11ドライブDRAMレスSSDのまとめ

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はじめにと概要

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SSDのメモリが失われたらどうなるでしょうか？ 一般的な認識とは異なり、DRAMレスSSDは新しいものではありません。最初のコンシューマー向けSSDはDRAMキャッシュを搭載せずに出荷され、動作がカクツキする問題が発生したため、業界はDRAMを搭載することでパフォーマンス低下の対策を講じました。その後、SandForceはフラッシュプロセッサ内に少量のメモリを内蔵するコントローラをリリースしました。この技術は、現在でもほとんどのSSDコントローラに採用されています。私たちは、市販されているいくつかの新しいDRAMレス製品と、これまでテストしたことのないNANDを搭載した次世代モデル2つを検証しています。この記事を読み終える頃には、最新のDRAMレスSSDが私たちを振り出しに戻すのか、それともSandForceが中断した段階から発展していくのかが明らかになることを期待しています。

様々な理由から、長年にわたり複数の企業がDRAMキャッシュを廃止する技術に投資してきました。揮発性メモリを製造していない企業もあり、NANDとDRAMの両方を製造しているのはSamsung、Sk hynix、Micron（Crucial）のみです。他のSSDメーカーは、SSDを販売している競合他社からメモリを購入しなければなりません。また、DRAMはフラッシュメモリよりも消費電力が大きく、価格変動が激しく、供給不足に陥ることもあり、ほとんどの企業が管理できない重要なコンポーネントです。

コンピューターは、頻繁に使用するデータやアプリケーションデータをメモリ（SDRAM、DDR、DDR3、DDR4など）に保存します。SSDはメモリの使い方が少し異なりますが、その重要性はHDDと変わりません。SSDはHDDとは異なる方法でデータを保存します。これは主にNANDの寿命が限られているためです。オペレーティングシステムは、データをハードディスクドライブに保存することを前提に構築されているため、データを特定の場所（アドレス）に保存します。

SSDコントローラは、フラッシュメモリの消耗を均等にするため、データを異なるアドレスに振り分けますが、オペレーティングシステムはこのデータの移動を認識しません。また、SSDは十分な空きブロックを確保して高いパフォーマンスを確保するためにガベージコレクション処理を実行し、その他いくつかのバックグラウンドタスクによって内部データアドレスが全く異なるものになります。

実際には、オペレーティングシステムは、データが配置されていると想定するデータアドレスのマップを1つ持っています。SSDはこれを論理マップと見なしますが、SSDはデータの実際の配置場所を反映した独自の物理マップを持っています。SSDは2つの別々のマップを管理し、オペレーティングシステムがデータにアクセスするたびにマップを参照または更新します。フラッシュ変換層（FTL）は、すべてのプロセスを調整します。

SSDは、マップの全部または一部をDDR2またはDDR3（通常）に保存します。DRAMはNANDよりもはるかに高速であるため、SSDはマップに素早くアクセスしてパフォーマンスを向上させます。DDR型メモリは電源が切れるとデータが失われますが、NANDは電源が切れてもデータを保存します。SSDはマップのコピーをNANDに保存することで、電源が切れてもマップが失われる可能性を低減します。（厳密に言えば、SSDはデータを失うのではなく、マップが失われるため、マップを見つけられなくなります。）

DRAM をなくすにはいくつかのアプローチがあります。しかし、その詳細な内部構造やアルゴリズムは企業秘密であるため、私たちが知っているのはほんの一部です。一般的な方法は、コントローラーに少量のメモリを組み込むことです。テストプールにある Phison S11 コントローラーは 32MB の SRAM をコントローラーに内蔵していますが、これは外付けモジュールと比較すると非常に小さなメモリ量です。その他の手法としては、フラッシュ変換層マップを圧縮する（基本的に複雑なスプレッドシートなので簡単に圧縮できます）か、マップの一部をシステムメモリ（HMB）にキャッシュする方法があります。SSD コントローラーはマップのわずか 8% にしか頻繁にアクセスしないため、パフォーマンスの低下を軽減する方法があります。

残念ながら、DRAMレスSSDには厄介な側面もあります。フラッシュメモリ上のマップを直接更新するには、小さなランダム書き込みが必要になり、SSDの耐久性を著しく低下させます。これは、耐久性の低い平面型2D TLC NANDフラッシュメモリでは特に厄介な問題です。昨年6月のComputexで、あるSSDベンダーが、定格耐久性を1年強で使い果たしてしまうOEM 2D TLC SSDについて語りました。ノートパソコンの1年間の保証期間があるため、SSDは1年間は持ちますが、1年を超えて使用した場合の故障はユーザーが修理しなければなりません。こうした戦略が、500ドルのノートパソコンに安価なDRAMレスSSDを搭載する原動力となっているのです。

技術仕様