Question

浅谈固态硬盘（SSD）

Answer 1

SSD的组成： 主控、闪存、缓存单元（RAM、SRAM、DRAM可选）

主控的作用： 1、前端实现标准接口，与主机通信（SATA、SAS、PCIe接口）； 2、后端实现与闪存的通信；3、运行SSD内部FTL算法

        SATA接口执行AHCI协议；PCIe执行NVMe协议；

闪存： 非易失性存储器，存储单元包括SLC、MLC、TLC（分别存储1bit、2bit、3bit数据）

         一个闪存有若干个Die（或者LUN）连接通道，每个Die有若干个Plane（常见的1、2、4个），每个Plane有若干个Block，每个Block有若干个Page，每个Page对应一个Wordline，每个Wordline有成千上万个存储单元组成

        闪存的功能：读、写、擦（不能覆盖写，要先擦除；擦除以Block为单位，读写以Page为单位）

        闪存的问题：1、闪存坏块 ；2、读干扰；3、写干扰；4、存储单元间的耦合；5、电荷泄露

SSD前端通信： 通过SATA、SAS和PCIe等接口与主机相连，实现对应的ATA、SCSI和NNMe等协议

SSD后端通信： 遵循ONFI或者Toggle协议，与闪存通信

FTL算法： 1、坏块管理；2、地址转换；3、垃圾回收；4、磨损均衡；5、读干扰处理；6、数据保持

        坏块管理：闪存天生有坏块、随着SSD的使用，坏块越来越多。坏块的症状是擦写失败或者读失败（ECC不能纠正数据错误），采用略过策略或替换机制。略过策略导致并行度不高，替换机制有木桶效应，受限于较差的Die

        地址转换：映射表，完成主机的逻辑地址到闪存的物理地址的转换，映射表大小一般是SSD容量的1/1024。映射表存放在主机内存、SSD半载DRAM（常用）、或内存中。映射的方式有三种：块映射、页映射、混合映射。块映射的特点是有较好的大尺寸读写性、较差的小尺寸数据的写性能。页映射的特点是有较好的读写性能，缺点是需要更多的空间存储映射表。混合映射所需空间和性能介于块映射和页映射之间。

        垃圾回收：垃圾是由于数据异地更新，原始数据无效产生的。垃圾回收是把一个或多个Block上的有效数据搬出来，集中写到某个空闲的的Block上，有效数据搬走后，擦除这些Block。垃圾回收会引起写放大（WA） 写放大会磨损闪存、占用带宽，还会磨损闪存，影响寿命，写放大越小越好。预留空间（OP）越大，写放大越小，OP越大，每个闪存块的有效数据越小，垃圾越多，重新写入的数据越少，写放大就越小。

        磨损均衡：闪存有寿命，每个闪存块擦写次数有限制，FTL要保证每个闪存块均衡写入。分为动态磨损平衡和静态磨损平衡，动态磨损平衡指将热数据写到年轻的块上；静态磨损平衡指将冷数据写到年老的块上（冷数据，不经常更新的数据；热数据，经常更新胡数据；年老块，擦写次数较多的闪存块；年轻块，擦写次数较少的闪存块）