• Thứ Tư, 08/06/2011 14:31 (GMT+7)

    Công nghệ MSP cho SSD cấp doanh nghiệp

    Song Minh
    Nhờ MSP, ổ cứng SSD nền tảng flash NAND có bước "đột phá" mới, giúp ích rất nhiều cho doanh nghiệp cần không gian lưu trữ lớn, độ bền cao, giá thành rẻ.

    Ổ cứng thể rắn (Solid state drive - SSD) có lợi thế hơn nhiều so với ổ cứng truyền thống (hard disk drives -HDD). Nhưng việc áp dụng rộng rãi SSD trong các trung tâm dữ liệu chuyên nghiệp của doanh nghiệp (DN) bị trở ngại do liên quan tới độ bền của bộ nhớ flash NAND.

    Để hiểu hơn về các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền của ổ lưu trữ đa phương tiện (storage media) trong môi trường DN, bài viết sẽ cung cấp một số thông tin hữu ích về 2 cơ chế hoạt động ổ lưu trữ: đọc/ghi và độ bền. Độ bền của ổ lưu trữ có liên quan mật thiết đến số lần ghi thành công. Bộ đệm ghi (write cache) dữ liệu liên tục cho ổ lưu trữ đòi hỏi phải có độ bền cao nhất. Bộ đệm đọc (read cache) dù đòi hỏi ít hơn nhưng cũng cần có độ bền cao để cache các thuật toán quản lý như thiết lập và duy trì các vấn đề có liên quan đến cache dữ liệu.

    Hình 1: Những tác động của OP và GC trong ổ đĩa SSD. Ở trạng thái ban đầu của SSD, những đường sọc trắng đại diện cho khả năng người dùng có thể tiếp cận được và đường sọc màu xanh là OP, người dùng không thể tiếp cận.

    Độ bền flash và độ bền đĩa SSD

    Độ bền flash được tính bằng số lần mỗi cell flash được ghi/xóa (program/erase cycle hay P/E cycle) trước khi không thể dùng được nữa. Độ bền này được quy định bằng các chu kỳ ghi/xóa. Độ bền của ổ đĩa có thể được định nghĩa bằng số lần người dùng có thể ghi đầy dữ liệu lên ổ đĩa trước khi ổ đĩa không còn dùng được nữa. Độ bền có thể được hiểu là tổng khả năng của sản phẩm hay còn gọi là dòng đời sản phẩm.

    Để hiểu độ bền flash và độ bền đĩa, chúng ta cần xem lại một vài khái niệm cơ bản về cơ chế hoạt động của hệ thống SSD. Đầu tiên, bạn quan tâm đến việc mở rộng khả năng ghi (Write Amplification - WA). WA là tỷ số giữa dữ liệu được người dùng ghi và số lượng dữ liệu được ghi thực tế trên dải flash vật lý của ổ đĩa. Mục đính chính của WA là làm cho lượng dữ liệu ghi vào chiếm kích thước trang ở mức tối thiểu. WA có thể nén dữ liệu chặt hơn bằng cách ghi nhiều phần tử hơn, cũng như dùng các thuật toán "thu gom rác" (garbage collection - GC), giảm WA xuống phân nửa.

    Một dạng thiết kế khác cũng có tác động đến WA là vượt ngưỡng cung cấp (over-provisioning - OP). OP là sự chênh lệch giữa kích thước dải flash vật lý và kích thước của thiết bị đa phương tiện của người dùng.

    Trong flash NAND, một chương trình ghi là một trang (nhiều cell) và một chương trình xóa là một khối (nhiều trang). Như vậy, sau một thời gian hoạt động các khối (block) trong ổ đĩa sẽ bị phân mảnh (xem hình 1). GC sẽ chống phân mảnh trên các khối, di chuyển các trang xung quanh để tạo thành những khối được sử dụng trọn vẹn và giảm thiểu lãng phí dung lượng lưu trữ.

    OP lớn sẽ tăng thêm số mảnh dư thừa trên mỗi khối, các trang ít được sao chép (copy) thì năng suất WA sẽ thấp hơn (nhưng hiệu quả về độ bền sẽ cao hơn). Nhược điểm của OP lớn là cần nhiều đế bán dẫn (die) NAND vật lý hơn, dẫn đến chi phí cao hơn.

    Một phương pháp giảm WA khác là nén dữ liệu của người dùng. Nhược điểm của phương pháp này là phụ thuộc nhiều vào các kiểu dữ liệu, ví dụ đối với dữ liệu đã được nén rồi (ảnh, video v.v.) thì hệ số WA gần như không còn tác dụng.

    NAND cần độ bền bao nhiêu?

    Theo dự kiến, SSD cấp doanh nghiệp cần hỗ trợ 10 ổ đĩa ghi/ngày trong vòng 5 năm đối với kiểu dữ liệu không nén. chẳng hạn, với một WA điển hình là 2,7 và OP là 20% thì độ bền của một flash NAND sẽ là 10 × 365 ngày × 5 năm × 2,7 × 80% = 40.000 chu kỳ.

    NAND SLC và MLC

    Flash NAND SLC (Single-level cell) chứa một bit trên mỗi cell, còn flash NAND MLC (Multi-level cell) chứa 2 bit trên mỗi cell. Độ bền của flash SLC tại các điểm (node) xử lý mới nhất thường khoảng 50.000 chu kỳ ghi/xóa. Độ bền của flash MLC tại các điểm xử lý mới nhất thường khoảng 3.000 chu kỳ hay ít hơn. Hiện nay, flash MLC chiếm khoảng 90% trên tổng số flash bán ra thị trường, giá rẻ hơn so với flash SLC – là động lực thúc đẩy sử dụng flash MLC trong môi trường DN.

    NAND MLC cấpdoanh nghiệp

    Có 2 nhân tố chính giúp flash MLC đạt độ bền cấp DN:

    • MLC DN (Enterprise MLC)

    • Xử lý tín hiệu nhớ (Memory Signal Processing - MSP)

    Hình 2: Một bộ điều khiển NAND MSP mạnh mẽ kết hợp chặt chẽ với bộ xử lý tín hiệu để loại trừ những lỗi trên tiến trình xử lý và dải của flash NAND

    “Enterprise MLC” đôi khi còn được gọi là eMLC hay eNAND, là kết quả của quá trình tinh chỉnh đặc biệt để tìm các “die” NAND tốt nhất trong các lô sản xuất với một số ràng buộc về hiệu năng tối đa mà trong thương mại hay gọi là độ bền. Độ bền của eMLC thường là 20K- 30K chu kỳ ghi/xóa.

    Do được xử lý đặc biệt nên giá thành của MLC đặc biệt này cũng cao hơn đáng kể so với dòng MLC thông thường nhưng hiệu quả vẫn thấp. Hơn nữa, khả năng mở rộng quy mô trên phương pháp này còn nhiều điều bàn cãi, đặc biệt là các tiến trình xử lý in thạch bản đang được rút ngắn lại.

    MSP là tiến trình tiếp cận mới nhằm nâng cao độ bền cho MLC. Trong đó kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến giúp cân bằng tiến trình xử lý và những yếu kém của dải flash như cổng nối giữa các cell lân cận, các nhân tố làm ảnh hưởng đến việc đọc và ghi cũng như các hỏng hóc về khả năng nhớ.

    Hiện nay, công nghệ MSP đang được các nhà sản xuất hàng đầu đưa vào các thiết bị cầm tay, chẳng hạn điện thoại thông minh, máy tính bảng và máy nghe nhạc... thông qua cách tiếp cận mới này trên trình điều khiển NAND; Hình 2 là các thành phần nổi bật của bộ điều khiển MSP. Trong đó, thành phần quan trọng là bộ xử lý tín hiệu (Signal Processor), gồm có các bộ gia tốc loại trừ lỗi trên tiến trình xử lý và trên dải của flash NAND. Bộ xử lý tín hiệu kết hợp với bộ mã sửa lỗi ECC (error correction code) tiên tiến (Advanced ECC), được kết hợp với thiết kế FTL (flash transfer layer) duy nhất. Dòng thông tin giữa bộ xử lý tín hiệu, bộ ECC tiên tiến và FTL là nhân tố quan trọng trong việc loại bỏ những lỗi của giải pháp này.

    Bằng cách sử dụng công nghệ MSP, độ bền của NAND có thể được nâng lên hệ số 20X, đáp ứng hơn 50K chu kỳ ghi/xóa; nghĩa là xem như thêm một bit/cell khác, tức flash MLC (cell 2 bit) thay vì SLC (cell một bit). Theo cách này, MSP giúp cải thiện độ bền của ổ SSD nền tảng MLC lên đáng kể, đảm bảo độ tin cậy cho cấp DN với chi phí thấp hơn hơn nhiều so với ổ cứng SSD nền tảng SLC.

    Công nghệ MSP

    Công nghệ MSP (Memory Signal Processing) do Anobit phát triển, giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu năng hoạt động cho các chip nhớ flash SLC và MLC với mức chi phí giảm khoảng 75%/cell. Công nghệ MSP gồm có 67 bằng sáng chế và nhiều thuật toán xử lý tín hiệu độc quyền, khắc phục những giới hạn về vật lý trong bộ nhớ flash, kết hợp với mã sửa lỗi tiên tiến và khả năng quản lý flash mới. Được nhúng vào bộ điều khiển flash, MSP không làm thay đổi bất kỳ công nghệ nào của bộ nhớ flash, trong đó có các nút xử lý tiên tiến nhất. Tháng 8/2010, Samsung và Hynix, 2 nhà sản xuất bộ nhớ flash lớn nhất đã công bố các sản phẩm tích hợp công nghệ MSP của Anobit. Đội ngũ thiết kế MSP của Anobit là những chuyên gia hàng đầu về flash NAND và xử lý tín hiệu số, gồm giáo sư Ehud Weinstein của trường đại học Tel-Aviv, hội viên MIT, ủy viên IEEE và cựu thành viên cao cấp của Texas Instruments và ông Avraham Meir, cựu Phó chủ tịch Kỹ thuật SanDisk và CTO tại M-Systems.

    Anobit cho rằng, công nghệ MSP chính là giải pháp để mang flash MLC vào môi trường DN, giúp kéo dài tuổi thọ cho flash NAND MLC lên đến 50.000 chu kỳ ghi/xóa. Ngoài ra, công nghệ MSP còn giúp cải tiến hiệu năng so với các bộ điều khiển sẵn có mà không phải tốn thêm bất kỳ chi phí nào. Ổ SDD chuẩn bị tung ra là dòng Genesis có dung lượng 200GB và 400GB, có độ bền 5 năm với lượng dữ liệu ghi khoảng 2TB và 4TB ngẫu nhiên suốt cả các ngày trong năm.

    Anobit cũng sẽ tiếp tục đưa công nghệ MSP vào các ổ đĩa flash SD, microSD và USB flash. Thế hệ đầu tiên của các sản phẩm này là sử dụng 2-bit MLC NAND, và thế hệ thứ 2 sử dụng cả 2-bit MLC và 3-bit TLC (three-level cell) NAND, có thể ghi/xóa 100.000 chu kỳ. TLC NAND rẻ hơn đáng kể so với MLC NAND, tuy nhiên tuổi thọ thấp hơn MLC nên không phù hợp.

    Theo anobit.com

     

    Từ khóa: Song Minh
    ID: A1105_73