данные, карта обновляется, поэтому исходный физический блок помечается как недействительные данные, а новый блок привязывается к этой записи карты. Каждый раз, когда блок данных перезаписывается во флэш-память, он записывается в новое место. Однако блоки флэш-памяти, которые никогда не получают заменяемые данные, не будут подвергаться дополнительному износу, поэтому название происходит только от перерабатываемых динамических данных. Такое устройство может прослужить дольше, чем одно, без выравнивания износа, но некоторые блоки все еще остаются активными, даже если устройство больше не работает. [2] [3]
Статическое выравнивание износа
[ редактировать ]Другой тип выравнивания износа называется статическим выравниванием износа , при котором также используется карта для связи LBA с адресами физической памяти. Статическое выравнивание износа работает так же, как и динамическое выравнивание износа, за исключением того, что статические блоки, которые не изменяются, периодически перемещаются, чтобы эти малоиспользуемые ячейки могли использоваться другими данными. Этот эффект вращения позволяет SSD продолжать работать до тех пор, пока срок службы большинства блоков не подойдет к концу. [2] [3]
Глобальное выравнивание износа
[ редактировать ]Как динамическое, так и статическое выравнивание износа реализуется на локальном уровне. Это просто означает, что в многочиповом продукте каждый чип управляется как единый ресурс. Количество дефектных блоков в разных чипах флэш-памяти NAND различается: у одного чипа могут быть изношены все блоки данных, в то время как у другого чипа в том же устройстве все блоки могут оставаться активными. Глобальное выравнивание износа решает эту проблему, управляя всеми блоками всех микросхем флэш-памяти вместе — в одном пуле. Это гарантирует, что все ячейки всех чипов внутри изделия изнашиваются равномерно. [10] [11]
Сравнение
[ редактировать ]В следующей таблице сравниваются статические и динамические уровни износа: [3]
| Элемент | Статический | Динамический |
|---|---|---|
| Выносливость | Более продолжительная продолжительность жизни | Меньшая продолжительность жизни |
| Производительность | Помедленнее | Быстрее |
| Сложность конструкции | Более сложный | Менее сложный |
| Типичное использование | твердотельные накопители, [2] флэш-накопители промышленного класса [12] | Флешки потребительского уровня |
Техники
[ редактировать ]Существует несколько приемов продления жизни СМИ:
- Контрольная сумма или код , исправляющий ошибки, могут храниться для каждого блока или сектора, чтобы обнаруживать или исправлять ошибки.
- Также можно сохранить резервное пространство. Если блок или сектор выходит из строя, будущие операции чтения и записи в него могут быть перенаправлены на замену в этом пуле.
- Блоки или сектора на носителе можно отслеживать в наименее часто используемой очереди (LFU). Структуры данных для самой очереди должны храниться либо вне устройства, либо таким образом, чтобы используемое ею пространство само было выровнено по износу, либо, в случае флэш-памяти, в блоке со специально увеличенным сроком службы. Однако обычные алгоритмы кэширования предназначены для управления потоком данных в кэши на базе ОЗУ и из них , что делает их непригодными напрямую для флэш- накопителей, поскольку они имеют асимметричную природу – чтение обычно происходит намного быстрее, чем запись, а операции стирания одновременно может выполняться только один «блок». [13]
- Сбор мусора
На картах Secure Digital USB -накопителях и [12] Методы реализуются аппаратно с помощью встроенного микроконтроллера . На таких устройствах выравнивание износа прозрачно обычную файловую систему, такую как FAT , и на них можно использовать , как есть.
Выравнивание износа также может быть реализовано программно с помощью специальных файловых систем, таких как JFFS2 и YAFFS на флэш-носителях или UDF на оптических носителях. Все три представляют собой файловые системы с журнальной структурой , поскольку они рассматривают свои носители как циклические журналы и записывают в них последовательные проходы. Файловые системы, реализующие стратегии копирования при записи , такие как ZFS , также реализуют своего рода выравнивание износа.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Патент США 6 850 443 «Методы выравнивания износа систем флэш-памяти».
- ^ Jump up to: а б с д и ж Пердью, Кен (30 апреля 2010 г.). «Рекомендации по применению выравнивания износа» (PDF) . Расширение . Архивировано из оригинала (PDF) 7 июня 2011 г. Проверено 12 августа 2010 г.
- ^ Jump up to: а б с д и «Выравнивание износа и срок службы USB-флеш-памяти» (PDF) . Корсар . Июнь 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 13 октября 2007 г. Проверено 27 июля 2013 г.
- ^ «Информация о жестком диске Western Digital AV» . Вестерн Диджитал. Архивировано из оригинала 2 января 2010 г. Проверено 1 июня 2010 г.
- ^ «Итак, вы хотите купить SSD? Сначала прочитайте это» . Аппаратные Кэнакс . 10 января 2011 г.
- ^ «Твердотельные накопители переходят на 25-нм NAND — что нужно знать | StorageReview.com — Обзоры систем хранения данных» . www.storagereview.com . 12 февраля 2011 года. Архивировано из оригинала 5 декабря 2019 года . Проверено 5 декабря 2019 г.
- ^ «Алгоритмы и структуры данных для флэш-памяти», Э. Гал и С. Толедо, ACM Computing Surveys, 2005 г.
- ^ Арнд Бергманн (18 февраля 2011 г.). «Оптимизация Linux с помощью дешевых флешек» . LWN.net . Проверено 3 октября 2013 г.
- ^ Джонатан Корбет (8 августа 2007 г.). "Давным-давно" . LWN.net . Проверено 21 января 2014 г.
- ^ «Выравнивание износа» . Превзойти . Проверено 20 ноября 2019 г.
- ^ «Выравнивание износа – статическое, динамическое и глобальное» (PDF) . Кактус : 5 . Проверено 20 ноября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Промышленные карты памяти SD Swissbit» . Маузер Электроникс . Проверено 21 апреля 2017 г.
- ^ Цин Ян (25 февраля 2012 г.). «Почему стандартные алгоритмы кэширования не работают для SSD» . velobit.com . Проверено 26 ноября 2013 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Флеш-накопители – плохая технология или суперзвезда? , bitmicro.com, заархивировано из оригинала 2 февраля 2007 г.
