SSD doldukça neden yavaşlar?

Bir SSD’nin kutusunda yazan yüksek hızlar, sürücünün her doluluk oranında aynı performansı sunacağı anlamına gelmiyor. Kapasitenin büyük bölümü kullanıldığında özellikle büyük dosya kopyalama, oyun kurma, arşiv çıkarma ve video işleme gibi yoğun yazma işlemlerinde hız düşebiliyor. Bunun nedeni yalnızca depolama alanının azalması değil; NAND flash belleğin çalışma biçimi, boş blokların tükenmesi ve SSD denetleyicisinin yeni veriye yer açmak için daha fazla işlem yapmak zorunda kalması.SSD neden verinin doğrudan üzerine yazamıyor?SSD’lerde veriler NAND flash adı verilen bellek yongalarında tutuluyor. NAND bellek, sayfalardan ve bu sayfaların bir araya gelmesiyle oluşan bloklardan meydana geliyor. Veriler sayfalara yazılabiliyor ancak tek bir sayfa bağımsız biçimde silinemiyor. Silme işlemi, çok sayıda sayfanın bulunduğu bloğun tamamında yaşandıriliyor.Yeni veya büyük ölçüde boş bir SSD’de denetleyici, gelen veriyi daha önce kullanılmamış sayfalara doğrudan yazabiliyor. Tamamen boş blok sayısı fazla olduğu için mevcut verileri taşımasına veya blokları yeniden düzenlemesine gerek kalmıyor.Sürücü doldukça tamamen boş blokların sayısı azalıyor. Denetleyici yeni bir veri yazmak istediğinde içinde hem geçerli hem de artık kullanılmayan sayfalar bulunan bloklarla karşılaşıyor. Bu durumda geçerli verilerin başka bir konuma taşınması, bloğun silinmesi ve yeni verilerle birlikte yeniden yazılması gerekiyor.SSD’nin arka planda yaptığı bu düzenleme işlemine çöp toplama, yani “garbage collection” adı veriliyor. Denetleyici bir taraftan bilgisayardan gelen yazma isteklerini işlerken diğer taraftan NAND üzerindeki verileri taşıyor ve boş blok hazırlıyor. Kullanılabilir alan azaldıkça bu işlemler daha sık gerçekleşiyor.Kullanıcının SSD’ye yazdığı veri miktarı ile NAND yongalarına fiziksel olarak yazılan veri miktarı da her zaman aynı olmuyor. Örneğin bilgisayar 1 GB veri gönderirken blokların yeniden düzenlenmesi nedeniyle NAND üzerine 1 GB’tan daha fazla veri yazılabiliyor. Bu durum “write amplification”, yani yazma yükseltmesi olarak adlandırılıyor.Yazma yükseltmesi arttığında hem performans düşüyor hem de NAND hücreleri daha fazla programlama ve silme döngüsüne maruz kalıyor. Etkinin büyüklüğü SSD’nin denetleyicisine, NAND türüne, boş alan miktarına ve yaşandırilen işleme göre değişiyor. Küçük ve rastgele dosyaların sürekli yazıldığı iş yükleri, büyük ve sıralı dosyalara kıyasla daha fazla blok düzenlemesi gerektirebiliyor.TRIM komutu, işletim sistemi tarafından silinen dosyaların SSD’ye bildirilmesini sağlıyor. Kullanıcı bir dosyayı sildiğinde işletim sistemi ilgili sayfaların artık gerekli olmadığını SSD denetleyicisine iletiyor. Denetleyici de bu alanları daha sonra temizlenebilecek sayfalar olarak işaretliyor.Dosyanın silinmesi, ilgili NAND bloğunun aynı anda fiziksel olarak temizlendiği anlamına gelmiyor. SSD, uygun bir zamanda geçerli verileri başka bloklara taşıyor ve kullanılmayan blokları siliyor. Sürücü neredeyse tamamen doluysa bu işlemler için kullanılabilecek geçici alan da daralıyor.Büyük miktarda dosya silindikten sonra performansın anında yükselmemesi bu nedenle mümkün. TRIM komutlarının işlenmesi ve çöp toplama işlemlerinin tamamlanması için SSD’nin bir süre düşük yük altında kalması gerekebiliyor. Bu sürecin ne kadar sürdüğü sürücünün denetleyicisine ve üretici yazılımına bağlı olarak değişiyor.SLC önbellek dolunca yazma hızı neden düşüyor?Güncel tüketici SSD’lerinin büyük bölümü, yazma performansını artırmak için NAND belleğin bir kısmını SLC önbellek olarak kullanıyor. TLC NAND hücre başına üç bit, QLC NAND ise hücre başına dört bit veri saklıyor. SLC modunda çalışan hücrelerde yalnızca bir bit tutulduğu için veri daha hızlı yazılıyor.Kullanıcı SSD’ye dosya kopyalarken veriler ilk olarak hızlı SLC önbelleğe yazılıyor. Sürücü daha sonra bu verileri arka planda normal TLC veya QLC biçimine dönüştürüyor. Ürün özelliklerinde belirtilen yüksek sıralı yazma hızları çoğunlukla bu önbellek aktifken elde ediliyor.Bazı SSD’lerde sabit boyutlu SLC önbellek bulunurken bazı modeller boş NAND kapasitesine göre büyüyüp küçülen dinamik önbellek kullanıyor. Dinamik yapı, boş SSD’de daha geniş bir alanı SLC moduna ayırabiliyor. Sürücü doldukça önbelleğe dönüştürülebilecek boş hücre sayısı azalıyor.Büyük bir dosya aktarımı sırasında SLC önbellek dolduğunda SSD doğrudan TLC veya QLC NAND üzerine yazmaya başlıyor. Yazma hızı bu noktada kullanılan NAND türüne ve SSD tasarımına göre belirgin biçimde düşebiliyor. Hızlı bir NVMe SSD birkaç gigabayt/saniye seviyesinden birkaç yüz megabayt/saniyeye inebilir. Bazı giriş seviyesi QLC modellerde uzun süreli yazma hızı 100 MB/s’nin altına da düşebilir.Bu nedenle aynı SSD, kısa bir dosya kopyalama işleminde çok hızlı çalışırken yüzlerce gigabaytlık aktarımda daha düşük ve dalgalı hızlar gösterebilir. SSD’nin boş olduğu dönemde büyük olan dinamik önbellek, kapasite doldukça daha erken tükenir.SSD doluluğu bütün işlemleri aynı ölçüde etkilemiyor. Daha önce yazılmış büyük bir dosyanın sıralı okunması, sürücü doluyken de yüksek hızda gerçekleşebilir. En belirgin performans kaybı yazma işlemlerinde, küçük dosyalarda ve okuma ile yazmanın aynı anda yürütüldüğü karma iş yüklerinde yaşanıyor.Çöp toplama sırasında NAND kanalları arka plan işlemleri için de kullanılıyor. Kullanıcı aynı anda program açtığında, dosya belirttiğinde veya oyun yüklediğinde komutların bekleme süresi uzayabiliyor. Ortalama aktarım hızı çok fazla değişmese bile gecikme sıçramaları ve kısa süreli takılmalar ortaya çıkabiliyor.SSD’nin denetleyicisi, işletim sisteminin kullandığı mantıksal adresleri NAND üzerindeki fiziksel konumlarla eşleştiren Flash Translation Layer adlı sistemi yönetiyor. Aynı mantıksal adres zaman içinde farklı NAND hücrelerine taşınabiliyor. Çöp toplama, aşınma dengeleme ve hatalı blok yönetimi bu yapı üzerinden yürütülüyor.DRAM belleğe sahip SSD’ler, adres eşleme tablolarının önemli bölümünü hızlı bellekte tutabiliyor. DRAM bulunmayan SSD’ler ise bu tablolar için NAND’a veya NVMe modellerde sistem belleğinin küçük bir bölümünü kullanan Host Memory Buffer teknolojisine daha fazla bağımlı kalıyor. DRAM’siz modellerde yoğun ve rastgele yazma işlemlerindeki gecikme daha belirgin olabilir.SSD’de ne kadar boş alan bırakılmalı?SSD üreticileri NAND kapasitesinin belirli bölümünü kullanıcının erişemeyeceği şekilde ayırıyor. Over-provisioning adı verilen bu yedek alan; çöp toplama, aşınma dengeleme, bozuk hücrelerin değiştirilmesi ve boş blok oluşturulması için kullanılıyor.Kurumsal SSD’lerde bu alan genellikle tüketici modellerine göre daha geniş tutuluyor. Daha yüksek over-provisioning, kullanılabilir kapasiteyi azaltırken uzun süreli yazma performansının ve dayanıklılığın daha istikrarlı kalmasını sağlıyor.Kullanıcının diskte boş bıraktığı alan da denetleyicinin çalışmasını kolaylaştırıyor. Bütün SSD’ler için geçerli kesin bir doluluk sınırı bulunmuyor. NAND türü, önbellek tasarımı, denetleyici, kapasite ve üreticinin ayırdığı yedek alan nedeniyle her model farklı davranabiliyor.Günlük kullanımda SSD’nin yaklaşık yüzde 10 ila 20’sini boş bırakmak, dinamik SLC önbellek ve blok düzenleme işlemleri için daha geniş bir alan sağlıyor. Sürekli video işlenen, büyük dosyalar taşınan veya sanal makineler çalıştırılan sistemlerde boş alanın üst sınıra yakın tutulması daha dengeli sonuç verebilir.SSD’nin yüzde 90 doluluğa ulaşması mutlaka aniden yavaşlayacağı anlamına gelmiyor. Bazı modeller bu seviyede performansını büyük ölçüde korurken bazıları uzun süreli yazmalarda daha erken hız kaybedebiliyor. Sürücünün sürekli yüzde 95 ile yüzde 100 arasında kullanılması ise denetleyicinin boş blok bulmasını zorlaştırıyor.İşletim sisteminin kurulu olduğu SSD’de alanın tükenmesi, NAND performansının dışında başka sorunlar da oluşturuyor. Windows; güncelleme dosyaları, geçici veriler, uygulama önbellekleri, kurtarma noktaları ve sanal bellek için disk alanı kullanıyor. Yeterli boş alan kalmadığında güncellemeler kurulamayabilir, uygulamalar geçici dosya oluşturamayabilir ve sayfa dosyası gerektiğinde büyüyemeyebilir.SSD üzerindeki gereksiz oyunları, eski kurulum dosyalarını, büyük video arşivlerini ve geçici dosyaları kaldırmak boş blok havuzunun yeniden oluşmasına yardımcı oluyor. Dosyalar silindikten sonra işletim sisteminin TRIM işlemini tamamlaması ve denetleyicinin arka planda temizlik yapması için sürücünün bir süre yoğun yük altında bırakılmaması gerekebilir.SSD’yi klasik bir sabit disk gibi düzenli olarak birleştirmek gerekli değil. Mekanik disklerde dosyaların yan yana taşınması okuma kafasının hareketini azaltıyor. SSD’de ise fiziksel veri konumu aynı gecikme sorununu oluşturmuyor ve gereksiz tam birleştirme işlemleri NAND üzerine ek veri yazıyor.Windows’un sürücü optimizasyon aracı SSD’lerde temel olarak TRIM ve yeniden TRIM işlemlerini kullanıyor. Klasik sabit disklerde uygulanan düzenli tam birleştirme işlemi SSD’lere aynı biçimde uygulanmıyor. Kullanıcıların üçüncü taraf yazılımlarla sürekli SSD birleştirmesi yapması gerekmiyor.SATA ve NVMe SSD’lerde NAND’ın temel çalışma biçimi aynı. NVMe bağlantısı daha yüksek bant genişliği sunduğu için SLC önbellek aktifken çok daha yüksek hızlara ulaşıyor. Önbellek tükendiğinde başlangıç ile sürekli yazma hızı arasındaki fark daha görünür hâle geliyor.SATA SSD’lerde bağlantı arayüzü yaklaşık 550 MB/s seviyesinde sınır oluşturuyor. Bazı TLC SATA modeller, önbellek bittikten sonra da bu sınıra yakın hızları koruyabiliyor. Giriş seviyesi veya QLC tabanlı modellerde ise hız SATA arayüzü sınırının çok altına düşebiliyor.SSD seçerken yalnızca kutuda yazan azami okuma ve yazma hızlarına bakmak yeterli değil. SLC önbellek tükendikten sonraki sürekli yazma hızı, kullanılan NAND türü, DRAM bulunup bulunmadığı ve sürücünün doluyken gösterdiği performans da uzun süreli kullanımda doğrudan etkili oluyor.