固態(tài)硬盤，英文名Solid State Disk或Solid State Drive，是一種以存儲器作為永久性存儲器的電腦存儲設(shè)備。雖然SSD已不是使用“碟盤”來記存數(shù)據(jù)，也沒有用于“驅(qū)動”的馬達(dá)，但是人們依照命名習(xí)慣，仍然稱為固態(tài)硬盤或固態(tài)驅(qū)動器。固態(tài)硬盤分易失性與非易失性兩種，我們著重研究更適合作為傳統(tǒng)硬盤替代品的非易失性固態(tài)硬盤。非易失性固態(tài)硬盤中數(shù)據(jù)的存取主要由NAND Flash及其主控芯片來實(shí)現(xiàn)，沒有活動的機(jī)械部件，為純芯片結(jié)構(gòu)。
一,SSD的歷史背景

1967.貝爾實(shí)驗(yàn)室的韓裔工程師姜大元和華裔工程師施敏發(fā)明了浮柵晶體管(Floating Gate Transistor) .

20世紀(jì)70年代,出現(xiàn)以RAM(內(nèi)存芯片)為組裝的SSD.缺點(diǎn)：體積大,容量小,掉電丟失數(shù)據(jù).

1999年,BiTMICRO發(fā)布18GB的閃存SSD. RAM逐漸被閃存替代.

2003年,SSD開始被存儲行業(yè)所熟知,各大存儲廠商開始研究SSD.

2006年,三星發(fā)布32G的SSD,NextCom推出以SSD為存儲的筆記本.

2007年,SSD的讀寫帶寬和隨機(jī)IOPS性能超越HDD,SSD和HDD的競爭正式開始.

2008年,全球SSD廠商突破100家,SanDisk成為全球SSD領(lǐng)頭羊.

2009年,SSD容量超越HDD,各大廠商開始推出以TB為容量的SSD.

2010年,全球SSD市場達(dá)到10億美元.企業(yè)級以SLC為主,消費(fèi)級開始走向MLC.

2013年,企業(yè)級PCIE的SSD問世,容量大,速度快,數(shù)據(jù)掉電保護(hù),SSD開始在協(xié)議上引發(fā)技術(shù)革命.

2015年,東芝發(fā)布了48層16GB的3D閃存樣品,西部數(shù)據(jù)190億美金收購Sandisk.

2016年,企業(yè)級SSD開始出現(xiàn)快速的技術(shù)更新,支持PCIE 4.0的SSD問世.

2020年,全球SSD出貨量超越了HDD,HDD開始走向大容量發(fā)展的道路.

二 SSD常見的形態(tài)

NAND是半導(dǎo)體存儲顆粒的一種（還有其他的種類，比如NOR）， 簡單來說，NAND可以視作是由很多很多個(gè)電容器組成的集成電路。制造NAND和制造CPU處理器類似，都是使用高純度硅，切割成晶圓之后使用光刻機(jī)和化學(xué)溶劑將設(shè)計(jì)好的電路蝕刻上去，然后用金屬材料“鑲嵌”制作而成的。這樣做出來的是一個(gè)布滿NAND芯片的晶圓。將晶圓切開，然后對切割后的芯片精心挑選測試，封裝后就可以出廠了。雖然整個(gè)工藝雖然和制造CPU類似，但是電路等方面還是簡單不少的

常見的企業(yè)級SSD有SATA,NVME這兩種。隨著PCIE的不斷提速，nvme的SSD產(chǎn)量越來越高，SATA的SSD在逐步減少。本文重點(diǎn)介紹NVME的SSD

三 SSD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SSD主要由控制單元和存儲單元（當(dāng)前主要是FLASH閃存顆粒）組成，控制單元包括SSD控制器、主機(jī)接口、DRAM等，存儲單元主要是NAND FLASH顆粒。


主機(jī)接口：主機(jī)訪問SSD的協(xié)議和物理接口，常用的有SATA、SAS和PCIE等。

SSD控制器：負(fù)責(zé)主機(jī)到后端介質(zhì)的讀寫訪問和協(xié)議轉(zhuǎn)換，表項(xiàng)管理、數(shù)據(jù)緩存及校驗(yàn)等，是SSD的核心部件。

DRAM：FTL表項(xiàng)和數(shù)據(jù)的緩存，以提供數(shù)據(jù)訪問性能。

NAND FLASH：數(shù)據(jù)存儲的物理器件載體。
四 SSD的讀寫原理

SSD的內(nèi)部構(gòu)造比較簡單，一般是主控和NAND這兩大部分。下面我看看SSD是如何工作的

SSD主控通過若干個(gè)通道（channel）并行操作多塊FLASH顆粒，類似RAID0，大大提高底層的帶寬。舉個(gè)例子，假設(shè)主控與FLASH顆粒之間有8個(gè)通道，每個(gè)通道上掛載了一個(gè)閃存顆粒，HOST與FLASH之間數(shù)據(jù)傳輸速率為200MB/s。該閃存顆粒Page大小為8KB，F(xiàn)LASH page的讀取時(shí)間為Tr=50us，平均寫入時(shí)間為Tp=800us，8KB數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為Tx=40us。那么底層讀取最大帶寬為（8KB/(50us+40us)）*8 = 711MB/s，寫入最大帶寬為 (8KB/(800us+40us))*8 = 76MB/s。從上可以看出，要提高底層帶寬，可以增加底層并行的顆粒數(shù)目，也可以選擇速度快的FLASH顆粒（或者讓速度慢的顆粒變快，比如MLC配成SLC使用)。

我們以8通道為例，來講講HOST怎么讀寫SSD。主控通過8通道連接8個(gè)FLASH DIE，為方便解釋，這里只畫了每個(gè)DIE里的一個(gè)Block，其中每個(gè)小方塊表示一個(gè)Page （假設(shè)大小為4KB）。

HOST寫入4KB數(shù)據(jù)

HOST繼續(xù)寫入16KB數(shù)據(jù)

HOST繼續(xù)寫入，最后整個(gè)Block都寫滿

當(dāng)所有Channel上的Block都寫滿的時(shí)候，SSD主控會挑選下一個(gè)Block以同樣的方式繼續(xù)寫入。

HOST是通過LBA（Logical Block Address，邏輯地址塊）訪問SSD的，每個(gè)LBA代表著一個(gè)Sector（一般為512B大?。?，操作系統(tǒng)一般以4K為單位訪問SSD，我們把HOST訪問SSD的基本單元叫用戶頁（Host Page）。而在SSD內(nèi)部，SSD主控與FLASH之間是FLASH Page為基本單元訪問FLASH的，我們稱FLASH Page為物理頁（Physical Page）。HOST每寫入一個(gè)Host Page, SSD主控會找一個(gè)Physical Page把Host數(shù)據(jù)寫入，SSD內(nèi)部同時(shí)記錄了這樣一條映射（Map）。有了這樣一個(gè)映射關(guān)系后，下次HOST需要讀某個(gè)Host Page 時(shí)，SSD就知道從FLASH的哪個(gè)位置把數(shù)據(jù)讀取上來。

SSD內(nèi)部維護(hù)了一張映射表（Map Table），HOST每寫入一個(gè)Host Page，就會產(chǎn)生一個(gè)新的映射關(guān)系，這個(gè)映射關(guān)系會加入（第一次寫）或者更改（覆蓋寫）Map Table；當(dāng)讀取某個(gè)Host Page時(shí)， SSD首先查找Map Table中該Host Page對應(yīng)的Physical Page，然后再訪問Flash讀取相應(yīng)的Host數(shù)據(jù)。

由于閃存頁和邏輯頁大小不同，一般前者大于后者，所以實(shí)際上不會是一個(gè)邏輯頁對應(yīng)一個(gè)物理頁，而是若干個(gè)邏輯頁寫在一個(gè)物理頁中，邏輯頁其實(shí)是和子物理頁一一對應(yīng)的。

一張映射表有多大呢？

這里假設(shè)我們有一個(gè)256GB的SSD，以4KB大小的邏輯頁為例，那么用戶空間一共有64M（256GB/4KB）個(gè)邏輯頁，也就意味著SSD需要有能容納64M條映射關(guān)系的映射表。映射表中的每個(gè)單元（entry）存儲的就是物理地址（Physical Page Address），假設(shè)其為4字節(jié)（32bits），那么整個(gè)映射表的大小為64M×4B=256MB。一般來說，映射表大小為SSD容量大小的千分之一。

準(zhǔn)確來說，映射表大小是SSD容量大小的1/1024。前提條件是：映射頁大小為4KB，物理地址用4Byte表示。這里假設(shè)了SSD內(nèi)部映射粒度等于邏輯頁大小，當(dāng)然它們可以不一樣。對于絕大多數(shù)SSD，我們可以看到上面都有板載DRAM，其主要作用就是存儲這張映射表，如圖4-7所示。在SSD工作時(shí)，全部或絕大部分的映射表都可以放在DRAM上，映射關(guān)系可以快速訪問。

對絕大多數(shù)SSD，我們可以看到上面都有板載DRAM，其主要作用就是用來存儲這張映射表。也有例外，比如基于Sandforce主控的SSD，它并不支持板載DRAM，那么它的映射表存在哪里呢？SSD工作時(shí)，它的絕大部分映射是存儲在FLASH里面，還有一部分存儲在片上RAM上。當(dāng)HOST需要讀取一筆數(shù)據(jù)時(shí)，對有板載DRAM的SSD來說，只要查找DRAM當(dāng)中的映射表，獲取到物理地址后訪問FLASH從而得到HOST數(shù)據(jù).這期間只需要訪問一次FLASH；而對Sandforce的SSD來說，它首先看看該Host Page對應(yīng)的映射關(guān)系是否在RAM內(nèi)，如果在，那好辦，直接根據(jù)映射關(guān)系讀取FLASH；如果該映射關(guān)系不在RAM內(nèi)，那么它首先需要把映射關(guān)系從FLASH里面讀取出來，然后再根據(jù)這個(gè)映射關(guān)系讀取Host數(shù)據(jù)，這就意味著相比有DRAM的SSD，它需要讀取兩次FLASH才能把HOST數(shù)據(jù)讀取出來，底層有效帶寬減半。對HOST隨機(jī)讀來說，由于片上RAM有限，映射關(guān)系Cache命中(映射關(guān)系在片上RAM)的概率很小，所以對它來說，基本每次讀都需要訪問兩次FLASH，所以我們可以看到基于Sandforce主控的SSD隨機(jī)讀取性能是不太理想的。


當(dāng)整個(gè)SSD寫滿后，從用戶角度來看，如果想寫入新的數(shù)據(jù)，則必須刪除一些數(shù)據(jù)，然后騰出空間再寫。用戶在刪除和寫入數(shù)據(jù)的過程中，會導(dǎo)致一些Block里面的數(shù)據(jù)變無效或者變老。由于閃存不能覆蓋寫，閃存塊需擦除才能寫入。主機(jī)發(fā)來的某個(gè)數(shù)據(jù)塊，它不是寫在閃存固定位置，SSD可以為其分配任何可能的閃存空間寫入。因此，SSD內(nèi)部需要FTL這樣一個(gè)東西，完成邏輯數(shù)塊到閃存物理空間的轉(zhuǎn)換或者映射。

Block中的數(shù)據(jù)變老或者無效，是指沒有任何映射關(guān)系指向它們，用戶不會訪問到這些FLASH空間，它們被新的映射關(guān)系所取代。比如有一個(gè)Host Page A，開始它存儲在FLASH空間的X,映射關(guān)系為A->X。后來，HOST重寫了該Host Page，由于FLASH不能覆蓋寫，SSD內(nèi)部必須尋找一個(gè)沒有寫過的位置寫入新的數(shù)據(jù)，假設(shè)為Y，這個(gè)時(shí)候新的映射關(guān)系建立：A→Y，之前的映射關(guān)系解除，位置X上的數(shù)據(jù)變老失效，我們把這些數(shù)據(jù)叫垃圾數(shù)據(jù)。

隨著HOST的持續(xù)寫入，F(xiàn)LASH存儲空間慢慢變小，直到耗盡。如果不及時(shí)清除這些垃圾數(shù)據(jù)，HOST就無法寫入。SSD內(nèi)部都有垃圾回收機(jī)制，它的基本原理是把幾個(gè)Block中的有效數(shù)據(jù)（非垃圾數(shù)據(jù)，上圖中的綠色小方塊表示的）集中搬到一個(gè)新的Block上面去，然后再把這幾個(gè)Block擦除掉，這樣就產(chǎn)生新的可用Block了。

上圖中，Block x上面有效數(shù)據(jù)為A,B,C，Block y上面有效數(shù)據(jù)為D,E,F,G，紅色方塊為無效數(shù)據(jù)。垃圾回收機(jī)制就是先找一個(gè)未寫過的可用Block z，然后把Block x和Block y的有效數(shù)據(jù)搬移到Block z上面去，這樣Block x和Block y上面就沒有任何有效數(shù)據(jù)，可以擦除變成兩個(gè)可用的Block。

一塊剛買的SSD，你會發(fā)現(xiàn)寫入速度很快，那是因?yàn)橐婚_始總能找到可用的Block來進(jìn)行寫入。但是，隨著你對SSD的使用，你會發(fā)現(xiàn)它會變慢。原因就在于SSD寫滿后，當(dāng)你需要寫入新的數(shù)據(jù)，往往需要做上述的垃圾回收：把若干個(gè)Block上面的有效數(shù)據(jù)搬移到某個(gè)Block，然后擦掉原先的Block，然后再把你的Host數(shù)據(jù)寫入。這比最初單純的找個(gè)可用的Block來寫耗時(shí)多了，所以速度變慢也就可以理解了。

還是以上圖為例。假設(shè)HOST要寫入4KB數(shù)據(jù) (H) ，由于當(dāng)前可用Block過少，SSD開始做垃圾回收。從上圖可以看出，對Block x來說，它需要把Page A,B,C的數(shù)據(jù)讀出并寫入到Block z，然后Block x擦除用于HOST數(shù)據(jù)寫入。從Host角度，它只寫了4KB數(shù)據(jù)，但從SSD內(nèi)部來說，它實(shí)際寫入了4個(gè)Page（Page A, B, C寫入Block z，4KB數(shù)據(jù)H寫入到Block x）

2008年，Intel公司和SiliconSystems公司（2009 年被西部數(shù)字收購）第一次提出了寫入放大（Write Application）并在公開稿件里用到這個(gè)術(shù)語。

在上面例子中，Host寫了4KB數(shù)據(jù)，閃存寫了4個(gè)4KB數(shù)據(jù)，所以上面例子中寫放大為4。

假設(shè)一個(gè)SSD，底下所有FLASH容量為256GB，開放給用戶使用也是256GB，那么問題就來了。想象一個(gè)場景，HOST持續(xù)寫滿整個(gè)SSD，接著刪除一些文件，寫入新的文件數(shù)據(jù)，試問新的數(shù)據(jù)能寫入嗎？在SSD底層，如果要寫入新的數(shù)據(jù)，必須要有可用的空閑Block，但由于之前256GB空間已經(jīng)被HOST數(shù)據(jù)占用了，根本就沒有空閑Block來寫你的數(shù)據(jù)。不對，你剛才不是刪了一些數(shù)據(jù)嗎？你可以垃圾回收呀。不錯(cuò)，但問題來了，在上面介紹垃圾回收的時(shí)候，我們需要有Block z來寫回收來的有效數(shù)據(jù)，我們這個(gè)時(shí)候連Block z都找不到，談什么垃圾回收？所以，最后是用戶寫失敗。

上面這個(gè)場景至少說明了一點(diǎn)，SSD內(nèi)部需要預(yù)留空間（需要有自己的小金庫，不能工資全部上繳），這部分空間HOST是看不到的。這部分預(yù)留空間，不僅僅用以做垃圾回收，事實(shí)上，SSD內(nèi)部的一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)，也需要預(yù)留空間來存儲，比如前面說到的映射表（Map Table），比如SSD固件，以及其它的一些SSD系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)。

一般從HOST角度來看，1GB= 1,000,000,000Byte，從底層FLASH角度，1GB=1102410241024Byte。256GB FLASH 為256(2^30) Byte，而一般說的256GB SSD 容量為256*(10^9) Byte，這樣，天然的有（256*(2^30)-256*(109)）/(256*(10^9)) = 7.37%的OP。如果把256GB Flash容量的SSD配成240GB的，那么它的OP是多大呢？ （256*(2^30)-240*(109)）/(240*(10^9)) = 14.5%

除了滿足基本的使用要求外，OP變大有什么壞處或者好處呢？壞處很顯然，用戶能使用的SSD容量變小。那么好處呢？

回到垃圾回收原理來。

再看一下這張圖?；厥誃lock x，上面有3個(gè)有效Page，需要讀寫3個(gè)Page完成整個(gè)Block的回收；而回收Block y時(shí)，則需要讀寫4個(gè)有效Page。兩者相比，顯然回收Block x比回收Block y快一些。說明一個(gè)簡單的道理：一個(gè)Block上有效的數(shù)據(jù)越少（垃圾數(shù)據(jù)越多），則回收速度越快。

256GB FLASH配成256GB的SSD （OP = 7.37%）, 意味著256*(10^9)的有效數(shù)據(jù)寫到 256*(2^{30)的空間，每個(gè)Block上面的平均有效數(shù)據(jù)率可以認(rèn)為是256*(10}9)/256*(2^30) = 93.1%。

如果配成240GB的SSD，則意味著240*(10^{9)的有效數(shù)據(jù)寫到256*(2}30)的空間，每個(gè)Block的平均有效數(shù)據(jù)率為240*(10^9)/256*(230) = 87.3%。 OP越大，每個(gè)Block平均有效數(shù)據(jù)率越小，因此我們可以得出的結(jié)論：

OP越大，垃圾回收越快，寫放大越小。這就是OP大的好處。

寫放大越小，意味著寫入同樣多的HOST數(shù)據(jù)，寫入到FLASH中的數(shù)據(jù)越少，也就意味著FLASH損耗越小。FLASH都是有一定壽命的，它是用P/E數(shù) (Program/Erase Count)來衡量的。如果SSD集中對某幾個(gè)Block進(jìn)行擦寫，那么這幾個(gè)Block很快就壽命耗盡。比如在用戶空間，有些數(shù)據(jù)是頻繁需要更新的，那么這些數(shù)據(jù)所在Block就需要頻繁的進(jìn)行擦寫，這些Block的壽命就可能很快的耗盡。相反，有些數(shù)據(jù)用戶是很少更新的，比如一些只讀文件，那么這些數(shù)據(jù)所在的Block擦寫的次數(shù)就很少。隨著用戶對SSD的使用，就會形成一些Block有很高的PE數(shù)，而有些Block的PE數(shù)卻很低的。這不是我們想看到的，我們希望所有Block的PE數(shù)都應(yīng)該差不多，就是這些Block被均衡的使用。在SSD內(nèi)部，有一種叫磨損平衡（Wear Leveling，WL）的機(jī)制來保證這點(diǎn)。

一個(gè)閃存塊壽命有多長呢？從SLC十幾萬的擦寫次數(shù)，到MLC幾千的擦寫次數(shù)，然后到TLC的一兩千次甚至幾百次擦寫次數(shù)，隨著閃存工藝不斷向前推，閃存的壽命越來越短，SSD對磨損平衡的處理要求也越來越高，如下所示。

WL有兩種算法：動態(tài)WL和靜態(tài)WL。所謂動態(tài)WL，就是在使用Block進(jìn)行擦寫操作的時(shí)候，優(yōu)先挑選PE 數(shù)低的；所謂靜態(tài)WL，就是把長期沒有修改的老數(shù)據(jù)（如前面提到的只讀文件數(shù)據(jù)）從PE數(shù)低的Block當(dāng)中搬出來，然后找個(gè)PE 數(shù)高的Block進(jìn)行存放，這樣，之前低PE數(shù)的Block就能拿出來使用

假設(shè)有一個(gè)SSD里有4096個(gè)閃存塊，擦寫次數(shù)為10000次，其中2.5%為備用區(qū)。現(xiàn)在我寫入三個(gè)文件，每個(gè)文件占據(jù)了50個(gè)塊的容量，每10分鐘更新其中一個(gè)文件，如果沒有WL的話，那就是全盤只有前200(3個(gè)數(shù)據(jù)塊3*50，+ 一個(gè)搬運(yùn)數(shù)據(jù)塊50)個(gè)塊在做擦寫操作了。那么可以計(jì)算它的壽命大概是

如果做了WL呢

可以看到 做磨損平衡之后。SSD的壽命能延長很多文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-684027.html

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