WIKI L'evoluzione dell'SSD: anticipazioni su NVMe 2.0 e delle nuove celle PLC

Liupen

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#1
ZNS acronimo di Zoned Namespaces, rappresenta la grande novità nel futuro degli SSD basati sulle NAND (e noi aspettiamo la chimera del GRAFENE), ma anche le celle NAND Flash si stanno evolvendo, e già allo studio abbiamo le nuove PLC anche questo un acronimo che stà per Penta Level Cell.


La novità maggiore riguarda si il linguaggio con cui comunica l'ssd, ma la portata del cambiamento è tale che cambieranno le strutture interne degli SSD come ora li conosciamo e sopratutto molte funzioni saranno assunte direttamente dai sistemi operativi.

In breve, i dispositivi di archiviazione a zone sono dispositivi di archiviazione a blocchi che hanno il loro spazio degli indirizzi suddiviso in zone. Gli ZNS impongono regole di scrittura non convenzionali: le zone possono essere scritte solo in sequenza e a partire dall'inizio della zona. Inoltre, i dati all'interno di una zona non possono essere sovrascritti arbitrariamente.

Detto così non dice niente ma cercherò di spiegare in cosa consiste, rifacendomi ad un sistema che è già applicato sugli HDD e che pare abbia dato l'idea per il nuovo NVMe.

Zoned Namespace è simile all'interfaccia utilizzata dai dischi rigidi a registrazione magnetica (SMR).
L'idea è stata dunque quella di applicare il principio agli SSD attuali, creando un opportuna interfaccia standardizzata, ovvero NVMe 2.0
I benefici saranno prevalentemente sulla velocità di risposta del dispositivo anche se ciò imporrà che i "vecchi" SSD NVM Express 1.3 e 1.4 non saranno più compatibili.
Dunque vediamo, per iniziare a capire, come funziona un HDD di tipo SMR.

"La registrazione magnetica a strati ( SMR ) è una tecnologia di registrazione dei dati di archiviazione magnetica utilizzata nelle unità disco rigido (HDD) per aumentare la densità di archiviazione e la capacità di archiviazione complessiva per unità. Le unità disco fisso convenzionali registrano i dati scrivendo tracce magnetiche non sovrapposte parallele tra loro ( registrazione perpendicolare ),

1566994832732.png

mentre la registrazione shedled scrive nuove tracce che si sovrappongono a parte della traccia magnetica precedentemente scritta, lasciando la traccia precedente più stretta e consentendo maggiore densità delle tracce. Pertanto, i binari si sovrappongono parzialmente in modo simile alle tegole del tetto. Questo approccio è stato scelto perché le limitazioni fisiche impediscono alle testine di registrazione di avere la stessa larghezza delle testine di lettura, lasciando le tracce più ampie di quanto serva."

1566994894811.png

In termini più semplici?

La registrazione in un HDD avviene mediante una testina di scrittura che segue una spirale dal bordo al centro. Ogni traccia scritta ha una larghezza non riducibile (vedi il blu). Le tracce sono parallele e confinanti. La testina di lettura, assai più semplice di quella di scrittura può essere miniaturizzata abbastanza da poter leggere una striscia (vedi arancio) assai più sottile dell'intera traccia scritta.
Ecco allora che con SMR le tracce scritte vengono avvicinate fino a sovrapporsi, lasciando però abbastanza spazio affinché la testina di lettura possa individuare la giusta traccia scritta.
"L'architettura delle tracce sovrapposte può rallentare il processo di scrittura poiché la scrittura su una traccia sovrascrive le tracce adiacenti e richiede anche che vengano riscritte (durante il periodo di idle del disco). I dispositivi SMR gestiti dal dispositivo nascondono questa complessità gestendola nel firmware, presentando un'interfaccia come qualsiasi altro disco rigido, mentre altri dispositivi SMR sono gestiti dall'host e dipendono dal sistema operativo per sapere come gestire l'unità e scrivere solo in sequenza in determinate regioni del disco. ".
Quindi un HDD che usa questo metodo di registrazione sarà più lento a scrivere ma più denso come capienza.
Ma oltre alla capienza (+20-25%) che altri vantaggi?
Questo interessa a noi, infatti la registrazione magnetica shedled gestita dall'host (il sistema operativo) ha bisogno che i dati vengano scritti (o meglio per gli HDD) riscritti sequenzialmente a zone. Le unità SMR quando devono cercare per leggere un dato, scandiscono gruppi di tracce (anziché scandire l'intero piatto), quindi sono dischi più veloci in lettura.

Tre punti da notare: in primo luogo, è simile al ciclo di lettura-programmazione-cancellazione (P/E) utilizzato dagli SSD quando i blocchi di dati scritti vengono recuperati per il riutilizzo. In secondo luogo, nello schema SMR, l'host gestisce il processo di riscrittura dell'unità a blocchi e non l'unità stessa. Terzo, un blocco di tracce è anche una zona di tracce.

Facendola corta, da una parte abbiamo un metodo che per un HDD consente di velocizzare le letture ma che penalizza le scritture, dall'altra abbiamo un dispositivo, l'SSD che può essere organizzato - per sua struttura - molto più facilmente in aree, senza i limiti della scrittura sequenziale sul piatto come per un HDD.
Il passo, dunque, è stato breve: utilizzare la memorizzazione ad aree sugli SSD.

Gli SSD NVMe hanno code di I / O parallele e possono essere utilizzate per indirizzare diversi tipi di dati a diverse zone. Le zone possono estendersi su più matrici la cui dimensione si basa sulla dimensione del blocco dell'SSD.

1566999526693.png

La prima figura mostra come memorizzano attualmente gli SSD (SATA, NVMe 1.x) , a destra come memorizza un SSD NVMe 2.0 che fa uso di ZNS.

Sappiamo che gli SSD NVMe, ora compatibili con il protocollo PCIe 4.0 che amplia notevolmente il bandwidth disponibile, sono velocissimi nei dati sequenziali (ovvero lavorano su più dati parallelamente) e lenti come i dispositivi SATA, nei dati casuali (ovvero hanno medesima latenza).
ZNS consente appunto, tra le altre cose, di velocizzare proprio la scrittura e la lettura dei dati casuali (che sono poi quelli che rendono un sistema operativo più "scattante" ai nostri ordini.

Nella memorizzazione di tutti i dispositivi (HDD, SSD, schede SD e pennette USB) c'è un comune denominatore: una tabella - Flash Translation Layer (FTL) - che assegna ad ogni blocco logico dell'host un indirizzo fisico (un blocco "reale" su disco o chip).
Suddividendo la memorizzazione in aree - zone diverse possono essere dedicate a diversi tipi di dati (musica, video, immagini, ecc.) In modo che il modello di utilizzo dei dati all'interno di una singola zona sia costante e prevedibile - si creano diverse tabelle delle corrispondenze, più leggere che diminuiscono gli effetti della latenza della lettura.
Poi, ogni zona è scritta in sequenza, e anche questo potrebbe determinare un calo delle latenze in scrittura.
I dati in arrivo, di qualsiasi tipo, sono divisi in pezzi di dimensioni organizzate dall'host, e scritti in una zona specifica in formato sequenziale. Le zone possono essere lette in modo casuale e vengono eliminate nel loro insieme, il che riduce la conseguente amplificazione della scrittura a quasi zero e prolunga la vita dell'SSD.
Il carico di lavoro del controller SSD è ridotto - perchè si impegna l'host ad organizzare i dati sull'SSD - e ha bisogno di meno DRAM per farlo (si appoggia alla RAM di sistema), il che ne riduce i costi. Oltre alla riduzione del fattore di amplificazione in scrittura, l'SSD necessita di un minor provisioning nella capacità per sostituire le celle usurate durante la sua vita operativa.

Facendo un sunto, cosa offre NVMe 2.0?
  • più velocità casuale in scrittura e lettura
  • riduzione della Write Amplification = aumento vita SSD
  • riduzione della DRAM necessaria = riduzione costo SSD
  • massimizzazione GB disponibili sul dispositivo

Bene... e adesso la domanda da 1 milione di dollari: quando gli SSD costeranno come gli attuali HDD?

Un passo in questo verso è stata l'aumento progressivo dei dati memorizzati sull'unità di cella, ed è una tendenza che si andrà a consolidare con l'avvento delle celle a 5 bit


Con i dispositivi PLC avremo SSD più economici e di capienza ancora maggiore.

In Toshiba e WD (Sandisk) si parla già di prototipi funzionanti. resta da vedere se questa tecnologia riuscirà effettivamente a raggiungere linee di produzione praticabili, poiché è sempre più complessa. Il PLC richiederebbe 32 diversi tipi di tensione, e come si può vedere dall'immagine, un calo del 50% di affidabilità rispetto allo standard MLC di qualche anno fà.
Ma anche in questo ambito, la ricerca di nuovi algoritmi e metodi di produzione litografica delle celle sempre più precisi, sono sicuro che compenseranno positivamente questo dato in calo.

Gli SSD, come oggi li conosciamo, si stanno evolvendo e oggi spero di avervi fatto capire la strada seguita.
 
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genesi74

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#2
Bene Bravo!, queste sono delle belle news (altro che ninja cit.)
certo che avere un calo dell'affidabilità, per una nuova tecnologia non è che mi esalti particolarmente....

Bene... e adesso la domanda da 1 milione di dollari: quando gli SSD costeranno come gli attuali HDD?
fra un milione di anni?:asd (hhd 1tb €33,50 > ssd 1tb 95euro)
 

Liupen

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#3
Bene Bravo!, queste sono delle belle news (altro che ninja cit.)
certo che avere un calo dell'affidabilità, per una nuova tecnologia non è che mi esalti particolarmente....

Bene... e adesso la domanda da 1 milione di dollari: quando gli SSD costeranno come gli attuali HDD?
fra un milione di anni?:asd (hhd 1tb €33,50 > ssd 1tb 95euro)
Grazie.
Mettiamo che tra due anni con NVMe 2.0 e PLC consolidate almeno un 50% del prezzo... 40€ per 1TB?
Secondo me ci può stare come ipotesi.
Poi non credere, gli HDD non sono più affidabili come qualche hanno fa... almeno non quelli economici. Pure li ci sono i tagli per risparmiare e addirittura c'è chi programma il futuro con la produzione dei soli SSD come WD!
 

genesi74

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#4
Grazie.
Mettiamo che tra due anni con NVMe 2.0 e PLC consolidate almeno un 50% del prezzo... 40€ per 1TB?
Secondo me ci può stare come ipotesi.
Poi non credere, gli HDD non sono più affidabili come qualche hanno fa... almeno non quelli economici. Pure li ci sono i tagli per risparmiare e addirittura c'è chi programma il futuro con la produzione dei soli SSD come WD!
sicuramente è un ipotesi plausibile (la mia era una battutaccia), per il prezzo degli hdd economici (toshiba p300 tanto per citarne uno) da qualche parte un taglio c'è sicuramente stato; adesso bisogna attendere per la durata nel tempo scrittura/lettura continuativa per ssd credo (suppongo) non sia proprio possibile l'utilizzo in alcuni ambiti (videosorveglianza h24), proprio per come sono concepiti.
 

Niemand

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#5
Per la video sorveglianza h24 l’approccio dovrebbe essere diverso: proprio perché per definizione sono sempre accesi basta immagazzinare i dati nella memoria volatile (e quindi si torna a una questione di costi).
 

genesi74

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#6
Per la video sorveglianza h24 l’approccio dovrebbe essere diverso: proprio perché per definizione sono sempre accesi basta immagazzinare i dati nella memoria volatile (e quindi si torna a una questione di costi).
Nellla videosorveglianza l'hdd meccanico, è sottoposto ad uno sforzo immane, infatti la durata rimane comunque limitata nel tempo, (in linea generale 5 anni poi ci sono casi e casi) nonstante l'utilizzo di hdd appositi (wd purple o segate skyhawk), poichè la scrittura è continua, e la riscrittura avviene quando questo è al limite della sua capienza, inoltre in alcuni casi ( con la videosorveglianza di tipo "attivo" quella con personale in loco per intendersi) ci sono da aggiungere anche le letture dei dati contemporanee alla scrittura, insomma l'hdd è sempre attivo in un modo o nell'altro, per quello che dubito che si possa utilizzare l'ssd per questo scopo, almeno non con la loro attuale tecnologia.
 

Liupen

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#7
Penso, pur con tutta l'attuale evoluzione tecnologica, NVMe 2.0 e celle PLC NON saranno mai elementi che si adattano alla registrazione h24. Continueranno ad esserci gli HDD o i metodi di registrazione a nastro per quello e successivamente con l'invenzione (o meglio il perfezionamento) delle celle a cambio di stato (quindi virtualmente inesauribili) inizieranno ad essere sostituiti con questi SSD... ma il pensiero volaaa! :asd
 

Saimon

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#8
Faccio una domanda stupida, molto stupida.
Tutti gli ssd sono basati su queste celle Nand flash?
E la ZNS è una cosa completamente diversa dalle celle o è solo un modo di organizzare le medesime?
 

Liupen

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#9
Faccio una domanda stupida, molto stupida.
Tutti gli ssd sono basati su queste celle Nand flash?
E la ZNS è una cosa completamente diversa dalle celle o è solo un modo di organizzare le medesime?
Questi SSD si.
Dove leggi Nand Flash, V-Nand, 3D Nand ....e le varie versioni SLC, MLC, TLC, QLC, Z-Nand, fino appunto alle PLC oggetto di questo post.
Poi ci sono gli M.2 che chiamano Optane che sono anche SSD ma vengono fatti con celle di tipo XPoint (programmabili all'infinito...virtualmente).

Si Saimon, solo un modo di organizzare come le celle devono essere usate.
Se dovesse integrare anche il modo con cui interagisce la memoria di sistema (come si intuisce) allora penso riguarderà anche alcune strutture dell'SSD M.2... ma senza stravolgerlo. Facile, anzi sicuro, che non sarà difficile mantenere la retrocompatibilità.
 

Saimon

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#10
Questi SSD si.
Dove leggi Nand Flash, V-Nand, 3D Nand ....e le varie versioni SLC, MLC, TLC, QLC, Z-Nand, fino appunto alle PLC oggetto di questo post.
Poi ci sono gli M.2 che chiamano Optane che sono anche SSD ma vengono fatti con celle di tipo XPoint (programmabili all'infinito...virtualmente).

Si Saimon, solo un modo di organizzare come le celle devono essere usate.
Se dovesse integrare anche il modo con cui interagisce la memoria di sistema (come si intuisce) allora penso riguarderà anche alcune strutture dell'SSD M.2... ma senza stravolgerlo. Facile, anzi sicuro, che non sarà difficile mantenere la retrocompatibilità.
Intanto grazie per la risposta.
Quindi tutti gli ssd sata 3 sono con celle Nand? Ho appena visto il mio ssd 860 evo ed ha le V-Nand, la versione non l'ho trovata ancora. Ci sono differenze sostanziali oppure no?
Invece quelli M.2 ( quindi Nvme?) hanno un tipo diverso di celle che si chiama XPoint e cosa si intende per programmabili all'infinito?
Mi devi scusare se non ho capito alcune cose e ti bombardo di domande... per me queste informazioni sono tutte nuove quindi buio totale.:-(
Edit: Le ho appena trovate, sono Samsung V-NAND 3bit MLC
 

Liupen

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#11
Intanto grazie per la risposta.
Quindi tutti gli ssd sata 3 sono con celle Nand? Ho appena visto il mio ssd 860 evo ed ha le V-Nand, la versione non l'ho trovata ancora. Ci sono differenze sostanziali oppure no?
Invece quelli M.2 ( quindi Nvme?) hanno un tipo diverso di celle che si chiama XPoint e cosa si intende per programmabili all'infinito?
Mi devi scusare se non ho capito alcune cose e ti bombardo di domande... per me queste informazioni sono tutte nuove quindi buio totale.:-(
Edit: Le ho appena trovate, sono Samsung V-NAND 3bit MLC
Tutti gli SSD SATA si può affermare che sono fatti con celle NAND Flash ed il tuo pure; Samsung le chiama a suo modo, cioè V-Nand
860 evo ha celle Nand Flash 3D di tipo TLC (vedi l'immagine sopra) 3 bit per cella, cioè ogni cella è fatta per contenere 3 "valori"
Differenze ce ne sono molte, alcune influiscono sulla velocità di risposta altre sulla durata operativa delle celle, o sul costo del prodotto.

Per farti tre esempi, spero che si capiscano:

la cella di tipo 3D MLC è veloce in scrittura; una cella 3D TLC è un po meno veloce perchè il controller deve soffermarsi 1/3 in più (1 bit in più) per scriverla e controllare che quanto scritto corrisponda alla scrittura host (la nostra volontà...il Sistema Operativo). Così via una cella QLC sarà più lenta della TLC, ecc ecc

altro esempio, un SSD con 500GB di celle NAND Flash di tipo TLC sarà grande mettiamo 4cm quadrati di wafer di silicio, mentre sempre un SSD con 500GB di celle QLC sarà di 2,7 cm quadrati.... un bel po di silicio in meno. Visto che la cella si consuma perchè vengono liberati elettroni, allora , meno silicio corrisponde un "serbatoio" più piccolo di elettroni che quindi l'SSD con celle QLC durerà meno di quello con celle TLC

infine c'è l'altezza delle celle; a parità di tipo - mettiamo le TLC del tuo SSD che sono da 64 Layer, cioè sono 64 celle singole sovrapposte a torre. La tecnologia successiva ha creato celle a 96 piani sovrapposti, il che vuol dire che un chip 2x1 cm contiene 1/3 di GB in più. Questa cosa (se hai sentito parlare di litografia) influisce sui costi di produzione se pensi che con la stessa macchina, stesso tempo, stesso operatore prima avevi un chip da 256GB e poi (minore litografia -> 96Layer) ca 340GB.

Gli m.2 nvme con celle XPoint


hanno solo l'aspetto dei normali SSD, perchè il costo delle celle e la tecnologia immatura, ne fanno degli SSD molto molto costosi e per usi particolari.
La celle XPoint sono fatte in modo che il segnale non venga portato da un cambio di tensione per migrazione di elettroni (rilevato poi da un gate), ma da un nuovo materiale semiconduttore a bassa latenza realizzato in una matrice (impilabile a sua volta come le 3D Nand) che cambia il proprio stato elettrico in base al livello di resistenza del materiale cellulare. Le celle di memoria vengono scritte variando la quantità di tensione inviata a ciascun selettore (immagina una griglia di filamenti sottilissimi verticali e orizzontali...al centro c'è il selettore). Con tensioni diverse il nodo cambia la resistenza elettrica del materiale alta o bassa e sono questi due stati che vengono letti come valori I/0.

Se è un 860 "EVO" ha le TLC https://www.anandtech.com/show/12347/samsung-announces-860-pro-and-860-evo-sata-ssds
Chiedi pure, a me fa piacere risponderti:ok se le cose le so
 

Saimon

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Tutti gli SSD SATA si può affermare che sono fatti con celle NAND Flash ed il tuo pure; Samsung le chiama a suo modo, cioè V-Nand
860 evo ha celle Nand Flash 3D di tipo TLC (vedi l'immagine sopra) 3 bit per cella, cioè ogni cella è fatta per contenere 3 "valori"
Differenze ce ne sono molte, alcune influiscono sulla velocità di risposta altre sulla durata operativa delle celle, o sul costo del prodotto.

Per farti tre esempi, spero che si capiscano:

la cella di tipo 3D MLC è veloce in scrittura; una cella 3D TLC è un po meno veloce perchè il controller deve soffermarsi 1/3 in più (1 bit in più) per scriverla e controllare che quanto scritto corrisponda alla scrittura host (la nostra volontà...il Sistema Operativo). Così via una cella QLC sarà più lenta della TLC, ecc ecc

altro esempio, un SSD con 500GB di celle NAND Flash di tipo TLC sarà grande mettiamo 4cm quadrati di wafer di silicio, mentre sempre un SSD con 500GB di celle QLC sarà di 2,7 cm quadrati.... un bel po di silicio in meno. Visto che la cella si consuma perchè vengono liberati elettroni, allora , meno silicio corrisponde un "serbatoio" più piccolo di elettroni che quindi l'SSD con celle QLC durerà meno di quello con celle TLC

infine c'è l'altezza delle celle; a parità di tipo - mettiamo le TLC del tuo SSD che sono da 64 Layer, cioè sono 64 celle singole sovrapposte a torre. La tecnologia successiva ha creato celle a 96 piani sovrapposti, il che vuol dire che un chip 2x1 cm contiene 1/3 di GB in più. Questa cosa (se hai sentito parlare di litografia) influisce sui costi di produzione se pensi che con la stessa macchina, stesso tempo, stesso operatore prima avevi un chip da 256GB e poi (minore litografia -> 96Layer) ca 340GB.

Gli m.2 nvme con celle XPoint


hanno solo l'aspetto dei normali SSD, perchè il costo delle celle e la tecnologia immatura, ne fanno degli SSD molto molto costosi e per usi particolari.
La celle XPoint sono fatte in modo che il segnale non venga portato da un cambio di tensione per migrazione di elettroni (rilevato poi da un gate), ma da un nuovo materiale semiconduttore a bassa latenza realizzato in una matrice (impilabile a sua volta come le 3D Nand) che cambia il proprio stato elettrico in base al livello di resistenza del materiale cellulare. Le celle di memoria vengono scritte variando la quantità di tensione inviata a ciascun selettore (immagina una griglia di filamenti sottilissimi verticali e orizzontali...al centro c'è il selettore). Con tensioni diverse il nodo cambia la resistenza elettrica del materiale alta o bassa e sono questi due stati che vengono letti come valori I/0.

Se è un 860 "EVO" ha le TLC https://www.anandtech.com/show/12347/samsung-announces-860-pro-and-860-evo-sata-ssds
Chiedi pure, a me fa piacere risponderti:ok se le cose le so
Ti ringrazio per tutto il tempo che mi hai dedicato. Poi volevo chiederti se tu o qualcun'altro ha fatto una guida su cosa c'è dentro un ssd tipo, non so, la dram, e quali sono i valori più importanti in un ssd. Così per capire la reale differenza fra i vari ssd e per riuscire anche a capirne qualcosa in più.
 

Nichdroid

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#13
Ti ringrazio per tutto il tempo che mi hai dedicato. Poi volevo chiederti se tu o qualcun'altro ha fatto una guida su cosa c'è dentro un ssd tipo, non so, la dram, e quali sono i valori più importanti in un ssd. Così per capire la reale differenza fra i vari ssd e per riuscire anche a capirne qualcosa in più.
Sisi che l'ha fatta @Liupen, il nostro esperto di storage;)
https://forum.hwreload.it/threads/lssd-come-è-fatto-e-come-utilizzarlo.372/

E anche il thread su come interpretare i dati dei benchmark e condividere i propri risultati:
https://forum.hwreload.it/threads/divertitevi-a-testare-il-vostro-disco.1581/
 
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