存储笔记--ssd基本原理篇

1.SSD介绍

1.什么是ssd?

固态硬盘（Solid State Drives），用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。

2.ssd分类

固态硬盘(SSD)的存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。

基于闪存类：基于闪存的固态硬盘（IDEFLASH DISK、Serial ATA Flash Disk），采用FLASH芯片作为存储介质，这也是通常所说的SSD。它的外观可以被制作成多种模样，例如：笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、U盘等样式。这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动，而且数据保护不受电源控制，能适应于各种环境，适合于个人用户使用。

基于DRAM类：基于DRAM的固态硬盘，采用DRAM作为存储介质，应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计，可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长，美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。DRAM固态硬盘属于比较非主流的设备。

3.ssd 构成

SSD主要由主控制器，存储单元，缓存（可选），以及跟HOST接口（诸如SATA，SAS, PCIe等）组成

4.存储单元

SLC(Single Level Cell 单层单元),就是在每个存储单元里存储 1bit 的数据，存储的数据是0还是1是基于电压阀值的判定，对于 NAND Flash 的写入(编程)，就是控制 Control Gate 去充电(对 Control Gate 加压)，使得浮置栅极存储的电荷够多，超过4V，存储单元就表示 0(已编程)，如果没有充电或者电压阀值低于4V，就表示 1(已擦除)。

MLC(Multi-Level Cell 多层单元)， 就是每个存储单元里存储 2bit 的数据，存储的数据是”00”,”01”,”10”,”11”也是基于电压阀值的判定，当充入的电荷不足3.5V时，就代表”11”，当充入的电荷在3.5V和4.0V之间，则代表”10”，当充入的电荷在4V和5.5V之间，则表示”01”，当充入的电荷在5.5V以上，则表示”00”。同时由前面的图可以看到，MLC 相比 SLC 虽然使用相同的电压值，但是电压之间的阀值被分成了4份，可以想象这样就直接影响了性能和稳定性。

TLC(Triple Level Cell 三层单元)， 就更加复杂，因为每个存储单元里存储 3bit 的数据，所以它的电压阈值的分界点就更细致，导致的结果也就每个存储单元的可靠性也更低。

5.存储内部结构

一个Flash Page由两个或者多个Die(又称chips组成)，这些Dies可以共享I/0数据总线和一些控制信号线。一个Die又可以分为多个Plane,而每个Plane又包含多个多个Block,每个Block又分为多个Page。以Samsung 4GB Flash为例，一个4GB的Flash Page由两个2GB的Die组成，共享8位I/0数据总线和一些控制信号线。每个Die由4个Plane组成，每个Plane包含2048个Block，每个Block又包含64个4KB大小的Page。

6.访问ssd原理

1。Host是通过LBA（Logical BlockAddress，逻辑地址块）访问SSD的，Host访问SSD的基本单元叫用户页（Host Page）
2.SSD内部，SSD主控与Flash之间是Flash Page为基本单元访问Flash的，我们称Flash Page为物理页（Physical Page）
3.Host每写入一个Host Page, SSD主控会找一个Physical Page把Host数据写入，SSD内部同时记录了这样一条映射（Map）。有了这样一个映射关系后，下次Host需要读某个Host Page 时，SSD就知道从Flash的哪个位置把数据读取上来。 SSD内部维护了一张映射表（Map Table），Host每写入一个Host Page，就会产生一个新的映射关系，这个映射关系会加入（第一次写）或者更改（覆盖写）Map Table；当读取某个Host Page时， SSD首先查找Map Table中该Host Page对应的Physical Page，然后再访问Flash读取相应的Host数据。

4.大部分映射是存储在FLASH里面，还有一部分存储在片上RAM上。当Host需要读取一笔数据时，对有板载DRAM的SSD来说，只要查找DRAM当中的映射表，获取到物理地址后访问Flash从而得到Host数据.这期间只需要访问一次FlashH；而对Sandforce的SSD来说，它首先看看该Host Page对应的映射关系是否在RAM内，如果在，那好办，直接根据映射关系读取FLASH；如果该映射关系不在RAM内，那么它首先需要把映射关系从FLASH里面读取出来，然后再根据这个映射关系读取Host数据，这就意味着相比有DRAM的SSD，它需要读取两次FLASH才能把HOST数据读取出来，底层有效带宽减半。

7.ssd 相关概念和技术

• FTL:闪存转换层
  位于文件系统和物理介质之间，把闪存的操作习惯虚拟成以传统硬盘的 512B 扇区进行操作。这样，操作系统就可以按照传统的扇区方式操作，而不用担心之前说的擦除/读/写问题.
  FTL 算法，本质上就是一种逻辑到物理的映射，因此，当文件系统发送指令说要写入或者更新一个特定的逻辑扇区时，FTL 实际上写入了另一个空闲物理页，并更新映射表，再把这个页上包含的旧数据标记为无效(更新后的数据已经写入新地址了，旧地址的数据自然就无效了)。

• 磨损平衡(Wear leveling)
  磨损平衡是确保闪存的每个块被写入的次数相等的一种机制。

      动态磨损算法是基本的磨损算法：只有用户在使用中更新的文件占用的物理页地址被磨损平衡了。而静态磨损算法是更高级的磨损算法：在动态磨损算法的基础上，增加了对于那些不常更新的文件占用的物理地址进行磨损平衡，这才算是真正的全盘磨损平衡。简单点说来，动态算法就是每次都挑最年轻的 NAND 块来用，老的 NAND 块尽量不用。静态算法就是把长期没有修改的老数据从一个年轻 NAND 块里面搬出来，重新找个最老的 NAND 块放着，这样年轻的 NAND 块就能再度进入经常使用区。
  

• 垃圾回收(Garbagecollection)
  当整个SSD写满后，从用户角度来看，如果想写入新的数据，则必须删除一些数据，然后腾出空间再写。用户在删除和写入数据的过程中，会导致一些Block里面的数据变无效或者变老。Block中的数据变老或者无效，是指没有任何映射关系指向它们，用户不会访问到这些FLASH空间，它们被新的映射关系所取代。比如有一个Host Page A，开始它存储在FLASH空间的X,映射关系为A->X。后来，HOST重写了该Host Page，由于FLASH不能覆盖写，SSD内部必须寻找一个没有写过的位置写入新的数据，假设为Y，这个时候新的映射关系建立：A->Y，之前的映射关系解除，位置X上的数据变老失效，我们把这些数据叫垃圾数据。

       随着HOST的持续写入，FLASH存储空间慢慢变小，直到耗尽。如果不及时清除这些垃圾数据，HOST就无法写入。SSD内部都有垃圾回收机制，它的基本原理是把几个Block中的有效数据（非垃圾数据）集中搬到一个新的Block上面去，然后再把这几个Block擦除掉，这样就产生新的可用Block了.
  

  垃圾回收策略
  a: 闲置垃圾回收：，SSD 主控制器可以设置在系统闲置时候做“预先”垃圾回收(提前做垃圾回收操作)，保证一定数量的”备用空白块”，让 SSD 在运行时候能够保持较高的性能

  b:被动垃圾回收：每个 SSD 都支持的技术,在垃圾回收操作消耗带宽和处理能力的同时处理用户操作数据，如果没有足 够强劲的主控制器性能则会造成明显的速度下降。

  c:手动垃圾回收：用户自己手动选择合适的时机运行垃圾回收软件，执行垃圾回收操作。

• Trim 指令
  Trim 只是条 ATA 指令指令，让操作系统告诉 SSD 主控制器这个页已经“无效”了。Trim 会减少写入放大，因为主控制器不需要复制“无效”的页(没 Trim 就是“有效”的)到空白块里，这同时代表复制的“有效”页变少了，垃圾回收的效率和 SSD 性能也提升了。Trim 能大量减少伪有效页的数量，它能大大提升垃圾回收的效率。

• 预留空间(Over-provisioning)
  预留空间是指用户不可操作的容量，为实际物理闪存容量减去用户可用容量。这块区域一般被用来做优化，包括磨损均衡，GC和坏块映射。
  (1)垃圾回收：就是要把数据搬来搬去，那就需要始终有空的地方来放搬的数据。空的越多，搬的越快，多多益善，有些SSD为了更快，还会再拿走一些用户的容量。

  (2)映射表等内部数据保存：SSD里面有一个巨大的映射表，把用户地址转成物理Flash颗粒地址，需要保存，以防掉电丢失。这个大概是千分之三的容量。

  (3)坏块替换：写得多了，坏块会逐渐增加，需要用好的顶替。随着Flash的制程从32nm不断变小，变到现在的14nm，Flash质量越来越差，坏块越来越多，这部分可能会到3%甚至更多。

• 写入放大
  因为闪存必须先擦除(也叫编程)才能写入，在执行这些操作的时候，移动或覆盖用户数据和元数据(metadata)不止一次。这些额外的操作，不但增加了写入数据量，减少了SSD的使用寿命，而且还吃光了闪存的带宽，间接地影响了随机写入性能。这种效应就叫写入放大(Write amplification)。一个主控的好坏主要体现在写入放大上。
  影响因素：

  (1)垃圾回收虽然增加了写入放大(被动垃圾回收不影响，闲置垃圾回收影响)，但是速度有提升。

  (2)预留空间可以减少写入放大，预留空间越大，写入放大越低。

  (3)开启 TRIM 指令后可以减少写入放大

  (4)用户使用中没有用到的空间越大，写入放大越低(需要有 Trim 支持)。

  (5)持续写入可以减少写入放大。理论上来说，持续写入的写入放大为1，但是某些因素还是会影响这个数值。

  (6)随机写入将会大大提升写入放大，因为会写入很多非连续的 LBA。

  (7)磨损平衡机制直接提高了写入放大

• 交叉操作
  交错操作可以成倍提升NAND的传输率，因为NAND颗粒封装时候可能有多Die、多Plane(每个plane都有4KB寄存器)，Plane操作时候可以交叉操作(第一个plane接到指令后，在操作的同时第二个指令已经发送给了第二个plane，以此类推)，达到接近双倍甚至4倍的传输能力(看闪存颗粒支持度)。

• ECC
  为了检测数据的可靠性，在应用NAND Flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理机制，而管理坏区的前提是能比较可靠的进行坏区检测。如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话，NAND Flash出错的时候一般不会造成整个Block或是Page不能读取或是全部出错，而是整个Page中只有一个或几个bit出错，这时候ECC就能发挥作用了。不同颗粒有不同的基本ECC要求，不同主控制器支持的ECC能力也不同，理论上说主控越强ECC能力越强。+