may. 2019

Comprender el sobreaprovisionamiento de SSD (OP)

Porcentaje de sobredotación =

Capacidad física - Capacidad accesible por el usuario

Capacidad accesible por el usuario

Fórmula del porcentaje de sobredotación.

Aunque las unidades de estado sólido (SSD) son a menudo similares en sus dimensiones físicas (es decir, altura, anchura y longitud) y en su interfaz externa (SATA o SAS) a las unidades mecánicas de disco duro (HDD), el funcionamiento interno de bajo nivel y los componentes de las SSD difieren ampliamente del diseño de platinas magnéticas rotatorias de los HDD.

Después de construidas las unidades SSD, el fabricante puede, mediante la programación del firmware, reservar para sobredotación (OP) un porcentaje adicional de la capacidad total de las unidades. La sobredotación mejora el rendimiento y a menudo aumenta la resistencia de las unidades SSD. Eso mejora la duración de la vida útil, gracias a que el controlador SSD tiene disponible una mayor capacidad de almacenamiento en módulos Flash NAND lo que le permite aliviar el desgaste de los módulos a lo largo de su vida útil.

Capacidad física	Capacidad accesible por el usuario	% de sobredotación	Clase de aplicación
64GB	60GB	7%	Gran intensidad de lecturas
96GB	90GB	7%	Gran intensidad de lecturas
128GB	120GB	7%	Gran intensidad de lecturas
128GB	100GB	28%	Mayor intensidad de escrituras
256GB	240GB	7%	Gran intensidad de lecturas
256GB	200GB	28%	Mayor intensidad de escrituras
512GB	480GB	7%	Gran intensidad de lecturas
512GB	400GB	28%	Mayor intensidad de escrituras
1024GB	960GB	7%	Gran intensidad de lecturas
1024GB	800GB	28%	Mayor intensidad de escrituras
2048GB	1800GB	14%	Gran intensidad de lecturas
2048GB	1600GB	28%	Mayor intensidad de escrituras

Sobredotación basada en la capacidad y en la clase de aplicación

Las aplicaciones pueden ser del tipo de gran intensidad de lecturas, como las de las cargas usuales de la categoría cliente en la que la carga es generalmente de 20% escrituras y 80% lecturas. En las aplicaciones de categoría empresarial, la clase de aplicación de un dispositivo de almacenamiento para el caché de lecturas será de gran intensidad de lecturas; si en dichas aplicaciones se escriben más datos a un dispositivo de almacenamiento, entonces serán de mayor intensidad de escrituras.

La capacidad OP que establece el fabricante de las unidades SSD puede variar en magnitud, dependiendo de la clase de aplicación en la que se utilice la unidad y de la capacidad total de memoria Flash NAND.

Las unidades de mayor capacidad y de distintas clases de aplicación generalmente se configuran con una sobredotación proporcionalmente mayor, debido a los requisitos en cuanto a recursos a la hora de gestionar más memoria Flash NAND con el uso de las funciones de recolección de elementos no utilizados, de bloques de reserva y funciones mejoradas de protección de los datos.

Esta capacidad de OP no es accesible para el usuario, y es invisible para el sistema operativo del dispositivo host. Está reservada estrictamente para su uso por el controlador SSD.

Ventajas de la sobredotación (OP)

Cómo la OP mejora el rendimiento de las unidades SSD

Todas las obleas de los módulos Flash NAND están conformadas por múltiples bloques, que a su vez contienen una multiplicidad de páginas.

La escritura en las memorias Flash NAND se puede realizar a nivel de página, pero el borrado sólo se puede realizar a nivel de bloque.

Si se necesita modificar o borrar una única página previamente programada perteneciente a un bloque, se debe leer primero el contenido de todo el bloque (conformado por múltiples páginas) y almacenarlo temporalmente en memoria, para después borrar el bloque entero y poder programar los contenidos nuevos en la misma dirección de bloque.

La única situación en la que una página se puede escribir directamente en un bloque de memoria Flash NAND sin este tedioso ciclo de leer-modificar-escribir es cuando la página ya se encuentra en el estado de no programada (vacía).

Mantener vacíos y en reserva una gran cantidad de bloques mediante la sobredotación contribuye a mantener constante el rendimiento de las unidades SSD, especialmente en situaciones de escritura no-secuencial que presentan las cifras más altas del factor de amplificación de la escritura (WAF).{{Footnote.N52105}}

Cómo la OP mejora la resistencia de las unidades SSD

Para entender por qué las unidades SSD se configuran con sobredotación y cómo se beneficia de ello el controlador SSD, debemos hablar del funcionamiento habitual que tienen las SSD y las limitaciones de las memorias Flash NAND no volátiles.

Cada una de las celdas de las memorias Flash NAND tiene una expectativa finita de vida, que depende de su programación y de su resistencia a los ciclos de programación-borrado (P/E). El nivel de dicha resistencia influye en la capacidad de las celdas de almacenar cargas eléctricas de manera fiable, y podría por lo tanto amenazar la integridad de los datos. Los fabricantes de memorias Flash NAND caracterizan sus módulos en cuanto a la resistencia P/E durante el proceso de fabricación.

No obstante, al pasar de 2D a 3D la geometría de los módulos NAND mejorará la resistencia de las memorias NAND, aumentará la densidad de las obleas y disminuirán los costes de producción, lo que hará que las unidades SSD sean más accesibles.

En resumen, los tres factores principales que afectan la resistencia de las unidades SSD son:

La resistencia de programación-borrado y la complejidad (que depende de la geometría) de los ciclos de lectura-programación-borrado (la geometría en este caso incluye las tecnologías de manufactura de 2 y de 3 dimensiones).
Capacidad de las unidades SSD
Las capacidades y la eficiencia (recolección de elementos no utilizados, la amplificación de la escritura, la gestión de los bloques, la nivelación del desgaste y la tecnología de corrección de errores) del controlador SSD.

Preservación del rendimiento y de la resistencia mediante la sobredotación

A fin de evitar situaciones en las que las unidades SSD se llenen hasta su capacidad total con páginas no válidas, la función de recolección de elementos no utilizados del controlador SSD utiliza las capacidades de sobredotación (OP) como un espacio temporal de trabajo a efectos de gestionar fusiones pautadas de páginas válidas, y así recuperar bloques llenos de páginas no válidas (o borradas).

Toda página o bloque recuperado se suma entonces a la capacidad de sobredotación a fin de dar cabida a operaciones de escritura provenientes del controlador SSD. De esa forma se maximiza el rendimiento durante los períodos de carga pico, dado que el impacto sobre el rendimiento de los ciclos de lectura, borrado, modificación y escritura de todas las páginas válidas de vuelta a un bloque parcialmente lleno con páginas inválidas pudiera ser un proceso lento.

La función de recolección de elementos no utilizados funciona independientemente del sistema operativo, y se puede activar de manera automática durante los periodos de baja actividad y también periódicamente o mediante el correspondiente comando TRIM de gestión de conjuntos de datos (interfaz ATA).

Una cantidad siempre disponible de bloques vacíos mediante la sobredotación contribuye a mantener una nivelación eficaz del desgaste de los módulos Flash NAND, puesto que el controlador SSD redistribuye inteligentemente de manera equilibrada las operaciones de escritura en todas las celdas de la memoria Flash NAND, sin que se afecte el rendimiento general de la unidad SSD durante períodos de cargas pico.

Capacidad de la unidad ya formateada	Tamaño de la sobre dotación	Ancho de banda de lectura/escritura secuenciales	IOPS (4 k) de lectura/escritura no secuencial en condiciones estables	TBW (JEDEC empresarial {{Footnote.N52105}})	DWPD{{Footnote.N37134}}
480GB (DC500R)	7%	550/500MB/s	98,000/12,000 IOPS	438	0.5
480GB (DC500M)	32%	555/520MB/s	98,000/58,000 IOPS	1139	1.3
960GB (DC500R)	7%	555/520MB/s	98,000/20,000 IOPS	876	0.5
960GB (DC500M)	32%	555/520MB/s	98,000/70,000 IOPS	2278	1.3
1920GB (DC500R)	7%	555/520MB/s	98,000/24,000 IOPS	1752	0.5
1920GB (DC500M)	32%	555/520MB/s	98,000/75,000 IOPS	4555	1.3
3840GB (DC500R)	7%	555/520MB/s	98,000/28,000 IOPS	3504	0.5
3840GB (DC500M)	32%	555/520MB/s	98,000/75,000 IOPS	9110	1.3

Sobredotación basada en la capacidad y en la clase de aplicación

Para entender los efectos de la OP, examinaremos como ejemplo una unidad SSD de Kingston de categoría empresarial, la DC500R. Estas unidades están disponibles en capacidades de hasta 3,84 TB, y los usuarios pueden utilizar la herramienta SSD Manager de Kingston para ajustar la sobredotación. Al ajustar el nivel de la OP al 7% o más, podemos ver los efectos sobre el rendimiento y la resistencia.

Cuando comparamos las distintas capacidades en pareja, podemos ver lo siguiente:

Las unidades de mayor capacidad (menor OP) de cada una de las parejas pueden preservar las mismas velocidades de transferencia (ancho de banda), pero se reduce significativamente la cifra de IOPS de escritura no secuencial. Eso significa que un menor nivel de OP suministra un buen rendimiento en aplicaciones de gran intensidad de lecturas, pero su rendimiento en aplicaciones de gran intensidad de escrituras podría ser más lento en comparación con las unidades de niveles de OP del 32%.
Un menor porcentaje de sobredotación también significa que se reducirá el valor (Terabytes) de la TBW. Mientras más alto el nivel de OP mayor será la duración de las unidades SSD Una unidad DC500R de 960 GB puede dar cabida a hasta 876 TB de datos escritos, mientras que la de 800 GB alcanza una cifra de TBW de 860 TB. Las cifras de TBW suministradas por Kingston se derivan de las cargas JEDEC según la referencia{{Footnote.N52105}}.
Cuando las cifras de TBW se traducen a DWPD durante el período de garantía, podemos observar que las unidades con 32% de OP casi alcanzan el doble de la cantidad de escrituras por día. Es la razón por la que se recomienda una OP del 32% en aplicaciones de gran intensidad de lecturas.