关于硬盘写入读取的寿命的疑问（主要针对NAND Flash）

       由于媒体长时间的报道，以及对MLC颗粒与SLC颗粒在读写次数限制的渲染，使得很多用户对现在众多使用MLC颗粒SSD产品的寿命问题非常关注； 实际上在不同的应用领域，如Windows日常应用、服务器应用又或者其它专业用途，就算是同一款SSD产品也会有不同的寿命表现。一般来说，读写操作的比率(操作频率)、写入数据块的大小、写入数据的相关性乃至于SSD产品的容量等都会对寿命产生影响。 

• 数据的读写比例 

        在日常使用中，我们对硬盘的访问总是读写操作掺杂在一起的，不同的应用需求所产生的读写比例也是不一样的。例如VoD点播系统，Web Server(网络服务器)、Search Engine(搜索引擎)这一类的应用，读数据的操作占了绝大多数，写操作非常少。而对于另外一些在线服务器、数据服务器、文件服务器以及邮件服务器等，其读写比例比较固定，大约是3∶1，即写入操作占到总IO比重的25%。对于视频监控、备份服务器、Log(日志)服务器以及数据采集系统等，它们的写操作占了绝大多数，读取只在少数时间发生。 

        具体到个人计算机、通用服务器之类的用途，读写比例都是视情况而定，这与用户的使用习惯关系非常密切。一般的统计结果，个人用户对硬盘的读写操作比例大约是3∶1～5∶1之间。而且在可能的情况下，尽量优化写入策略，合并一些不必要的写入操作对延长SSD寿命有着重要作用。 

• 写入数据块的大小 

        无论是SSD还是HDD，在进行文件管理时并不是直接由操作系统管理每一个数据存储位置；而是控制IC将若干个空间看成一个数据簇，对于操作系统来说最小的数据单位就是一个簇。以我们常用的HDD为例，在NTFS文件分区模式下，一个数据簇的大小为4KB或者8KB。也就是说，哪怕一个文件只含有1个字节它也要占用4KB的存储空间；且这种数据管理方式具有唯一性，一旦某个数据簇被使用，其它文件就无权再调用该数据簇。对于HDD来说，因为每个磁碟面只有一个读写磁头，即便这种簇管理方式会浪费一些空间，也不会造成太大的影响，况且每个簇也不会有读写次数的限制。 


多通道技术实际上是在不同的颗粒之间展开的，我们可以形象地将其理解为一种“RAID 0”技术 

        对于SSD产品来说，情况就不一样了，因为NAND Flash的管理方式是按照“页(Page)”和“块（Block）”来管理的。每个Page的数据实际上就是一个数据簇，一般4KB或者8KB，这样在存储大量小文件时会造成比较严重的浪费；而且多通道数据技术大大增加了这种浪费的几率。例如对于一个16KB大小的文件来说，正常情况下只需要占用4个4KB的数据块即可：但在引入了8通道数据存储技术之后，控制IC会将文件分成8份进行存储，也就是占用8个Page。这种情况不仅会造成一定的浪费，而且进一步加剧了数据块的写入频率，对于SSD产品的寿命来说是非常不利的。

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• Tips：NAND颗粒的读写操作 

   

       NAND型Flash颗粒的 基本存储单元 叫做Cell。通过在栅极的绝缘层中注入或者释放电子来达到存储数据的目的。所以NAND Flash的操作分为三种，注入电子叫做“Erase”、释放电子叫做“Program”、读取电子叫做“Read”。 

        由于Cell的充电和放电都需要借助高压来完成，所以会对Gate Oxide(栅极)造成损耗，因此  NAND FLASH是有Program/Erase的周期数限制的，对于SLC颗粒这个次数为8～10万次，MLC颗粒为2～3万次。 

Program操作只能将电子释放，即写入0；写入0之后就不能再通过Program写入1，写入1只能通过Erase来实现。 

        让操作系统每次寻址精确到一个Cell将会带来复杂的地址线，让大容量变得遥不可及；所以工程师们使用了一种“串串烧”的方式将若干个Cell串接起来，一个串称为一个“Page(页面)”，然后将多个Page做成一个集合用一个栅极进行充电，则成为“Block(块)”。当前多数NAND Flash结构多为4KB组成一个Page，而64或者128个Page组成一个Block。Page是读取和写入的基本单位，而Block则是Erase操作的最小单位。 

 

NAND Flash中的页面组织方式 

        由于NAND FLASH的结构组织中，Block的size比较大（256KB或者512KB），而Block又是Erase的基本单位，所以要对Block内的任何数据进行改写，必须先将不需要改写的旧数据读出，对整个Block进行擦除，然后再将新旧组合的数据写入。

•  写入数据的相关性 

        数据的相关性是指系统对SSD多次访问的关系，具体表现就是多次访问地址的范围大小。这是属于操作系统一级的操作，在多数PC用户的应用环境中，系统的数据访问相关度是非常高的，很多操作的地址前后是连续的，或者说集中在一定范围内；而在多用户的Server应用中，数据的相关度则比较低，因为各个用户之间的相关性本身就比较低，导致其需要的范围也没有太大的相关性。对于相关性较高的多次数据请求，可以由SSD的控制IC合并成一个请求，从而减少Erase操作次数、延长SSD的寿命。 

• 写入数据的边界对齐

        这是NAND存储颗粒特有的一个属性。因为在NAND Flash中，数据的存放是以Page和Block来组织的，所以如果系统的数据访问能够对齐到Page或者Block，就能够大大减少写入操作跨Page、跨Channel(数据通道)、跨Block的情况出现，也会减少Flash的P/E延迟，延长整个SSD的寿命，并且在一定程度上能够提高写入性能。 

• 应用的使用强度 

        每种应用方式都有对SSD的访问强度，例如有些应用场合需要24(小时)×7(天)不间断工作，而且几乎每秒钟都在进行数据读写操作(服务器应用)；而另外一些场合则只需要进行8×5的应用，且工作时间对SSD的访问频率很低。对于这两种截然不同的应用场合和需求，SSD产品所表现出的寿命长短肯定会存在巨大差异。 

• SSD产品的总体容量 

        可能有些朋友会觉得这个理由比较牵强，容量越大的SSD产品使用寿命也会越长吗？答案是肯定的，因为从理论上来说，SSD容量越大，其能够承受的总的写入请求数就越大；从Flash磨损和坏块管理机制的角度来看SSD的寿命基本上跟容量成正比。虽然在实际应用中我们不可能等到“海枯石烂”的时候再想起换硬盘，但是容量越大的硬盘，其在硬度磨损时的余量也越大。