SSD之FTL技术

FTL是个啥？

  FTL指Flash Translation Layer(闪存转换层)，这玩意儿的本职工作是完成Host的逻辑地址到Flash的物理地址的转换。
  controller每把一笔数据写入Flash中时，便会记录下该数据的逻辑地址到物理地址的映射关系，这样当Host想要读取这笔数据时就会根据这个映射读取到真实的数据。

首先说明一下闪存的特性:

 1.  闪存块需要先擦除才能写入，不能覆盖写。
 2.  闪存块是有寿命的。每擦除一次寿命便会减少一点。
 3.  闪存块的读取次数是有限的。读的次数多了会造成读干扰问题。
 4.  闪存的数据保持是有时限的。高温时数据保持时间会缩短。
 5.  闪存天生就会有坏块。使用过程中会产生新的坏块。
 6.  MLC和TLC 会有 lower page corruption的问题。

  针对闪存的以上特性，FTL在完成本职工作逻辑地址到物理地址转换的同时，还要具有十八般武艺：
  垃圾回收(Garbage Collection)，磨损平衡(Ware Leveling)，坏块管理，读干扰处理，数据保持处理等事情。

FTL十八般武艺之本质工作---映射管理

  映射有基于块映射、基于页映射和混合映射。
  基于块映射Host在读写小尺寸数据（随机性能）时性能较差，一般用在U盘中(ps:不要惊讶，U盘中也用到FTL的)，所以U盘不适合装系统，适合用来读写大尺寸数据的数据传输用。
  基于页映射对小尺寸数据（随机性能）有很好的性能，但是由于闪存的页要比闪存块多的多，需要更多的空间来存放映射表。为了追求更好的随机性能（操作系统对这个很在意）所以SSD都采用页映射。
  混合映射的性能介于上边二者之间，当然存放映射表所用的空间也介于二者之间。
SSD内部FW维护了一张逻辑地址到物理地址的映射表(Map Table)。用户每写入一个逻辑页就需要更改一次MT；当读取一个逻辑页时，SSD会查找映射表中该逻辑页对应的物理页，然后再访问Flash读取所要的数据。
  一般映射的逻辑页的大小为4KB，物理地址的大小为4Byte，那么一个256GB的SSD的映射表大小为：256GB/4KB*4B = 256MB，也就是说映射表的大小是SSD容量的1/1024。
  为了存放这个映射表，SSD一般有两种设计方案：DRAM(带DRAM的)和DRAM-less(不带DRAM的)。带DRAM的一般会把缓冲数据和映射表统统存放在DRAM中，优点是查找更新映射表迅速，性能较好，劣势是多了一个DRAM，成本和功耗上升，当前的主流SSD是该方案；DRAM-less的会将少部分的映射表放在片内的SRAM上，其余部分的映射表则会放在Flash中，这种方案好处是节省了DRAM的成本和功耗，但是读写Flash要比读写DRAM要慢得多，所以速度上不如DRAM方案，性能较差，当前入门级的SSD多采用这种方案。
  一个小问题：我们都知道DRAM掉电数据是会丢失的，那么数据表怎么办？
答案是在SSD掉电之前，它会把映射表写入到Flash中去的，下次上电初始化时需要重新把映射表读出来放在DRAM或SRAM中。也就是说不管DRAM或DRAM-less，Flash中都需要储存映射表的。

FTL十八般武艺之重要内功---收垃圾(Garbage Collection)

  这年头收垃圾也成特色技能了，还是重要内功。。。哈哈
  垃圾回收，就是把某一个闪存块上的有效数据读出来，写入另一个数据块中，然后擦除原来的闪存块，使之可用。
  也许你会问，数据在原来的闪存块上待的好好的，为什么要费事吧连的读出来写入另外的块中呢？原因是原来闪存块上的垃圾（无效数据）太多了！如前文讲道，闪存块需要先擦除才能写入，不能覆盖写。如果一个块上只有一点点有效数据占着整个数据块，那么就需要把有效数据搬移出来，把这个块擦除掉使之变成可用状态，从而提高块的使用率。
  也许你又会问，为啥子数据会无效呢？原因还是因为闪存的特性导致的，为了延长每个闪存块的寿命，就需要均衡每个数据块的擦除次数，为了均衡每个数据块的擦除次数，数据写入时候就需要均衡的写入每个块，而不能照着一个块往死了写。当用户空间里的数据写满后，就需要把数据写备用空间（SSD的实际容量都比标称容量大，多出来的部分就是备用空间），因为备用空间对操作系统是不可见的，那么每往备用空间写一笔数据就会在用户空间产生一笔无效数据（垃圾）。
  江湖传言：SSD越用速度越慢。很不幸，这是真的，而且是有依据的。新盘没有垃圾可收，所以速度快！用久了产生的垃圾就多了，就需要用内功把垃圾逼出来，当然速度就慢下来了。

FTL十八般武艺之---磨损平衡(Ware Leveling)

  其实在垃圾回收的时候已经提到磨损平衡的原因了：为了延长每个闪存块的寿命，就需要均衡每个数据块的擦除次数，为了均衡每个数据块的擦除次数，数据写入时候就需要均衡的写入每个块，而不能照着一个块往死了写。
那么，一个闪存块的寿命有多长呢？
SLC：10万次
MLC：1~10千次
TLC：几百次~2千次
QLC：< TLC
3D：< QLC
所以，磨损平衡很重要！接下来几个概念：
冷数据（Cold Data），热数据（Hot Data）
年老块（Old Block），年轻块（Young Block）
  所谓冷数据就是用户不常更新的数据，比如音视频，只读数据等；相反热数据就是频繁更新的数据，比如软件使用等，会产生很多垃圾。
  所谓年老块是指擦写次数比较多的块；相反年轻块则指擦写次数比较少的块。ps：每个块都有EC(Erase Count)，年轻还是年老SSD一下就可以看出来。
  SSD一般有两种（Ware Leveling）算法：动态磨损平衡（Dynamic WL）和静态磨损平衡（Static WL）。动态磨损平衡算法基本原理是把热数据写到年轻块上；静态磨损平衡的基本思想是把冷数据写到年老块上。这里可以停下来先品味一下这样的做的原因。
DWL好理解：写数据时找年轻的块写，避免往老年块上写数据，各个块就能保持一个比较均衡的值。
SWL呢？冷数据基本不更新，它所占用的块擦写次数就不会增加，而其他块会被经常写入数据，块擦写次数是会增加，这样就导致了擦除不均衡，SSD最不喜欢这个了。所以需要把冷数据搬到老年块上，让年轻块替代老年块的工作。