Data Care Management für industrielle Anwendungen

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Mehr Effizienz für industriellen Flash-Speicher

Es wurden die Alterungserscheinungen erklärt und wie man gegen das „Verblassen“ der Daten vorgeht. Es wurde bereits klar, dass hierzu eine Reihe interner Vorgänge nötig sind und es sind bei Weitem nicht alle. Garbage Collection, das Konsolidieren verstreuter Daten, um ganze Blöcke freizustellen, oder das Wear Leaveling, die Lastverteilung zur gleichmäßigen Abnutzung der Zellen. Das sind nur zwei weitere Beispiele für Prozesse, die Lese-, Lösch- und Schreibaktivitäten verursachen.

Eine weitere interessante Herausforderung für Hersteller, die besonders langlebige Flash-Speichermedien anbieten wollen: WAF (Write Amplification Factor) oder deutsch Schreibverstärkung. Er gibt das Verhältnis zwischen den vom Host kommenden Anwenderdaten und der tatsächlich in den Flash geschriebenen Menge an Daten wieder. Er ist ein Maß für die Effizienz der Arbeit eines Flash-Controllers. Die Schreibverstärkung zu reduzieren, ist einer der Schlüssel für längere Lebensdauer. Der Unterschied zwischen sequenziellen und zufälligen Zugriffen oder die Größe der Dateiblöcke im Verhältnis zu Seiten und Blockgrößen sind Faktoren, die den WAF beeinflussen.

Die Funktionsweise von Flash-Speichern ist der Grund für diese Zusammenhänge: Seiten innerhalb eines Blocks müssen nacheinander beschrieben und Blöcke als Ganzes gelöscht werden. Das Mapping zwischen logischer und physischer Adresse bezieht sich im Standardverfahren auf Blöcke. Sehr effizient ist dies bei sequenziellen Daten, weil dann die Seiten eines Blocks hintereinander weg geschrieben werden. Anwendungsbeispiel: kontinuierlich gesammelte Videodaten. Bei Random-Daten werden hingegen Seiten in vielen verschiedenen Blöcken geschrieben, bei jedem internen Umschreiben muss pro Page unter Umständen ein ganzer Block gelöscht werden. Die Folge: hoher WAF, sinkende Lebensdauer.

Für nicht sequenzielle Daten ist daher Page-based Mapping besser geeignet, das heißt, die Firmware sorgt dafür, dass Daten verschiedenen Ursprungs sequenziell in Seiten eines Blocks abgelegt werden können. Die Zahl der Löschungen sinkt – positiv für die Lebensdauer – und die Schreibleistung steigt. Nachteil dieser Methode ist die größere FTL-Zuordnungstabelle (Flash Translation Layer), doch dies kann mit einem integrierten DRAM ausgeglichen werden.

Effizienz erhöhen

Vielen nicht bewusst: Auch der Nutzungsgrad des Datenträgers treibt die Schreibverstärkung in die Höhe. Warum? Je mehr Daten auf einem Flash-Medium gespeichert sind, desto häufiger muss die Firmware Bits „umschaufeln“. Auch hier ist Page-based Mapping klar im Vorteil.

Einige Hersteller nutzen hier auch eine weitere Stellschraube: Over Provisioning. Dabei geht es um einen Bereich des Flashs, der nur für die internen Aktivitäten reserviert ist. Üblicherweise sind das 7 % – der Unterschied bei Gigabyte-Angaben zwischen dem binären und dem dezimalen Wert. Werden statt 7 %, 12 % des Datenträgers als Over Provisioning reserviert, hat das einen erstaunlichen Effekt: Bei ansonsten gleicher SSD hat ein Modell mit 12 % Overprovisioning eine 80 % höhere Endurance.

In Kombination mit einem DRAM ist der Unterschied dann noch deutlicher: Bei einem Endurance-Vergleich zwischen zwei vom MLC-NAND-Chip her gleichen SSDs erreichte das Swissbit-Modell F-60 durabit mit 60 GB und integriertem DRAM einen 6,6-fach höheren Wert als das Modell F-50 mit 64 GB und ohne zusätzlichem DRAM. Bei den Versionen 240 GB/265 GB war der Wert sogar 10-mal höher. (Verglichen wurden die TBW (Terabyte Written) bei Anwendung der Enterprise Workload. Das bedeutet, die insgesamt über die Lebenszeit geschriebene Datenmenge in TB mit der anspruchsvollsten von der Standardisierungsorganisation JEDEC definierten Beanspruchung.)

Hochwertige Komponenten und gute Verarbeitung sollten selbstverständlich sein für einen industrietauglichen Flash-Speicher. Wenn es um die Lebensdauer und die zuverlässige Datenspeicherung geht, hängt sehr viel davon ab, was der Controller macht. Mit fortschrittlicher Firmware schafft es Swissbit, Memory Cards und SSDs deutlich langlebiger zu machen und den unvermeidlichen Alterungserscheinungen entgegenzuwirken. Danach sollten Entwickler und Hersteller fragen, wenn in der eigenen Applikation Haltbarkeit wichtig ist.

* Ulrich Brandt ist Marketingdirektor der swissbit AG.

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