Những thuật ngữ về SSD (tiếp)

SSD Endurance

Thuật ngữ này là giá trị đáng lưu ý nhất, khi số lần ghi/xoá trên SSD là có hạn. Nên trong thực tế, dung lượng sử dụng (khác dung lượng vật lý) của SSD (SSD Endurance) là có hạn, vì nó tỷ lệ thuận với số lần ghi/xoá. Ngược lại với WA factor, giá trị SSD Endurance càng cao càng tốt.

SSD Endurance lệ thuộc vào các yếu tố sau: Wear Leveling, Sparing/Over-provisioning, Write Caching, Write Workload, NAND Technology. Trong đó, Wear Leveling đã nêu ở trên, Write Workload gồm 2 loại Sequential và Random Write, NAND Tech là chip MLC hay SLC.

Sparing/Over-provisioning

Từ những gì tôi đã viết ở trên, bạn có thể nhận thấy việc sử dụng HDD/SSD để làm một bộ nhớ đệm tốc độ thấp (hơn so với RAM) là điều không thể tránh khỏi. Sẽ luôn có quá trình ghi / xoá liên tục diễn ra ở các transistor nào đó. Với bối cảnh này, việc cố gắng phân phối tải ra đều khắp mọi vị trí trên chiếc ổ lưu trữ là quá mức cần thiết và đôi khi, “ngu ngốc” vì nó chỉ góp phần tăng cường hệ số WA và Wear leveling (lượng dữ liệu tạm sinh ra càng nhiều thì quá trình GC cũng diễn ra dày hơn và số chu kỳ ghi/xoá “hao phí” cũng mất đi nhiều hơn). Đến lúc này chúng ta cần “phá luật chơi” một chút: không thể “cào bằng” mãi mọi người với nhau, cần có sự “hy sinh”, “giết 1 triệu để cứu 1 tỷ” !

Một phần dung lượng vật lý của chiếc SSD sẽ không bao giờ “sống như người bình thường”. Chúng được nhà sản xuất tách riêng ra thông qua trình điều khiển SSD và HĐH sẽ không bao giờ thấy chúng. Chúng sẽ không được đưa vào danh sách LBA và từ đó không chứa dữ liệu theo cách “thường” nữa. Nếu là fan của phim hành động, bạn có thể hình dung phần dung lượng flash bị tách ra này giống như những gián điệp không bao giờ xuất hiện như những công dân hợp pháp. Họ nấp phía sau luật pháp (HĐH) nhưng họ giúp cho XH tốt hơn. Phần dung lượng ẩn này được gọi là Spare Area, quá trình tạo ra phần này gọi là Sparing hoặc Over-provisioning.

Uhm … okay … tôi hơi nói quá một chút. Thực ra ý nghĩa ban đầu của Sparing/Over-provisioning là để dư một lượng transistor nhằm thay thế các transistor khác trong trường hợp chúng hỏng hóc. Nó tương tự việc một số model HDD có một lượng dư sector với chức năng tương đương. Song về thực tế, phần Spare Area lại được trưng dụng để tăng tốc cho SSD. Nếu chỉ dùng để dự trữ/thay thế các transistor hỏng hóc, thì câu hỏi là khi nào lượng dư này mới được dùng ? Trong suốt thời gian “chờ đợi” đó, có phải lượng dư này vô dụng không ? Thêm một yếu tố khác : wear leveling, khi một vài transistor đang dùng bắt đầu “lăn quay”, thì đó là dấu hiệu rất rất nhiều transistor đang dùng khác cũng chuẩn bị … lăn quay ! Liệu chúng ta có đủ “quân dự bị” để thay thế hết toàn bộ? Bạn có thể nói “Được !”, với điều kiện là lượng dư này bằng đúng lượng đang dùng mà chi phí sản xuất tăng gấp đôi, nhưng giá trị sử dụng bằng phân nửa.

Lại nói, ‘có nhiều transistor trống’ đồng nghĩa với việc ‘có khả năng tăng tốc’. Các transistor dư thừa kia không phải là đang “trống” đấy sao? Từ đây phát sinh thêm chức năng thứ cấp: cải thiện tốc độ thiết bị. Nếu chưa được dùng để thay các transistor hỏng, các transistor thừa này sẽ được trưng dụng như một vùng nhớ đệm khác. Và giá trị đem lại khá ấn tượng. Bạn có thể xem ở kết quả “ngâm cứu” sau của Intel.

Ngoài ra như đã nêu ở trên, Sparing còn cải thiện cả tuổi thọ của SSD (SSD Endurance), song không nhiều bằng tăng tốc thiết bị. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của Sparing lên SSD Endurance cũng chỉ đến một giá trị nhất định. Nghiên cứu của Intel cho thấy khi lượng Sparing lớn hơn 27% tổng dung lượng chiếc SSD thì mức cải thiện này không tăng thêm nữa.

Bệnh khó chữa …

Khi lứa SSD đầu tiên xuất hiện trên thị trường, chúng đã được “tô vẽ” bằng những kết quả ấn tượng trước các model HDD. Đó là phần nổi của tảng băng. Còn phần chìm …

Bạn bật lại : “Các kết quả benchmark không chính xác ?”

Có! Chúng chính xác, nhưng chúng không nói lên được phần chìm. Có một câu chuyện về các testlab mà … liệu tôi có nên nói không nhỉ (tôi cũng là tester mà !) ?

Okay, về căn bản thì tôi vẫn là một người tiêu dùng. Các testlab khi nhận sản phẩm, đa số chỉ kiểm tra, đánh giá sản phẩm trong vòng 3 lần thử nghiệm và lấy giá trị trung bình. Sau đó lưu vào bảng tính để lập ra các đồ thị (nói đơn giản nhưng rất dễ sai sót đấy – có đến hàng trăm giá trị cần xử lý một lúc). Với CPU, GPU … các phép kiểm tra hầu như không có thiếu sót vì những chip xử lý sẽ dùng hết năng lực tính toán của nó để đạt thời gian làm việc là thấp nhất. Riêng với các thiết bị lưu trữ, điều tương tự cũng được thực hiện. Và thiếu sót (khi kiểm tra bộ nhớ flash) là ở đây: chúng chỉ đạt hiệu năng tối đa KHI VẪN CÒN TRANSISTOR CHƯA DÙNG.

Bạn chưa hiểu vấn đề? Để tôi nói thêm. Vì tính chất của bộ nhớ flash là số lần ghi/xoá có giới hạn, nên khi người dùng/HĐH ra một lệnh xoá dữ liệu thì trình điều khiển sẽ CHƯA XOÁ NGAY, mà chỉ đánh dấu (block) các vị trí page có dữ liệu cần xoá (với người dùng) là không dùng được (unavailable). Khi người dùng/HĐH ra lệnh ghi dữ liệu, trình điều khiển sẽ bỏ qua vị trí các page trên mà ghi vào các page đang trống (free page). Mục đích của hành vi này là hạn chế tối đa việc giảm thiểu số lần ghi/xoá của bộ nhớ flash – đó là wear leveling.

Không có lệnh TRIM, phần dữ liệu cần được giải phóng trên thực tế vẫn nằm lại SSD

Song thao tác trên lại gây ra một hệ quả “đau lòng”. SSD có tốc độ ghi nhanh chóng là vì chúng ghi theo cơ chế song song. Giả định chúng ta có 5 block SSD trống, bạn ghi dữ liệu vào đầy 1 block. Vậy chúng ta còn 4 block trống. Bạn ra lệnh xoá, trình điều khiển đánh dấu block trên là không dùng được. Bạn lại điền dữ liệu vào, chúng ta còn 3 block trống. Rồi 2 block, 1 block. Và thứ tệ hại là đây: bạn đã xoá dữ liệu khỏi block đầu (HĐH hiển thị vùng không gian đó trống), bây giờ bạn có khối dữ liệu cần đến 2 block chứa, trong khi chiếc SSD chỉ còn 1 block trống (block đầu bị đánh dấu là chưa dùng được). Vậy trình điều khiển SSD sẽ ra lệnh xoá block trên, và cùng lúc ghi dữ liệu vào block trống sau cùng. Sau khi quá trình xoá (thực) diễn ra xong, trình điều khiển SSD mới ghi tiếp dữ liệu mới vào block đầu. Có nghĩa rằng tốc độ của chiếc SSD đã giảm đi so với ban đầu.

Vấn đề là các testlab không làm gì sai ở đây. Họ nhận được một chiếc SSD mới toanh, format, cài đặt HĐH, chép các tập tin vào để thử nghiệm. Với vozExpress, các dữ liệu “ban đầu” này chiếm ~ 30 GB (tuỳ gói thử nghiệm). Quá trình thử nghiệm chỉ hao tốn thêm ~ 5 GB, trong khi một chiếc SSD hiện nay có dung lượng ~ 80 GB. Rõ ràng là chúng tôi (và các testlab khác) không dùng hết dung lượng trống (về mặt vật lý) hiện có trên chiếc SSD. Và kết quả luôn là kết quả tốt nhất mà thiết bị đạt được.

Song với người tiêu dùng thì khác. Bạn thích chơi game? Bạn cài khoảng 5 tựa game ưa thích lên ổ chứa (chiếm hết dung lượng trống thực). Bạn chán chơi hoặc muốn chơi game khác? Bạn gỡ game cũ ra để có dung lượng trống (về logic khi chiếu theo góc nhìn của HĐH). Và đây mới là cảm nhận THỰC TẾ khi bạn ĐÃ DÙNG HẾT MỌI KHOẢNG TRỐNG có trên SSD : tốc độ cài game chậm đi thấy rõ. Hiện tượng này gọi là sự suy giảm hiệu năng (Performance Degradation).

TRIM, thuốc đắng dã tật

Trong một thời gian dài sau khi đã thương mại hoá công nghệ lưu trữ SSD, rất nhiều nhà sản xuất đã đau đầu suy nghĩ ra giải pháp cho vấn đề suy giảm hiệu năng của thiết bị. Bạn có thể đạt được “phong độ nhất thời”, song cái chính “đẳng cấp mới là mãi mãi”. HDD có thể không đạt hiệu năng ban đầu cao như SSD, nhưng về lâu dài thì sự ổn định về hiệu năng của HDD là cái SSD khát khao. Phải có cách “gì đó”, phải có cách gì đó …

Secure Erase (SE) là một cách để đạt được điều đó. Lệnh này về cơ bản, giống như Low Format, tức mọi dữ liệu đã ghi trên thiết bị sẽ được xoá tất, mọi thứ trở về trạng thái ban đầu (reset). SSD đạt được hiệu năng cao nhất khi mọi transistor của nó không có dữ liệu (trống). Và cách này thực sự hiệu quả. Song những ai sẽ chấp nhận điều này ?

Để tôi hỏi bạn vài câu: Bao lâu thì bạn format lại ổ cứng ? Bạn format để làm gì ?

Có lẽ tôi không cần câu trả lời, vì không có câu nào sẽ nói về “hiệu năng ban đầu” (sẽ có một số câu bảo rằng có nhưng lý do nêu ra không thuyết phục, đồng thời rất khó để kiểm chứng được hiệu quả của việc đó). Điều này đồng nghĩa với việc chẳng có mấy ai “thích” SE. Bạn sẽ phải di chuyển dữ liệu đi, rồi thực hiện SE, rồi chép dữ liệu về, tức bạn phải có thêm một thiết bị lưu trữ khác để backup lại “tài sản” của mình. Quá nhiều thứ cần làm chỉ để đạt được việc : trả hiệu năng lại cho tôi !

Không còn hy vọng nào sao? Còn, vẫn còn!

Thực ra cách xử lý vấn đề cực kỳ đơn giản: thay vì chỉ đánh dấu các LBA là không dùng được, hãy xoá “thẳng cẳng” dữ liệu trên chúng đi, “phục hồi nhân phẩm” trực tiếp cho chúng. Thao tác này sẽ “tốn kém” một lượng chu kỳ ghi/xoá nhất định, tức làm giảm SSD Endurance. Nhưng bù lại, hiệu năng của bạn luôn được đảm bảo, tức “đẳng cấp là mãi mãi”.

TRIM command comes to rescue

Thao tác trên được gọi là TRIM. Ban đầu TRIM không được tích hợp sẵn vào trình điều khiển SSD vì lý do gây suy giảm SSD Endurance. Song về lâu dài thì sự suy giảm hiệu năng là không thể chấp nhận được. Để tôi nói rõ hơn: giả định một chiếc SSD có thời hạn sử dụng lên đến 10 năm, còn nhu cầu dùng thực tế của một data center chỉ 5 năm (đối với một ổ lưu trữ), thì giá trị sử dụng 5 năm còn lại tuy vẫn cao, song không bù được với phần hụt về hiệu năng mà 4,5 năm đầu bị mất đi. Tức người sử dụng phải chấp nhận đánh đổi: hoặc hiệu năng, hoặc tuổi thọ.

Có một chi tiết nhỏ bạn cần chú ý: lệnh TRIM còn phải được HĐH hỗ trợ, nếu không thì trình điều khiển SSD không thể ra lệnh đó với các chip flash của nó. Với người dùng Windows, hiện chỉ có Windows 7/Server 2008 R2 hỗ trợ điều này. Với Linux là kernel 2.6.33. Còn MAC OS X có lẽ phải thêm một thời gian nữa.

Đầu tư vào SSD, nên hay không ?

Trên đây là những gì “không hay và bình thường” về SSD, có lẽ khác hẳn với những gì bạn được nghe “quảng cáo” về chúng. Tất nhiên tôi không bảo SSD kém tin cậy và tiêu thụ nhiều hơn HDD. Không sử dụng các chi tiết cơ học và cái nền là công nghệ bán dẫn đã giúp đỡ SSD rất nhiều. Nếu bạn đã từng dùng máy ThinkPad và đôi khi hơi … bực mình vì sự nhạy “quá đáng” của sensor nhận diện rung động – nhằm đưa đầu đọc HDD vào vị trí an toàn, đồng thời khiến cho máy “khựng” một lúc, thì bạn sẽ hiểu tính năng trên sẽ không cần thiết khi sử dụng SSD nữa.

Hiệu năng SSD cao là một thực tế, lượng IOPS cũng rất quan trọng với ứng dụng server. Nhìn chung SSD tốt về mọi mặt, trừ … tuổi thọ transistor có hạn !

SSD có gót chân Achilles, chúng ta đã biết. Dù sao, đây chỉ mới là những ngày đầu của công nghệ lưu trữ không dùng cơ khí. Trong tương lai tới, tuổi thọ các transistor sẽ được cải thiện hơn nữa. Một số đơn vị sản xuất bán dẫn đã công bố một vài loại transistor floating gate của họ có số chu kỳ ghi/xoá gấp 10 chuẩn bộ nhớ flash thông dụng hiện nay. Sự thay đổi về lượng sẽ dẫn tới thay đổi về chất. Mức tăng gấp 2 – 3 lần tuổi thọ có thể không đáng kể gì, nhưng gấp 20 – 30 lần sẽ là một thay đổi lớn. Thay vì chỉ dùng được 5 năm với hiệu năng ổn định, 50 năm có thể là cái mốc rất đáng suy nghĩ. Câu hỏi đặt ra là bạn cần dùng một sản phẩm TRONG THỜI GIAN BAO LÂU ?

Nói chung, khi được bổ sung lệnh TRIM, việc sử dụng SSD đã có thể “bình thường” như HDD – bạn không cần lệnh SE để đảm bảo hiệu năng ở mức cao nhất nữa (có thể 1 người dùng desktop nào đó rất “rỗi hơi” song với các quản trị viên một data center phải làm việc với hàng trăm thiết bị lưu trữ thì rất khác).

Còn với bạn, vào lúc này, có nên đầu tư SSD không, sẽ tuỳ thuộc nhu cầu của bạn như thế nào. Giá thành cao và ít nhà phân phối phần nào cản trở bạn tiếp xúc với kỹ thuật lưu trữ flash đa luồng. Một chiếc SSD nhỏ hơn 80 GB để cài đặt HĐH và những ứng dụng thường nhật, kết hợp với một chiếc HDD dung lượng cao (lưu trữ lai) có thể sẽ là lựa chọn tốt nhất vào lúc này.