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DWPD指标:为何不再适用于大容量SSD?

固态硬盘(Solid State Drives, SSD)作为计算机行业中最具革命性的技术之一,凭借其更快的读写速度、增强的耐用性和能效,已经成为大多数用户的首选存储方案。然而,如同任何其他技术一样,SSD也面临自身的挑战,其中首要问题之一便是数据可靠性。由于电源故障、电压波动以及磨损和老化等因素,存储在SSD中的数据可能会遭到破坏。

SSD的存储介质是什么,它就是NAND闪存。那你知道NAND闪存是怎么工作的吗?其实,它就是由很多个晶体管组成的。这些晶体管里面存储着电荷,代表着我们的二进制数据,要么是“0”,要么是“1”。NAND闪存原理上是一个CMOS管,有两个栅极,一个是控制栅极(Control Gate), 一个是浮栅(Floating Gate). 浮栅的作用就是存储电荷,而浮栅与沟道之间的氧化层(Oxide Layer)的好坏决定着浮栅存储电荷的可靠性,也就是NAND闪存的寿命。

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但是呢,这些晶体管的电荷可不是永久存在的。它们就像一群顽皮的孩子,喜欢跑来跑去。如果你经常让它们进行“擦除”和“写入”的操作(NAND闪存中,P/E Cycle,也称为擦除次数),它们就会觉得累,电荷的存储能力也会逐渐下降(浮栅与沟道之间的氧化层被磨损的越来越严重,导致浮栅中电子的控制越来越艰难)。直到有一天,它们再也不想存储电荷了,那这个时候,你的SSD的寿命也就差不多了。

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所以呢,SSD寿命评估的底层机理,其实就是计算NAND闪存的擦除和写入次数(P/E Cycle)。每个晶体管都有一个固定的擦除和写入次数,就像我们的腿一样,跑多了会累,会磨损。当这些晶体管达到一定的磨损程度时,它们就再也存储不了电荷了,这时候你的SSD可就要退休了哦!

目前市面上主要流通的就是4种NAND类型:SLC、MLC、TLC、QLC。随着每个寿命从高到低依次是SLC>MLC>TLC>QLC,随着单个cell含有的bit数越多,NAND的可靠性也会有所降低。

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SSD寿命评估的指标主要包括两个:DWPD(Drive Writes Per Day)和TBW(Total Bytes Written)。

DWPD,即每天可以写入SSD的数据量,是衡量SSD寿命的重要指标之一。一般来说,DWPD越大,SSD的寿命越长。另一个评估指标是TBW,即SSD在寿命周期内可以承受的总写入数据量。

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DWPD和TBW都是用来衡量SSD寿命的指标,DWPD更关注每天的使用频率,而TBW则关注硬盘的总写入能力。一般来说,DWPD越大,TBW越大,SSD的寿命也越长。然而,这些指标只是评估SSD寿命的参考值,实际使用寿命还受到其他因素的影响,如工作负载、环境温度、SSD的写入策略等。

近期STH论坛公布了一项数据, 他们从二手渠道购买了1347块从数据中心退役的企业级SSD。从厂商分布来看, 大部分盘来自Solidigm(Intel前身SSD)

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按照接口协议,这些样本主要是NVME SSD:

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具体型号分布如下:

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这些SSD对应的DWPD规格都集中在1-3。

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按照实际使用的DWPD分布, 研究发现,大多数SSD的实际DWPD远低于它们的标称DWPD值。这意味着大多数SSD的实际使用情况远没有达到制造商规定的最恶劣情况下的工作负载。

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按照不同容量对应的实际DWPD数据分析:

  • 400GB SSD:400GB容量的SSD几乎达到了其标称的耐久性评级,但实际使用中仍然略低于标称值。这表明即使是较小容量的SSD,在实际使用中的耐久性仍然接近于标称值。

  • 3.84TB SSD:3.84TB容量的SSD是研究中最大容量点,实际最大DWPD低于1 DWPD。这表明对于这种大容量SSD,一旦文件被写入并在之后被多次读取,对于高耐久性SSD的需求就会大大降低。
     

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随着SSD容量的增加,传统的DWPD评级越来越不适用。耐久性仍然是一个重要指标,但在大规模SSD上,当前的DWPD体系感觉不太合适。大容量SSD不太可能经历连续的4KB随机写入,更多的读取和更接近顺序写入的工作负载更可能发生。4KB随机写作为最恶劣情况下的工作负载,并不是大多数SSD所经历的真实工作负载。实际上,SSD更可能经历大量的读取和更接近顺序写入的工作负载,尤其是在更大容量的SSD上。

现在是时候转向新的评价体系了,特别是在更大容量的SSD上,我们应该对传统的DWPD评级的重要性有新的认识。随着技术的发展,我们可能需要重新评估如何衡量SSD的耐久性和性能,以更好地适应现代工作负载的要求。


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