Im Zeitalter von mechanische Festplattenlaufwerke, können neue Daten direkt an ihrem ursprünglichen Speicherort überschrieben werden. Die Datenmenge, die Ihr Computer zum Schreiben anfordert, entspricht genau der Menge, die die Festplatte physisch aufzeichnet. Solid-State-Laufwerke (SSDs) funktionieren auf eine völlig andere Weise, was zu einem einzigartigen Phänomen führt, das als „Schreibamplifikation“ bezeichnet wird. Die Schreibamplifikation ist ein Phänomen, das ausschließlich bei SSD-Speichern auftritt. Einfach ausgedrückt: Wenn Ihr Computer einen Schreibbefehl an eine SSD sendet, ist die Gesamtmenge der physischen Daten, die auf die NAND-Flash-Chips geschrieben wird, aufgrund der physikalischen Beschränkungen von NAND-Flash.
Stell dir vor, du möchtest Text auf einer Seite deines Notizbuchs bearbeiten. Sie dürfen die alten Wörter jedoch nicht direkt durchstreichen. Sie müssen neue Inhalte auf leere Seiten schreiben und alte Seiten als unbrauchbar kennzeichnen. Wenn die leeren Seiten ausgehen, müssen Sie das gesamte Notizbuch neu organisieren: Kopieren Sie den noch brauchbaren Text auf leere Seiten in einem brandneuen Notizbuch und löschen Sie dann das gesamte alte Notizbuch, damit es später wiederverwendet werden kann. Die Gesamtzahl der Seiten, die Sie letztendlich beschreiben, ist weitaus größer als der kurze Text, den Sie ursprünglich bearbeiten wollten. Dieser zusätzliche Schreibaufwand ist eine einfache Metapher für die Schreibverstärkung.
Kernkennzahl
Die Kennzahl, die den Grad der Schreibverstärkung angibt, wird als Write Amplification Factor, abgekürzt WAF. Es folgt einer festen, klaren Formel:
WAF = Gesamtmenge der physischen Daten, die auf den Flash-Speicher geschrieben wurden / Gesamtmenge der vom Host angeforderten logischen Daten
Im Idealfall schreibt der Flash-Speicher genau die Datenmenge, die der Host anfordert, was einen WAF-Wert von 1 ergibt. Die physikalischen Eigenschaften von NAND-Flash machen diesen Idealzustand im praktischen Einsatz jedoch nahezu unmöglich. Unter normalen Betriebsbedingungen ist der WAF-Wert stets größer als 1. Ein höherer WAF-Wert bedeutet einen höheren internen Schreib-Overhead innerhalb der SSD, was zu einem schnelleren Verschleiß des Flash-Speichers und einer schlechteren Leistung führt.
Grundursachen der Schreibamplifikation
Die Schreibverstärkung ist kein Konstruktionsfehler von SSDs. Sie ist eine unvermeidbare Folge der physikalischen Grenzen von NAND-Flash-Speichern in Verbindung mit mehreren automatischen Wartungsprozessen, die im Laufwerk ablaufen.
Physikalische Grenzen von NAND-Flash-Speichern
Dies ist die grundlegende Voraussetzung für das Auftreten der Schreibverstärkung. Im Gegensatz zu mechanischen Festplatten, die das Überschreiben an Ort und Stelle unterstützen, gelten für NAND-Flash-Speicher strenge Lese- und Schreibregeln: Alte Daten können nicht direkt an ihrem ursprünglichen Speicherort ersetzt werden. Ein Block muss vollständig gelöscht werden, bevor neue Daten darin geschrieben werden können. Erschwerend kommt die Diskrepanz zwischen der kleinsten Schreibeinheit und der kleinsten Löscheinheit hinzu. Die kleinste Einheit zum Schreiben von Daten ist eine Seite, vergleichbar mit einem einzelnen Blatt Papier. Die kleinste Einheit zum Löschen von Daten ist ein Block, der Hunderte von Seiten umfasst, etwa wie ein ganzes Kapitel. Man kann nicht nur eine einzelne Seite löschen; man muss den gesamten Block auf einmal löschen.
Aufgrund dieser Einschränkung verwenden SSDs ein „Out-of-Place“-Aktualisierungsmodell. Wenn Sie eine vorhandene Datei bearbeiten, ändert der SSD-Controller die Seite mit den alten Daten nicht. Stattdessen schreibt er die neuen Daten auf leere, freie Seiten und kennzeichnet die alten Seiten als ungültig, damit sie später bereinigt werden können. Diese Unmöglichkeit, Daten an ihrer ursprünglichen Position zu überschreiben, ist die Ursache für den gesamten zusätzlichen Schreibaufwand.
Datenüberschreibungen durch die Garbage Collection
Müllabfuhr ist die größte Ursache für die Schreibverstärkung. Je mehr Daten gespeichert werden, desto geringer wird die Anzahl der freien Blöcke auf der SSD. Der Controller führt automatisch eine Garbage Collection durch, um nutzbaren Speicherplatz freizugeben. Der gesamte Arbeitsablauf läuft wie folgt ab: Der Controller wählt einen alten Block mit einem hohen Anteil an ungültigen Seiten aus, liest alle noch gültigen Daten innerhalb des Blocks aus, kopiert die gültigen Daten in völlig neue, freie Blöcke und löscht den alten Block anschließend vollständig, um ihn wieder in nutzbaren Speicherplatz umzuwandeln. Während dieses Datenkopiervorgangs senden weder der Benutzer noch das Betriebssystem neue Schreibbefehle. Die SSD muss jedoch gültige Daten automatisch neu schreiben, um Speicherplatz freizugeben. Diese internen Schreibvorgänge machen den Hauptteil der Schreibverstärkung aus.
Datenmigration aus dem Wear-Leveling
Metadaten-Overhead für die interne Verwaltung
Neben den beiden oben genannten Hauptprozessen verursacht die interne SSD-Verwaltung kleine, aber kontinuierliche zusätzliche Schreibvorgänge. Die FTL-Zuordnungstabelle, die logische Adressen in physische Flash-Positionen übersetzt, die Protokolle für fehlerhafte Blöcke, in denen beschädigte Speicherbereiche erfasst werden, sowie die Verschleißzähltabellen, die die Löschzyklen für jeden Block verfolgen, werden während des Lesens und Schreibens von Dateien ständig aktualisiert. Jede Aktualisierung beansprucht Flash-Schreibressourcen. Zusätzliche Aufgaben wie das Schreiben von ECC-Fehlerkorrekturcodes zusammen mit den Benutzerdaten und das Verschieben von Daten zum Ersetzen fehlerhafter Blöcke tragen ebenfalls zur Gesamtzahl der physischen Schreibvorgänge bei und wirken somit als sekundäre Faktoren der Schreibverstärkung.
Wichtige Faktoren, die die WAF beeinflussen
Der WAF-Wert ist nicht fest vorgegeben. Er schwankt stark in Abhängigkeit von den technischen Daten der SSD, den Nutzungsgewohnheiten der Benutzer und den Systemeinstellungen. Es gibt fünf Hauptfaktoren, die bestimmen, wie hoch oder niedrig der WAF-Wert ausfällt.
Überdimensionierung und freier Speicherplatz
Unter „Over-Provisioning“ (OP) versteht man zusätzlichen Flash-Speicherplatz, der von SSD-Herstellern reserviert wird und auf den Benutzer keinen Zugriff haben und den sie nicht nutzen können. Dieser Speicherplatz ist ausschließlich für interne Aufgaben wie Garbage Collection, Wear Leveling und das Ersetzen defekter Blöcke reserviert. Ein höherer Over-Provisioning-Anteil stellt der Garbage Collection mehr freie Blöcke zur Auswahl, verringert die Menge an gültigen Daten, die pro wiederverwertetem Block kopiert werden muss, und senkt den WAF.
Abgesehen von der werkseitig voreingestellten Überprovisionierung sorgt freier Speicherplatz in den Benutzerpartitionen für denselben Optimierungseffekt. Wenn der TRIM-Befehl aktiviert ist, sorgt mehr freier Speicherplatz auf der SSD dafür, dass die Garbage Collection effizienter abläuft. Ist die SSD fast voll, werden freie Blöcke knapp. Der Controller muss Daten wesentlich häufiger kopieren, und der WAF-Wert steigt stark an.
Schreib-Workload-Muster
Status des TRIM-Befehls
Arten von NAND-Flash-Speichern
SLC-Cache-Strategie
Auswirkungen der Schreibamplifikation auf SSDs
Die Schreibverstärkung verursacht in SSDs einen versteckten Hintergrundaufwand, der in den Anzeigen zur Lese- und Schreibgeschwindigkeit des Systems nicht direkt sichtbar ist. Dennoch wirkt sie sich langfristig in drei wesentlichen Bereichen negativ auf die Laufwerksleistung aus: Lebensdauer, Betriebsleistung sowie Stromverbrauch und Wärmeentwicklung.
Verkürzte Lebensdauer des Blitzes. Dies ist die schwerwiegendste negative Auswirkung der Schreibverstärkung. Jeder Flash-Speicherblock verfügt über eine festgelegte maximale Anzahl an Löschzyklen, die als P/E-Zyklen bezeichnet wird und als zentraler Maßstab für die Beurteilung dient. Lebensdauer von SSDs. Die Schreibverstärkung erhöht unnötigerweise die Löschhäufigkeit des Flash-Speichers und verkürzt dessen Lebensdauer.
Geringere Schreibleistung unter realen Bedingungen. Umfangreiche Hintergrunddatenkopien aufgrund der Schreibamplifikation beanspruchen die Lese-/Schreibbandbreite der Flash-Kanäle und entziehen den regulären Schreibvorgängen der Benutzer Hardware-Ressourcen. Ein höherer WAF-Wert bedeutet, dass das Laufwerk mehr interne Lese- und Schreibvorgänge ausführen muss, um dieselbe Schreibanforderung des Hosts zu verarbeiten. Dies erhöht die Schreiblatenz und führt zu einem deutlichen Rückgang der Dauer-Schreibgeschwindigkeit.
Höhere Stromaufnahme und erhöhte Hitzebedrohung. Jeder Lese-, Schreib- und Löschvorgang im Flash-Speicher verbraucht Strom und erzeugt Wärme. Ein höherer WAF-Wert bedeutet mehr unnötige interne Kopiervorgänge innerhalb der SSD, was den Gesamtstromverbrauch erhöht. Bei Laptops, Tablets und anderen tragbaren Geräten verkürzt ein höherer Stromverbrauch die Akkulaufzeit.
Müssen normale Verbraucher auf WAF achten?
Nur Nutzer mit hohem Schreibaufkommen müssen diesen Faktor möglicherweise genau im Auge behalten. Zu dieser Gruppe gehören Personen, die viele Stunden mit der Bearbeitung von 4K-/8K-Videos verbringen, täglich große Datenmengen übertragen, rund um die Uhr Downloads durchführen und lokale Datenbanken speichern. Durch ihre hohen täglichen Schreibvorgänge beschleunigt die Schreibverstärkung den Verschleiß der Flash-Speicher deutlich.
