Что такое slc cache ssd

Обновлено: 03.07.2024

Большинство современных накопителей для увеличения скорости записи обозначают часть накопителя как «кеш SLC». Это часть хранилища, работающая в режиме «один бит на ячейку», что обеспечивает более быстрое чтение и запись. Причина, по которой он не используется на всем диске, заключается в том, что он не позволяет хранить столько данных в одной и той же области (TLC составляет три бита на ячейку, поэтому плотность в 3 раза больше). По мере того, как пользователь выполняет постоянную запись файла на диск, этот кэш SLC будет заполняться на полной скорости. Если размер записи больше, чем кэш, и идет без перерыва, он может попасть на обычную территорию TLC (которая медленнее). Когда в работе возникает пауза, накопитель сжимает данные в кэше SLC и перемещает их в блоки TLC, освобождая место в кэше для записи в будущем. Некоторые диски динамически регулируют размер этого кэша SLC в зависимости от оставшегося свободного места, в то время как другие имеют фиксированную емкость.

Мы тестируем эту функцию в рамках нашего обзора, чтобы увидеть, как разные диски реагируют на продолжительную запись на диск без паузы.

Тестирование наших дисков

Этот тест начинается с только что стертого диска и заполняет его последовательной записью 128 КБ с глубиной очереди 32, записывая скорость записи для каждого сегмента 1 ГБ. Этот тест не является репрезентативным для какого-либо обычного шаблона использования клиент/потребитель, но он позволяет нам наблюдать переходы в поведении накопителя по мере его заполнения. Это может позволить нам оценить размер любого кеша записи SLC и получить представление о том, сколько производительности остается в тех редких случаях, когда в реальных условиях запись данных продолжается после заполнения кеша.

Процесс заполнения диска SM2262EN последовательной записью можно разделить на три отдельных этапа. Во-первых, это запись в кэш SLC со скоростью около 3 ГБ/с. Диски SM2262EN имеют самые большие кэши записи, которые мы видели в дисках TLC: там, где скорость HP EX920 емкостью 1 ТБ впервые падает примерно после 136 ГБ, SX8200 Pro емкостью 1 ТБ длится около 150 ГБ, а HP EX950 емкостью 1 ТБ идет немного дальше с его первым значительное падение скорости происходит после 156 ГБ. На данный момент почти половина ячеек NAND диска обрабатывается как SLC.

После того, как он заполняется, мы видим среднюю фазу, когда записи в основном обходят кэш SLC и направляются прямо в TLC со скоростью около 1 ГБ/с для моделей емкостью 1 ТБ и 1,5 ГБ/с для моделей емкостью 2 ТБ. На этом промежуточном этапе выполняется некоторая фоновая работа по очистке кэша SLC, что иногда мешает записи новых данных, но также означает частые мгновенные всплески скорости записи SLC.

Заключительный этап наступает, когда часть TLC диска заполняется, и диск должен начать сжимать кэш SLC. Каждый новый фрагмент данных, отправляемый хостом, требует, чтобы контроллер освободил некоторое пространство, сворачивая данные в кэше SLC в блоки TLC, и эти конкурирующие процессы наносят значительный удар по производительности теперь, когда сворачивание нельзя рассматривать как низкоприоритетное. Однако по мере того, как диск заполняется на 100 %, объем кэш-памяти SLC уменьшается, а производительность возвращается к тому уровню, который мы наблюдали на среднем этапе.


Средняя пропускная способность для последних 16 ГБ	Общая средняя пропускная способность

Диски SM2262EN улучшают скорость записи после SLC по сравнению со своими предшественниками, но все же сильно отстают от большинства других высокопроизводительных дисков TLC. Производительность остается выше скорости SATA на протяжении всего процесса заполнения диска, но у Samsung, Toshiba и Western Digital есть диски TLC, которые могут поддерживать скорость 1,5 ГБ/с. Средняя скорость EX950 емкостью 2 ТБ примерно равна средней скорости записи непосредственно на TLC, но ее общая средняя скорость составляет всего около 1,3 ГБ/с, а у моделей емкостью 1 ТБ в среднем менее 1 ГБ/с.

BAPCo SYSmark 2018

BAPCo's SYSmark 2018 – это эталонный тест, основанный на приложениях, который использует реальные приложения для воспроизведения моделей использования бизнес-пользователей с подсчетами производительности, креативности и скорости отклика.Баллы отражают общую производительность системы и откалиброваны по эталонной системе, которая рассчитана на 1000 баллов в каждом из сценариев. Оценка, скажем, 2000 означает, что тестируемая система в два раза быстрее эталонной системы.

Оценки SYSmark основаны на общем времени отклика приложения с точки зрения пользователя, включая не только задержку хранилища, но и время, затрачиваемое процессором. Это означает, что существует ограничение на то, насколько улучшение хранилища может повысить баллы, поскольку SSD используется только в течение небольшой части общей продолжительности теста. Это существенное отличие от наших тестов ATSB, в которых реплицируется только часть рабочей нагрузки, связанная с хранилищем, а время простоя диска сокращается до 25 мс.

В нашем тестировании SSD с помощью SYSmark используется другая тестовая система, чем в остальных наших тестах SSD. Эта машина предназначена для измерения общего энергопотребления системы, а не только мощности диска.

Улучшения хранения практически не влияют на производительность SYSmark на нашей четырехъядерной тестовой системе со встроенной графикой. Только тест на скорость отклика показывает более широкий разброс оценок, чем обычное различие между запусками, а разрыв между твердотельными накопителями SATA и твердотельными накопителями Intel Optane по-прежнему составляет всего 10 %, а высокопроизводительные диски TLC NVMe находятся посередине.

Энергопотребление

Показатели энергопотребления SYSmark измеряют общее энергопотребление системы, за исключением дисплея. Наша тестовая система SYSmark в режиме ожидания составляет около 26 Вт, а пиковая мощность превышает 60 Вт, измеренная у стены во время выполнения теста. Твердотельные накопители с интерфейсом SATA редко превышают 5 Вт, а в режиме ожидания они составляют доли ватта, и большую часть теста они проводят в режиме ожидания. Это означает, что показатели энергопотребления неизбежно будут очень близкими. Типичная система ноутбука, как правило, лучше оптимизирована с точки зрения энергоэффективности, чем эта настольная система, поэтому на долю твердотельного накопителя будет приходиться гораздо большая доля от общего числа, а разница в баллах между твердотельными накопителями будет более заметной.

Показатели энергопотребления показывают более значимые различия между дисками, чем показатели производительности, хотя этого недостаточно, чтобы иметь значение для использования на настольных компьютерах. Диски NVMe по-прежнему потребляют больше энергии, чем приличные диски SATA, но диски SM2262EN немного сокращают разрыв.

Прочитав обзоры твердотельных накопителей, я часто нахожу диаграммы, показывающие падение производительности при постоянной нагрузке записи. Они всегда упоминают, что это влияет только при постоянной нагрузке на запись, однако это никогда не объясняется более подробно.

Как диск с SLC-кэшем 30 ГБ повлияет на среднего потребителя?

Например, если у меня есть папка с 50 ГБ фотографий, могу ли я разделить папку на две папки по 25 ГБ и записать их на ssd, чтобы обойти ограничение кэша SLC?

Когда кэш SLC снова станет доступным?

Допустим, у вас есть диск NVMe со скоростью SLC-кэширования 3 ГБ/с и TLC 500 МБ/с.

Вы пишете файл размером 6 ГБ. SSD требуется 2 секунды, чтобы записать их в кэш SLC, затем, когда это будет сделано, и вы больше ничего не делаете на своем ПК, SSD требуется это время простоя, чтобы перезаписать эти данные в TLC за 12 секунд.

Если вы записываете больше данных, чем может хранить кэш SLC, контроллер SSD заполняет SLC, а затем просто переключается на TLC. Таким образом, нет необходимости вручную разбивать файлы. Таким образом, если кэш составляет 25 ГБ, а вы пишете 50, потребуется 8 с + 50 с = 58 с.

Это в основном правильно. Но важно подчеркнуть, что все это очень сильно зависит от времени простоя. Если вы попытаетесь записать 50 ГБ со скоростью 3+ ГБ/с без остановки, вы переполните кеш SLC. Но если 50 ГБ записываются несколькими фрагментами с небольшим временем простоя между ними, то вы можете не переполнять кеш в любой момент процесса. И если вы копируете 50 ГБ за один раз, но с более медленного диска, который предлагает вам только 1–2 ГБ / с, то вы можете или не можете переполнить кеш: запись на скорости ниже максимальной означает, что на диске есть запас. для перемещения данных из SLC в TLC во время записи новых данных в SLC. Таким образом, при такой скорости номинально 30 ГБ кэш-памяти вполне хватит на более чем 50 ГБ непрерывной записи.

Трудно точно измерить, сколько времени требуется диску, чтобы завершить очистку кэша SLC после прекращения записи. И многие диски QLC даже не пытаются сбросить кеш, пока им действительно не хватит места. Некоторые диски будут ждать несколько секунд простоя, прежде чем начнут очищать кеш, в то время как другие очищают кеш как можно скорее. Это легко наблюдать с помощью моего специализированного оборудования для измерения мощности твердотельных накопителей, но практически невозможно с помощью обычного оборудования для ПК.

Можно с уверенностью предположить, что скорость, с которой SSD очищает кэш SLC во время простоя, по крайней мере равна скорости записи после кэширования, и часто она будет в несколько раз выше, поскольку между очистка кеша и обработка новых записей.

В дополнение к тому, что говорили другие, существует два типа кеша — статический и динамический.

Статический кеш — это фиксированный объем SLC. Статический кэш объемом 10 ГБ даст вам 10 ГБ скорости записи SLC. Как только этот кеш исчерпан, оставшиеся данные записываются непосредственно в TLC или QLC NAND. Независимо от того, сколько вы пишете, производительность будет одинаковой — 10 ГБ при скорости SLC, а затем упадет до скоростей TLC или QLC для остальных. Когда входящие операции записи прекращаются, накопитель начинает запись кэша SLC в TLC/QLC в фоновом режиме, чтобы освободить кэш.

Динамический кэш переназначает пустое пространство TLC/QLC в качестве кэша SLC. Таким образом, диск QLC емкостью 1 ТБ теоретически может работать как кэш-память SLC объемом 250 ГБ. Преимущество этого заключается в том, что он позволяет использовать гораздо большие кэши SLC на в основном пустых дисках, что позволяет выполнять гораздо более высокоскоростную запись, прежде чем снижаться до скорости, напрямую связанной с TLC/QLC. Однако по мере заполнения диска свободное пространство, доступное для использования в качестве кеша, уменьшается.

При использовании динамического кеша также существует риск выделения слишком большого пространства для кеша SLC (который имеет только 1/3 или 1/4 емкости по сравнению с использованием тех же ячеек в режиме TLC или QLC), заполняя все cache, а также заполнив все оставшееся пространство TLC/QLC. Если это произойдет, накопитель должен начать перезапись данных SLC в TLC/QLC, одновременно пытаясь записать входящие данные. Если вы когда-либо видели тест диска QLC, в котором из-за большой рабочей нагрузки он падает ниже скорости жесткого диска, скорее всего, это происходит. Честно говоря, это то, о чем большинству пользователей никогда не приходится беспокоиться, но если это происходит, производительность падает до минимума.

Кэш SLC повышает производительность чтения/записи твердотельных накопителей ATP 3D TLC

Спрос на дополнительное хранилище данных сохранится, поскольку мир все больше зависит от данных. Благодаря архитектуре 3D NAND носители данных преодолевают технологические ограничения 2D (планарной) NAND, обеспечивая более высокую плотность хранения без увеличения занимаемой площади, что приводит к снижению стоимости в расчете на бит. Кроме того, за счет упрощенной литографии NAND, уменьшающей помехи между ячейками, накопители на основе архитектуры 3D NAND обладают более высокой надежностью, лучшей производительностью чтения/записи и более длительным сроком службы.

Эти важные технологические разработки привели к тому, что носители данных с трехуровневыми ячейками (TLC) на основе 3D NAND получили широкое распространение и признание даже в критически важных промышленных приложениях, требующих не только хранения высокой плотности, но и надежной производительности и длительного срока службы. жизнь.

Для дальнейшего повышения производительности 3D TLC в твердотельных накопителях (SSD) и модулях ATP используется одноуровневый кэш-память (SLC).

Что такое кэш SLC?

SLC относится к типу флэш-памяти NAND, в которой хранится только один бит данных на ячейку. Выполняет самую простую операцию среди других типов флэш-памяти; следовательно, он записывает данные на более высоких скоростях, потребляет меньше энергии и имеет более высокую надежность. Однако основным недостатком является более низкая плотность и более высокая стоимость гигабайта флэш-памяти.

Твердотельные накопители на основе 3D TLC, с другой стороны, стоят меньше в пересчете на ГБ и могут хранить больше данных, но могут страдать от низкой скорости чтения/записи, поскольку они хранят три бита данных на ячейку. Это замедление наиболее заметно на твердотельных накопителях без кэш-памяти DRAM.

ATP решает эту проблему, резервируя часть диска, которая действует как SLC. Эта часть называется «кэш SLC». Это не то же самое, что «SLC NAND», но ведет себя аналогично, сохраняя только один бит данных для повышения производительности чтения/записи SSD.

На следующем рисунке показано сравнение типов флэш-памяти NAND с указанием плюсов и минусов каждого из них:

Типы кэша SLC

Существует два типа кэша SLC: статический и динамический. Использует ли SSD статический или динамический кеш, зависит от алгоритма встроенного ПО.

Статический кэш. Как следует из названия, размер назначенной области фиксирован. Основное преимущество заключается в том, что для SLC-кэша выделяется гарантированная область. Это пространство отключается только тогда, когда остальная часть TLC полностью используется. Однако, поскольку для кэша SLC назначена только определенная область, такая область будет поддерживать более интенсивные операции чтения и записи, что приведет к увеличению числа циклов P/E, что, в свою очередь, может повлиять на срок службы диска.
Динамический кэш. Напротив, динамический кеш относится к области, которая не является фиксированной. Ключевым преимуществом является более равномерное выравнивание износа по всему приводу.Недостатком является то, что из-за гибкости размера размер кеша не гарантируется.

В следующей таблице представлены сводные данные о преимуществах и недостатках двух типов кэша SLC.

Одним из терминов, относящихся к производительности твердотельных накопителей NVMe, о котором вы чаще всего слышали в последние месяцы, является кэш SLC. Вот почему мы подготовили для вас эту статью, чтобы вы могли понять, как это работает и какие преимущества это дает для производительности наших высокопроизводительных твердотельных накопителей.

Хранение данных на основе технологии флэш-памяти NAND привело к изменению парадигмы в различных секторах вычислений: от карт памяти для портативных устройств до твердотельных накопителей NVMe на ПК. Именно в последнем случае одно из исторических узких мест в истории было устранено за счет отсутствия ограничений как по задержке доступа, так и по пропускной способности традиционных жестких дисков, однако не существует идеальной технологии, работающей на 100%, и всегда есть элементы, которые утяжеляют его, заставляя инженеров искать и внедрять решения.

Флэш-память NAND и ячейки памяти

Флэш-память NAND — это тип NVRAM или энергонезависимой RAM, это означает, что ее работа аналогична обычной RAM, но с той разницей, что ее данные не теряются, когда система перестает получать питание. Компромиссом за эту возможность является ограниченное количество операций записи в память за жизненный цикл. Хотя преимущества в виде производительности при доступе к хранилищу того стоят, не напрасно, каждая компьютерная система работает настолько быстро, насколько ее самая медленная часть, которой обычно является хранилище, покидает ее.

Каждый бит памяти в оперативной памяти хранится в так называемых ячейках памяти, а в первых флэш-памятях NAND, используемых для хранения SSD, использовался один бит на ячейку, что делало хранение очень дорогим. Решение? Каждая ячейка может содержать данные размером 2 бита (MLC), 3 бита (TLC) или до 4 битов (QLC). Добавленная проблема? Чем больше битов на ячейку, тем быстрее они деградируют и, следовательно, меньше срок службы. Имейте это в виду, потому что это основа для понимания кэша SLC.

Элементы TLC и QLC не просто изнашиваются со временем

После того, как вы дойдете до этого момента, у многих из вас в голове появится идея о том, что флэш-память NAND типа MLC, TLC и QLC имеет большую емкость, хотя и меньшую продолжительность, но пропускная способность всех них является то же самое и, следовательно, тип ячейки не влияет на производительность. Что ж, позвольте сообщить вам, что на этом плохие новости не заканчиваются, но скорость доступа также ухудшается.

Когда ЦП делает запрос на доступ к адресу памяти в NVMe SSD, его получает контроллер флэш-памяти, который будет искать данные в памяти, чтобы передать их через интерфейс PCI Express или SATA, в зависимости от того, какой из них ты используешь. устройство, но контроллер флэш-памяти получает доступ к микросхемам NVMe устройства напрямую для управления его данными, а не через интерфейсы, о которых мы упоминали.

Способ хранения данных во флэш-памяти NAND заключается в изменении напряжения, для памяти SLC требуется только 1 напряжение, для MLC требуется 3, а для TLC — 7, и если мы перейдем к QLC, дело обстоит так. идет до 15. Что ж, чем выше число, тем больше времени требуется для выполнения операции чтения и записи. И когда это начинает быть проблемой? Что ж, из памяти TLC и если вы посмотрите на количество единиц NVMe SSD в магазинах, вы увидите, что все они используют эти ячейки, по крайней мере, сегодня.

Решение: кэш SLC

Память TLC или QLC для хранения данных.
Память SLC гораздо меньшего размера, которая служит кэшем.

Срок службы клеток SLC гораздо больше, чем у TLC, и даже больше, чем у QLC, поэтому их разложение занимает гораздо больше времени.
Скорость доступа к ячейкам SLC намного выше.

Таким образом, решение заключается во временном сбросе данных в память SLC, которая функционирует как буферный кеш, чтобы затем механизм копирования данных изменял адреса памяти в TLC.

Производительность кэша SLC

Мы подошли к самой важной части, кэш SLC имеет фиксированный размер, и это означает, что, если мы используем его для отправки или получения небольших данных, его производительность будет сохранена, но если, например, мы хотим сделать последовательную копию данных в виде очень большого блока данных, как только SLC будет заполнен, производительность упадет.

Именно поэтому, хотя мы можем иметь в руках два NVMe SSD с одинаковым хранилищем, интерфейсом доступа и даже типами ячеек, то есть практически одинаковыми, они могут иметь совершенно разную производительность. Причина? Очевидно, кэш SLC, который может отличаться по размеру.

Кэш SLC используется для хранения данных не только с последовательным доступом, но и случайным, и необходимо учитывать, что программы при доступе к информации делают это с высокой рекурсией и в блоке информации с разделителями.

Типы кэша SLC

Существует два способа управления кэшем SLC, которые будут зависеть от алгоритма для этого, реализованного производителем в контроллере флэш-памяти. Скорее, это относится к тому, сколько места в нем может быть выделено для временного хранения.

В статическом кеше объем памяти фиксирован и не может изменяться по размеру.
В динамическом кэше выделенный размер является переменным.

Как возможен динамический кэш, если количество ячеек SLC фиксировано? Хитрость заключается в том, чтобы использовать ячейки TLC NVMe так, как если бы они были SLC, то есть заставлять их хранить по одному биту в каждой вместо 3. Поэтому есть некоторые чипы NVMe, которые перераспределяют часть хранилища в качестве кеша.

Преимущество динамического кэша заключается в том, что размер кэша SLC не исчерпывается, но существует риск того, что все больше и больше ячеек TLC перестанут использоваться для хранения, что повлияет на общую емкость этого кэша для хранения данных. По этой причине в большинстве систем динамического кэширования SLC используются системы, которые ограничивают максимальный размер этого с помощью встроенного ПО.

сообщить об этом объявлении

Читайте также: