Статьи

Оценка срока службы быстродействующих
флэш-дисков компании M-Systems

Nimrod Wiesz
Менеджер технической поддержки
www.m-sys.com

Введение

Существует несколько способов расчета срока службы твердотельных флэш-дисков, к которым относятся и быстродействующие флэш-диски семейства FFD компании M-Systems. Один из способов состоит в анализе факторов надежности отдельных компонентов, входящих в состав диска, и в расчете на основе этих данных среднего времени безотказной работы всего устройства в целом. Такие вычисления производятся для каждой модели диска и каждой конкретной его емкости и могут быть высланы по требованию заказчика. Другой способ состоит в оценке срока службы флэш диска на основании данных о ресурсе флэш-памяти, входящей в состав устройства.

Необходимость оценки срока службы

Многие клиенты опасаются использовать твердотельные диски в приложениях, требующих частой записи на диск, поскольку они слышали об ограниченном сроке службы флэш-памяти. Действительно флэш-память имеет определенные ограничения, однако срок службы запоминающего устройства флэш типа - один из самых неправильно истолковываемых параметров энергонезависимой памяти такого типа. Все типы флэш-памяти имеют ограниченный ресурс работы. Однако измеряется он не в годах. Вместо этого срок службы измеряется числом циклов стирания каждого блока запоминающего устройства. Поэтому необходимо найти способ связать число циклов стирания со сроком службы твердотельного диска, измеренным в годах.

Важно понять, что если запоминающее устройство не управляется должным образом, то этот параметр может значительно ограничивать продолжительность жизни твердотельного флэш-диска. Компания M-Systems гордится использованием наилучшей на данный момент запатентованной технологии, предназначенной для обеспечения надежности хранения данных и продления срока службы твердотельных флэш-дисков. Эта технология получила название TrueFFS®.

Обратите внимание: Компания M-Systems произвела и отправила заказчикам тысячи твердотельных дисков FFD в течение прошлых семи лет. С тех пор как первый диск семейства FFD был представлен на рынке в 1997 году и до настоящего момента ни один из дисков не был возвращен по причине выработки ресурса запоминающего устройства.

Технология M-Systems

Существуют несколько способов обслуживания флэш-памяти и использования ее для эмуляции жесткого диска. Самый простой алгоритм отображает каждый логический сектор твердотельного диска в определенное физическое местоположение в запоминающем устройстве. Несложно показать, что такой алгоритм быстро приводит к выработке ресурса работы запоминающего устройства, если приложение снова и снова модифицирует одни и те же сектора диска.

Обновление одних и тех же групп секторов встречается в жизни очень часто. Все файловые системы должны постоянно сохранять некоторые данные, которые описывают распределение файлов по секторам. Эти данные расположены в определенной области дисковода. Например, файловая система FAT модифицирует таблицу размещения файлов каждый раз, когда файл увеличивается или уменьшается. Сама же таблица размещения файлов постоянно находится в определенных последовательных секторах, расположенных в начале носителя.

Поэтому простой алгоритм управления флэш-памятью может привести к катастрофическим отказам после всего несколько сотен тысяч файловых операций. При этом продолжительность жизни устройства зависит от числа циклов стирания, гарантируемых производителем флэш-памяти и от периодичности, с которой модифицируется каждая определенная группа секторов.

В противоположность этому разработанная компанией M-Systems технология TrueFFS® включает несколько алгоритмов, гарантирующих что стираемые и записываемые блоки равномерно распределяются по всему массиву запоминающего устройства, независимо от того, какие логические сектора записываются. Эти алгоритмы осуществляют специальные функции, обычно называемые выравниванием износа (подробное описание алгоритмов не входит в рамки этой статьи). Все поставщики флэш-памяти рекомендуют использовать некоторые варианты выравнивания износа, чтобы гарантировать максимальный срок службы запоминающего устройства. Выравнивание износа также задерживает начало некоторых механизмов отказа флэш-памяти. Эти механизмы отказа могут сделать неработоспособными целые модули стирания. Когда используется выравнивание износа, то ограничение на предельное число циклов стирания флэш-памяти увеличивается по сравнению с минимальными значениями, указываемыми поставщиками запоминающего устройства.

Пример выравнивания износа

Чтобы показать, как работает механизм выравнивания износа, был протестирован образец быстродействующего флэш-диска специальной конструкции. В этом диске возможно зарегистрировать конкретные физические адреса, по которым осуществляется цикл стирания.

На Рис. 1 приведен график распределения числа циклов стирания по объему запоминающего устройства после того, как было осуществлено низкоуровневое форматирование диска и половина его объема была заполнена. На рисунке также видно, что при заполнении пустого диска стираемые блоки последовательно распределены по его объему.

Рис. 1 Распределение циклов стирания/записи по физическому объему диска после записи первой половины его объема

На Рис. 2 показано состояние диска после того, как тестовая программа записала данные во вторую половину диска.

Рис. 2 Распределение циклов стирания/записи по физическому объему диска после записи второй половины его объема

На Рис. 3 приведено состояние диска после многократного повторения записи во вторую половину диска.

Обратите внимание, что запись осуществлялась только во вторую половину диска!

Рис. 3 Распределение циклов стирания/записи по физическому объему диска после многократной записи второй половины его объема

Эти рисунки показывают, что алгоритм осуществляет следующие функции:

1. Равномерно распределяет число циклов стирания по всему объему запоминающего устройства.
2. Повторно использует области памяти, заполненные статическими данными, гарантируя что используется вся область запоминающего устройства.

Вычисление ожидаемого срока службы твердотельных дисков семейства FFD

Твердотельные диски семейства FFD используют разработанную компанией M-Systems технологию TrueFFS®. Поэтому в наихудшем случае срок службы FFD зависит от следующих параметров:

1. Объема диска - чем больше объем диска, тем больше флэш-памяти содержится в твердотельном диске.
2. Предельного числа циклов стирания - предельного значения числа циклов стирания, гарантируемого производителем флэш-памяти.
3. Накладных расходов TrueFFS® (0.995) - этот коэффициент представляет накладные расходы на осуществление алгоритма выравнивания износа.
4. Объема записываемых данных в единицу времени - скорости, с которой данные записываются в FFD.

Вычисление ожидаемого срока службы дисков при простом алгоритме управления

По сравнению с алгоритмом TrueFFS®, используемым в твердотельных дисках семейства FFD, большинство других твердотельных дисков используют совершенно иной метод управления флэш-памятью. В этих устройствах каждый логический сектор отображается на одни и те же физические блоки запоминающего устройства до тех пор, пока в этих блоках не достигается предельное значение числа циклов стирания. После достижения предельного значения числа циклов стирания в каком-либо из блоков запоминающего устройства такой блок заменяется в таблице отображения на другой неиспользованный, расположенный в специальном пуле запасных блоков.

Устройства, которые используют этот тип алгоритма управления флэш-памятью, требуют использования другого уравнения для вычисления ожидаемого срока службы диска. Для таких дисков существует сильная зависимость между фактически записываемыми секторами и продолжительностью жизни устройства. Уравнение, используемое для оценки срока службы, должно принимать во внимание, где данные расположены и размер пула замены. Приведенное выше уравнение, справедливое для FFD не годится для таких устройств. Вместо этого мы должны использовать уравнение, которое принимает во внимание наихудший случай, то есть многократную запись той же самой группы секторов. Этот сценарий - фактически самый обычный сценарий для дисков, используемых с большинством типов файловых систем.

Примеры

1. Предположим, что Вы используете твердотельный диск семейства FFD объемом 512 МБ с запоминающим устройством производства Toshiba, для которого гарантируется не менее 250 000 циклов стирания/записи. Также предположим, что записывается объем данных, достаточный чтобы заполнить весь диск один раз в день. Эти данные могут быть многократно записаны в одни и те же группы секторов, или могут быть распределены по всему объему запоминающего устройства. Конкретное местоположение не имеет значения. Имеет значение только общий объем данных записываемых в твердотельный диск. Подстановка этих значений в уравнение даст:

2. Предположим, что Вы используете твердотельный диск объемом 512 МБ, работающий под управлением простого алгоритма. Также предположим, что объем запасного пула составляет 1% емкости диска. Диск используется в приложении, которое модифицирует файл каждую секунду. Обновление состоит из записи 40 килобайт данных. Ресурс работы запоминающего устройства определен в 250 000 циклов стирания/записи.

Объем запасного пула = 512 MБ*0.01.
Объем данных, записываемых в единицу времени = 40 кБ/с = 3375 MБ/день

В этом случае срок службы будет:

Срок службы = 453 дня или чуть более одного года!

При использовании в этом же случае твердотельного диска семейства FFD, использующего алгоритм управления TrueFFS® срок службы составит:

То есть при тех же самых условиях срок службы твердотельного диска семейства FFD составит 37 736 дней или 103 года!

Заключение

Срок службы FFD практически не ограничен предельным числом циклов стирания флэш-памяти и не зависит от конкретных записываемых данных. Скорее всего, в твердотельном диске семейства FFD вам вообще никогда не удастся достичь предельного значения числа циклов стирания флэш-памяти.