存储技术 -- SSD原理简介

最近开始读《深入浅出SSD-固态存储核心技术》等相关存储原理的书籍，本文是根据书内容所做的总结，解答了博主多年以来对存储方面的疑惑，希望本文对你有帮助。

SSD物理结构

SSD (Solid State Drive)：即固态硬盘，是一种以半导体(NAND Flash)为介质的存储设备。从物理结构上来看，有以下几个组件：

• 接口：用于与计算机等设备相连
• 主控：本质上也是一颗小型CPU，负责数据读取，写入以及SSD自身维护等
• 缓存DRAM：用于一些加速场景，比如映射表缓存 
• 闪存：实际数据存储区域
• PCB(电源，电容等)：电源管理

因此可以大致想象整个工作方式如下图所示：主机通过接口将数据提交到SSD，SSD主控首先决定数据到底存储在闪存的什么位置，然后再将数据写入到具体的闪存位置中。

SSD使用的闪存芯片其内部由许许多多存储单元构成，每一个存储单元是浮栅晶体管结构，对于该结构我们只需要知道其可以存储电子，且断电后电子不会消失，也因此SSD为非易失性存储器。从数据的角度，所谓的写数据，是控制电子数量来标识状态，读数据则是加电压，获取对应的状态。随着SSD不断的发展，一个存储单元能够标识的bit位数据在不断增加，将SSD颗粒分为SLC，MLC，TLC，QLC，分别对应1bit，2bit，3bit，4bit，其速度以及寿命随着bit位数增加而减少，但容量不断增大，当然成本也在逐渐降低，时至今日，SSD已经很接近与HDD的价格了。

那么如何理解这发展现象？举个例子，当一个存储单元只需要表示1bit位数时，可以很简单的认为电子数大于0，标识1，小于等于0标识0，那么无论是加电压判断还是清空电子逻辑都方便很多。当需要表示2bit时，可以认为当电子数>=3时，为11，3>电子数>=2时标识10，2>电子数>=1时标识01，电子数为0时标识0，那么要准确判断数据到底是什么自然就麻烦了很多，因此随着bit表示增加，实际情况只会更加复杂，因此性能是逐渐下降的。

但随之带来的好处是成本的下降，在1bit存储单元时代，大容量的SSD只能依赖工艺的提升，在一个闪存芯片中塞入更多的存储单元，但带来的容量却很有限，然而牺牲部分速度前提下，一个存储单元标识2bit，相同面积下容量直接翻倍，这是SSD能够普及消费者市场的重要推力。

SSD数据存储结构

大容量的SSD，一般由多个NAND Flash所组成，这里单独看一个NAND Flash。

最外层被称为DIE/LUN，该部分是接收与执行闪存命令的基本单元，一个LUN又由多个Plane所构成，Plane是真正执行数据读写单元，因此具备独立的Cache Register以及Page Register，一个Plane由多个Block所构成，Block是数据擦除的基本单位，由于擦除需要较高电压，因此在Block层面是比较妥协的做法，Block由多个Page构成，一个Page一般4KB，Page是最基本的数据读写单位。这里直接借用书中的图，能够很清晰的展示上述关系。

读写流程

先不考虑操作系统的影响，当主控接收到读写命令后，会将其下发到对应的LUN，LUN再下发到Plane上。正常情况下读写流程只需要Cache Register参与即可。举个例子，写入时，数据先写到Cache Register，然后再由Cache Register写入到闪存介质中，读取时，数据先读取到Cache Register，然后再传输到主控，这里的读写单位都是Page。

那么Page Register有什么用？闪存除了上述正常读写流程外，还支持Cache读写，在Cache读情况下，当主控读取Cache Register时，Page Register可以开始读取下一份数据，也就是预读，从而减少等待时间。同理，Cache写情况下当一份数据正在写入时，主控可以将另一份数据传输到Cache Register中。这里博主是类比计算机设计，一个SSD看作是小型计算机系统，主控作为CPU属于高速设备，存储介质自然是低速设备，两者之间速度不匹配带来了巨大的CPU性能损耗，因此Cache Register以及Page Register承担的是寄存器的作用，尽可能降低这种速度不匹配带来的影响。

Block有什么用

上述读写流程中，并没有出现Block这一结构，那么为什么需要Block？

在SSD中，由于NAND Flash的特性，每次写入都是以Page维度，并且只能写入到空闲的Page，无法覆写原本有内容的Page，因此产生了擦除。由于擦除本身需要高电压，让电子转移，也因此Block的存在是为了应对数据擦除，对于SSD来说数据的擦除是在对应存储单元上加高电压，经过足够长的时间后，电子会丢失，整个存储单元回到初始状态。

SSD核心：FTL

可以认为Block是SSD的基本管理单位，由于闪存块的寿命限制，整个Block的管理算法并没有想象中那么简单，常见的有以下几个问题：

• 由于Page不能覆写，当数据发生变更时，必须写入到一个新的位置，那么必须需要映射表存在。旧位置的数据此时成为了垃圾数据，那么必须需要GC来进行垃圾回收。
• 闪存块都是有具体寿命的，因此要保证SSD的整体寿命以及性能，需要均衡每个闪存块的擦除次数，保证整体使用寿命，这叫磨损平衡。
• 闪存块读取存在次数限制，读的太多了，上面数据会出错，造成读干扰，因此在读取一定次数后，需要将数据搬迁到新的块当中。同样，如果长时间不读，那么电子也会流失，造成数据错乱，闪存块也需要搬动数据来提高数据准确性。这也是SSD断电不使用容易丢失数据的本质原因。

上述问题的解决全靠FTL (Flash Translation Layer)，FTL最基础的功能是将主机的逻辑地址空间翻译成闪存的物理地址空间，除此之外好的FTL还会实现上述的垃圾回收，磨损平衡，坏块管理，数据保持等问题。

页映射

操作系统访问SSD时，是通过LBA(Logical Block Address)进行寻址，LBA的大小由具体的文件系统所决定，一般为4KB。SSD内部维护了一个逻辑页到物理页的映射关系表，用户每写入一个逻辑页，就会产生一条新的映射关系。

SSD会在内部开辟一个单独的空间用于存储映射表，以256G大小的SSD，映射表大概256MB，SSD板载的DRAM其主要目地是为了缓存该映射表，这样，映射关系的查找就会变得非常迅速，从而提高整个SSD的访问效率。

垃圾回收

由于闪存无法覆盖写，那么数据变更时，变更部分会直接写入到新的区域。FTL会控制一个块上垃圾页的比例，垃圾页大于一定阈值时，触发垃圾回收，主要流程是将正常页搬迁到其他块，然后对整个块进行擦除达到回收目地。如下图所示，回收到x,y两个块的可用数据迁移到z，同时擦除x，y。

这里额外提下Trim指令，Trim是SSD提供的指令，用于主机上删除文件时，主动通知SSD对应文件已经被删除，这样可以方便对SSD做垃圾回收，而不是写入时才垃圾回收。按理来说这个是本来就该有的指令，为什么单独提起呢？我想大概原因还是SSD近些年才开始大范围普及，早起的HDD是支持覆写的，不需要垃圾回收，操作系统给定指令直接写即可，而SSD需要擦除后才能写，因此多了这一步骤。现在的SSD基本都默认开启了trim，我们也无需太关注这个。

磨损平衡

每个闪存块的寿命有限，想要保证SSD最佳寿命，即需要保证每个闪存块的擦除数保持平衡。从数据的更新频次来看，主要有冷数据以及热数据，比如操作系统的很多文件，写入后基本不再更新。而日常应用日志却更新频繁。那么FTL需要将冷的数据搬迁到写入次数比较多的闪存块，这叫静态磨损平衡。此外FTL还需要将热数据写到磨损次数比较少的块上，这叫动态磨损平衡。

数据保持

数据保持主要解决两个问题，其一是读次数限制，读次数主要因为读取时是加一定电压，相当于轻微写入，次数多了自然会造成数据不准确，FTL的做法很简单，针对读大于一定次数的块，主动搬迁数据到新的块，然后擦除该块。其二是电子自然流失导致数据不准确，FTL则会每隔一段时间对块进行扫描，发现其中bit翻转大于一定阈值，则主动进行搬迁刷新数据。

总结

整个SSD设计还有很多其他的问题需要处理，本文根据书籍内容只是做了一些简单总结，有兴趣的建议看参考中的书籍，写的很详细，值得阅读。

另外一块单独的SSD我们可以理解是一块未被开垦的荒地，想要实际存储数据还需要搭配文件系统+操作系统，这部分内容后续文章会分析总结，敬请期待。

参考

《深入浅出SSD-固态存储核心技术》- SSDFans

• 版权声明: 感谢您的阅读，本文由屈定's Blog版权所有。如若转载，请注明出处。
• 文章标题: 存储技术 -- SSD原理简介
• 文章链接: https://mrdear.cn/posts/storage-ssd.html