About SSD

Dongjun ShinSamsung Electronics

Outline SSD primer Optimal I/O for SSD Benchmarking Linux FS on SSD Case study: ext4, btrfs, xfs Design consideration for SSD What’s next?

New interfaces for SSD Parallel processing of small I/O

SSD Primer (1/2) Physical unit of flash memory

PageNAND – unit for read & write BlockNAND – unit for erase (a.k.a erasable block)

Physical characteristics Erase before re­write Sequential write within an erasable block

LBA space(visible to OS)

Flash memory space

NAND page (2­4kB) NAND block = 64­128 NAND pages

Flash Translation Layer

SSD Primer (2/2) Internal organization: 2­dimensional (NxM parallelism)

Similar to RAID­0 (stripe size = sector or pageNAND) Effective page & block size is multiplied by NxM (max)

SSDControllerrunning

F/W(FTL)

Host I/F(ex. SATA)

N­channel(striping)

M­way (pipelining)

0 4 8 1232 36 40 44

1 5 9 1333 37 41 45

2 6 10 1434 38 42 46

3 7 10 1535 39 43 47

16 20 24 2848 52 56 60

17 21 25 2949 53 57 61

18 22 26 3050 54 58 62

Ch0

Ch1

Ch2

Ch3

Chip0 Chip1 Chip2 Chip3

32 36 40 4464 68 72 76

48 52 56 6080 84 88 92

Optimal I/O for SSD Key points

Parallelism• The larger the size of I/O request, the better

Match with physical characteristics• Alignment with page or block size of NAND*• Segmented sequential write (within an erasable block)

What about Linux? HDD also favors larger I/O  read­ahead, deferred aggregated write Segmented FS layout  good if aligned with erasable block boundary Write optimization  FS dependent (ex. allocation policy)

* Usually, partition layout is not aligned (1st partition at LBA 63)

Test environment (1/2) Hardware

Intel Core 2 Duo E6550@2.33GHz, 1GB RAM Software

Fedora 7 (Kernel 2.6.24) Benchmark: postmark

Filesystems No journaling ­ ext2 Journaling ­ ext3, ext4, reiserfs, xfs

• ext3, ext4: data=writeback,barrier=1[,extents]• xfs: logbsize=128k

COW, log­structured ­ btrfs (latest unstable, 4k block), nilfs (testing­8) SSD

Vendor M (32GB, SATA): read 100MB/s, write 80MB/s Test partition starts at LBA 16384 (8MB, aligned)

Test environment (2/2) Postmark workload

Ref: Evaluating Block­level Optimization through the IO Path (USENIX 2007)

9G/17G9.7G/12G600M/1.8G630M/755M*

Total appread/write

10,0004,2500.1­3MLL10,0001,0000.1­3MLS100,000100,0009­15KSL100,00010,0009­15KSS

# of transaction

# of file (work­set)

File sizeWorkload

* Mostly write­only

Benchmark results (1/2) Small file size (SS, SL)

SS SL0

500

1000

1500

2000

2500

ext2 ext3 ext4 reiserfs xfs btrfs nilfs

trans

actio

n/se

c

Benchmark results (2/2) Large file size (LS, LL)

LS LL0

5

10

15

20

25

30

ext2 ext3 ext4 reiserfs xfs btrfs nilfs

trans

actio

n/se

c

I/O statistics (1/2) Average size of I/O

0

20

40

60

80

100

120

140

SS SL LS LL SS SL LS LL

read write

Avg 

I/O s

ize 

(Kby

tes)

ext2 ext3 ext4 reiserfs xfs btrfs nilfs

I/O statistics (2/2) Segmented sequentiality of write I/O (segment: 1MB)

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

10.00%

12.00%

14.00%

16.00%

18.00%

20.00%

SS SL LS LL

ext2 ext3 ext4 reiserfs xfs btrfs nilfs

100% 100% 100% 100%

Case study ­ ext4 Condition

data=ordered, allocation: default/noreservation/oldalloc

0

200

400

600

800

1000

1200

SS SL

trans

actio

n/se

c

ext4­wb ext4­ord ext4­nores ext4­olda

1. Almost no difference between allocation policies2. Why data=ordered is better for SL?

Case study ­ btrfs Condition

Block size: 4k/16k, allocation: ssd option on/off

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

SS SL LS LL

trans

actio

n/se

c

btrfs­4k btrfs­16k btrfs­ssd­4k

1. 4k is better than 16k(sequentiality = 12% : 2%)2. ssd option is effective(10­40% improvement)

Case study ­ xfs Condition

Mount with barrier on/off

0

100

200

300

400

500

600

700

800

SS SL LS LL

trans

actio

n/se

c

xfs­bar xfs­nobar

Large barrier overhead...

Design consideration for SSD Lessons from flash FS (ex. logfs)

Sequential writing at multiple logging points Wandering tree

• Trace­off between sequentiality vs. amount of write• Cf. space map (Sun ZFS)

Need to optimize garbage collection overhead• Either FS itself or FTL in SSD

Next topic: End­to­end optimization Exchange info with SSD (trim, SSD identification) Make best use of parallelism

New interfaces for SSD (t13.org) Trim command

Let device know which LBA range is not used• This will be helpful for optimizing FTL

Should be passed through: FS  bio  scsi  libata• Passing bio with no data• What about I/O reordering & I/O queuing?

SSD identification (added to “ATA identify”) Report size of page and erasable block

• Physical or effective? Useful for FS and volume manager

Parallel processing of small I/O Make better use of  I/O queuing (TCQ or NCQ)

Parallel processing of small I/O Desktop environment? Barrier?

A B C D A B C D

AB,C

D

without I/O queuing, 4 steps with I/O queuing, 2 steps

requestqueue

AB,C

D

Ch0

Ch1

Ch2

Ch3

Ch0

Ch1

Ch2

Ch3

chip is busy chip is idle

1 2 3 4 1 2

Summary Optimization for SSD

Alignment is important Segmented sequentiality Make better use of parallelism (either small or large)

• I/O barrier may stall the pipelined processing

What can you do? File system: alignment, allocation policy, design (ex. COW) Block layer: bio w/ hint, barrier, I/O queueing, scheduler(?) Volume manager: alignment, allocation Virtual memory: read­ahead

References T13 spec for SSD

http://www.t13.org/documents/UploadedDocuments/docs2007/e07153r0­Soild_State_Drive_Identify_Proposal.doc http://www.t13.org/documents/UploadedDocuments/docs2007/e07154r0­Notification_for_Deleted_Data_Proposal_for_ATA­ACS2.doc

Introduction to SSD and flash memory http://download.microsoft.com/download/a/f/d/afdfd50d­6eb9­425e­84e1­b4085a80e34e/WNS­T432_WH07.pptx http://download.microsoft.com/download/d/f/6/df6accd5­4bf2­4984­8285­f4f23b7b1f37/WinHEC2007_Micron_NAND_FlashMemory.doc http://download.microsoft.com/download/a/f/d/afdfd50d­6eb9­425e­84e1­b4085a80e34e/SS­S486_WH07.pptx

FTL description & optimization BPLRU: A Buffer Management Scheme for Improving Random Writes 

in Flash Storage (FAST ’08)

Appendix. I/O Pattern SS workload – ext4, xfs

Appendix. I/O Pattern SS workload – btrfs, nilfs

Appendix. I/O Pattern SL workload – ext4, xfs

Appendix. I/O Pattern SL workload – btrfs, nilfs

Appendix. I/O Pattern LS workload – ext4, reiserfs, xfs

Appendix. I/O Pattern LS workload – btrfs, nilfs

Appendix. I/O Pattern LL workload – ext4, reiserfs, xfs

Appendix. I/O Pattern LL workload – btrfs, nilfs