SSD固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)和基本工作原理概述

我們都知道，早期的電腦CPU是可以直接從硬盤上面讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的，隨著科技的進(jìn)步，時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展速度也是極其迅猛。CPU主頻的不斷提升，從單核到雙核，再到多核；CPU的處理速度越來越快，而硬盤的的讀寫速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上CPU的讀寫速度，后來增加了內(nèi)存這個(gè)讀寫速度相對較快的緩存，而內(nèi)存也是蓬勃到發(fā)展，從SDRAM到DDR，從DDR到DDR2再到DDR3，但是無論怎樣，內(nèi)存緩存速度還是跟不上CPU的運(yùn)算處理速度，后來便在CPU中增加了快速緩存機(jī)制！而硬盤這個(gè)持久化存儲器呢？之前的文章，聊到了機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)和工作原理，今天就來聊一聊SSD固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)和基本工作原理，如理解有所變差，或文章有所不足，皆因水平所限！

硬盤的發(fā)展在不斷的科技進(jìn)步中快速提升，從容量以及速度再到接口方面。從早期的PATA變成SATA，SCSI變到SAS，以及垂直記錄技術(shù)在容量上的突破，但這些進(jìn)步亦未能改變磁盤的記錄方式。隨著人們對數(shù)據(jù)需求增多，存儲系統(tǒng)的瓶頸越來越明顯。而在嵌入式領(lǐng)域移動設(shè)備和工業(yè)自動化控制等惡劣環(huán)境下，傳統(tǒng)硬盤機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足要求，而所有這一切隨著固態(tài)存儲(SSD)的到來而發(fā)生了改變。

傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(HDD)運(yùn)行主要是靠機(jī)械驅(qū)動頭，包括馬達(dá)、盤片、磁頭搖臂等必需的機(jī)械部件，它必須在快速旋轉(zhuǎn)的磁盤上移動至訪問位置，至少95%的時(shí)間都消耗在機(jī)械部件的動作上。SSD卻不同機(jī)械構(gòu)造，無需移動的部件，主要由主控與閃存芯片組成的SSD可以以更快速度和準(zhǔn)確性訪問驅(qū)動器到任何位置。傳統(tǒng)機(jī)械硬盤必須得依靠主軸主機(jī)、磁頭和磁頭臂來找到位置，而SSD用集成的電路代替了物理旋轉(zhuǎn)磁盤，訪問數(shù)據(jù)的時(shí)間及延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械硬盤。SSD有如此的“神速”，完全得益于內(nèi)部的組成部件：主控--閃存--固件算法。

主控、閃存及固件算法三者的關(guān)系：

SSD最重要的三個(gè)組件就是NAND閃存，控制器及固件。NAND閃存負(fù)責(zé)重要的存儲任務(wù)，控制器和固件需要協(xié)作來完成復(fù)雜且同樣重要的任務(wù)，即管理數(shù)據(jù)存儲、維護(hù)SSD性能和使用壽命等。

主控：

控制器是一種嵌入式微芯片(如電腦中CPU)，其功能就像命令中心，發(fā)出SSD的所有操作請求----從實(shí)際讀取和寫入數(shù)據(jù)到執(zhí)行垃圾回收和耗損均衡算法等，以保證SSD的速度及整潔度，可以說主控是SSD的大腦中樞。目前主流的控制器有Marvell、SandForce、Samsung、Indilinx等。像Marvell各方面都很強(qiáng)勁，代表型號為Marvell 88SS9187/89/90主控，運(yùn)用在浦科特、閃迪、英睿達(dá)等品牌的SSD上。

SandForce的性能也不錯(cuò)，它的特點(diǎn)是支持壓縮數(shù)據(jù)，比如一個(gè)10M的可壓縮數(shù)據(jù)可能被他壓成5M的寫入硬盤，但還是占用10M的空間，可以提高點(diǎn)速度，最大的特點(diǎn)是會延長SSD的壽命，但是CPU占用會高點(diǎn)而且速度會隨著硬盤的使用逐漸小幅度降低。代表型號為SF-2281，運(yùn)用在包括Intel、金士頓、威剛等品牌的SSD上。

Samsung主控一般只有自家的SSD上使用，性能上也是很強(qiáng)悍的，不會比Marvell差多少。目前三星主控已經(jīng)發(fā)展到第五代MEX，主要運(yùn)用在三星850EVO、850PRO上。

固件算法：

SSD的固件是確保SSD性能的最重要組件，用于驅(qū)動控制器。主控將使用SSD中固件算法中的控制程序，去執(zhí)行自動信號處理，耗損平衡，錯(cuò)誤校正碼(ECC)，壞塊管理、垃圾回收算法、與主機(jī)設(shè)備(如電腦)通信，以及執(zhí)行數(shù)據(jù)加密等任務(wù)。由于固件冗余存儲至NAND閃存中，因此當(dāng)SSD制造商發(fā)布一個(gè)更新時(shí)，需要手動更新固件來改進(jìn)和擴(kuò)大SSD的功能。

開發(fā)高品質(zhì)的固件不僅需要精密的工程技術(shù)，而且需要在NAND閃存、控制器和其他SSD組件間實(shí)現(xiàn)完美整合。此外，還必須掌握NADN特征、半導(dǎo)體工藝和控制器特征等領(lǐng)域的最先進(jìn)的技術(shù)。固件的品質(zhì)越好，整個(gè)SSD就越精確，越高效，目前具備獨(dú)立固件研發(fā)的SSD廠商并不多，僅有Intel/英睿達(dá)/浦科特/OCZ/三星等廠商，希望我國能早日解決。

NAND閃存：

SSD用戶的數(shù)據(jù)全部存儲于NAND閃存里，它是SSD的存儲媒介。SSD最主要的成本就集中在NAND閃存上。NAND閃存不僅決定了SSD的使用壽命，而且對SSD的性能影響也非常大。NAND閃存顆粒結(jié)構(gòu)及工作原理都很復(fù)雜，接下來我們會繼續(xù)推出系列文章來重點(diǎn)介紹閃存，這里主要來了解一下大家平常選購SSD經(jīng)常接觸到的SLC、MLC及TLC閃存。

SLC/MLC/TLC閃存：

三種閃存狀態(tài)

這幾年NAND閃存的技術(shù)發(fā)展迅猛同，從企業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的SLC閃存到被廣泛運(yùn)用在消費(fèi)級SSD上的MLC閃存再到目前正在興起的TLC閃存，短短時(shí)間里，我們看到NAND技術(shù)顯著進(jìn)步。對SLC、MLC及TLC閃存怎么理解呢？簡單來說，NAND閃存中存儲的數(shù)據(jù)是以電荷的方式存儲在每個(gè)NAND存儲單元內(nèi)的，SLC、MLC及TLC就是存儲的位數(shù)不同。

單層存儲與多層存儲的區(qū)別在于每個(gè)NAND存儲單元一次所能存儲的“位元數(shù)”。SLC(Single-Level Cell)單層式存儲每個(gè)存儲單元僅能儲存1bit數(shù)據(jù)，同樣，MLC(Multi-Level Cell)可儲存2bit數(shù)據(jù)，TLC(Trinary-Level)可儲存3bit數(shù)據(jù)。一個(gè)存儲單元上，一次存儲的位數(shù)越多，該單元擁有的容量就越大，這樣能節(jié)約閃存的成本，提高NAND的生產(chǎn)量。但隨之而來的是，向每個(gè)單元存儲單元中加入更多的數(shù)據(jù)會使得狀態(tài)難以辨別，并且可靠性、耐用性和性能都 會降低。

一顆NAND芯片是32G的容量，也就是說128G的SSD，內(nèi)部是5個(gè)NAND芯片做并行讀取。讀寫的時(shí)候都依靠主控芯片來做控制，主控芯片還要對所有的NAND閃存芯片做磨損平衡，保證這幫兄弟要掛一起掛，假如是256G的，內(nèi)部是8通道，并發(fā)的讀寫能力比128G會有了接近50%的提升。至于再大的容量，因?yàn)榇鎯θ萘窟^大，導(dǎo)致主控芯片保存的地址映射表過大，性能可能會出現(xiàn)持平甚至下降的情況。

固態(tài)硬盤是無需移動的固態(tài)電子元件，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。具體量化的概念就是，一臺筆記本電腦在使用傳統(tǒng)硬盤時(shí)可能需要等待36秒才能讓操作系統(tǒng)完成啟動，而現(xiàn)在如果使用固態(tài)硬盤，則只需等待不到9秒鐘。基于這種高性能硬盤的協(xié)同工作，CPU的運(yùn)行效率也會提高，其節(jié)省能耗的優(yōu)點(diǎn)足以使電池延長15%的壽命，而且它更加抗震和輕便。而傳統(tǒng)硬盤在讀取及寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，硬盤磁頭需要花費(fèi)時(shí)間轉(zhuǎn)動并找到數(shù)據(jù)所在的位置。

工作原理概述

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）。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大小），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)HostPage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)。

　　一張Map Table有多大呢？這里假設(shè)我們有一個(gè)256GB的SSD，以4KB Host Page為例，那么一共有約 64M（256GB/4KB）個(gè)Host Page，也就意味著SSD需要有64M大小的Map Table。Map Table中的每個(gè)Entry存儲的就是物理地址（Physical Page Address），假設(shè)其為4Byte (32bits) ，那么整個(gè)Map Table的大小為64M*4B = 256MB。　　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需要讀取一些數(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。　　繼續(xù)回到之前的SSD寫操作。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。如下圖所示（綠色小方塊代表有效數(shù)據(jù)，紅色小方塊代表無效數(shù)據(jù)）：

　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）。

垃圾回收原理

　　再看一下這張圖。回收Block 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*2^30 = 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。（關(guān)于FLASH基礎(chǔ)知識，請參考《閃存基礎(chǔ)》）。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)。　　

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。　　

下面這張圖（來源網(wǎng)絡(luò)）詮釋了無WL，動態(tài)WL和靜態(tài)WL下的FLASH耐久度的區(qū)別 （假設(shè)每個(gè)Block最大PE數(shù)為10,000）：