感谢HOMOLAB的精彩文章，让我对SSD有了更为科学的认识

PART I 固态硬盘（SSD）基础

1.1 发展历史与演进

• NAND Flash

  • 原理：1145141919810个浮栅晶体管平铺堆叠（发配到模电区）。把晶体管在不同挡位的电压（浮栅晶体管捕获存储的电子数量差异导致电压不同）当作信息。

  • 比特数与存储密度

  单元	数据量（二进制位数）
  SLC	1
  MLC	2
  TLC	3
  QLC	4

  • 性能与耐用性

  • 从SLC➡MLC➡TLC➡QLC：

    • 存储数据难度上升：主控在写入数据时，需要精确地控制浮栅中电子的数量；

    • 读取数据的难度上升：主控在读取数据时，也必须非常精确地判断当前电压属于哪个区间，否则可能导致误读；

    • 耐久性降低：存储信息越多，对电压精度要求越高。擦写次数越多，浮栅的磨损就越大，电压状态就越不稳定。
  • 原因：如QLC，将16种不同的电压状态挤在一个小小的浮栅晶体管里，就好比在一条狭窄的公路上行驶16辆车。每辆车之间的安全距离会变得非常小。

1.2 SSD 的基本构成

• NAND Flash 存储芯片：浮栅晶体管堆叠，有着比较玄学的寿命说

  • Block（擦除的最小单位） ➡ Page（读写最小单位）➡ Cell

• 主控（Controller）：硬盘里管理数据的大脑，在如今SSD产品损坏的案例里一般是由于主控物理暴毙或者固件暴毙导致的

• DRAM 缓存（不是都有）

  • 无缓（DRAMless SSD）

  • 有缓（DRAM SSD）：存储FTL表，便于寻址

PART II SSD工作原理

2.1 读写与擦除

REW（Read-Erase-Write）

固态的擦除是以block为单位、读写以page为单位，nand的物理特性决定了他不能覆盖写入。因此如果我们要对一个已有数据的page进行写入，那么必须先要把这个page所在的block中的数据读出，block清空后再把所有数据写进去。

2.2 核心技术与机制

PART III SSD性能参数与协议

3.1 关键性能指标

• IOPS（Input/Output Operations Per Second）：如英文名，硬盘每秒钟能够处理的输入/输出操作次数。

• 传统指标：随机和顺序是HDD时代传承下来的概念，在SSD中或许不再适用，但仍然被广泛使用。

  • 顺序读写（Sequential Read/Write）： 顺序读写是指数据在存储介质上连续存储和读取的方式，通常用于大文件传输或连续数据流的处理。参数通过用大文件进行读写测试来获得。

  • 随机读写（Random Read/Write）：随机读写是指数据在存储介质上分散存储和读取的方式，通常用于小文件或随机访问的数据。一般使用大量小文件进行读写测试。

  • 相关论述文章《随机 稳态 缓外 无知以及谎言,不存在的随机写入》总结：

  1. SSD数据存储在NAND的多个页（Page）中，页是SSD的最小读写单位；

  2. SSD读取数据时，一般需要根据FTL（Flash Translation Layer）将逻辑地址转换为物理地址；

  3. FTL表的查询需要时间，如果一个文件分布在临近的物理空间上,那么对其进行读写的操作就不需要多次查询FTL表从而节省开销；

  4. FTL表的映射是非线性的，物理上连续的存储单元未必在逻辑上是连续的；

  5. 对于一个大块的连续文件写入而言,看起来是顺序写入，但数据不会集中在某一个NAND的某一个DIE的某一个plane的某一个block,而是分布在不同NAND上的不同block中；
  6. 因此，顺序读写和随机读写的概念对于SSD并不完全适用，SSD的性能更多地取决于其内部结构和数据管理方式；因此，顺序读写和随机读写的概念对于SSD并不完全适用，SSD的性能更多地取决于其内部结构和数据管理方式；

• 缓外速度（Sustained Write Speed）：在SLC Cache技术应用后产生的概念

  • 定义：缓外速度是指在SSD的SLC Cache被填满后，数据写入到TLC或QLC NAND Flash时的速度。通常情况下，SLC Cache可以提供更高的写入速度，而缓外速度则较低。

  • 备注：缓外速度不等同于SSD的实际写入速度，在如今常常导致用户对SSD性能的误解。实际上，连续大容量写入分多个阶段（关键词：SLC Cache释放、REW、Writeback惩罚、TLC/QLC直写、GC回收），而这受到厂家设计策略的影响，部分用户观察到的缓外速度没有太大的意义。

• WAF（Write Amplification Factor）

  • 定义：写放大因子，表示实际写入的数据量与原始数据量的比率。

  • 产生原因：SSD是以页为单位进行读写，但由于NAND Flash的特性，无法直接覆盖写入，因此需要先擦除整个块（Block），然后再写入新的数据。这种操作会导致实际写入的数据量大于原始数据量，从而产生写放大现象。

  • WAF与脏盘度（Dirty Page）：WAF与脏盘度密切相关，较高的脏盘度意味着更多的数据需要被擦除和重写，从而增加了写放大现象。

3.2 消费级常见接口与协议

• SATA（Serial ATA）

  • 传输速率：SATA III的最大传输速率为6 Gbps（约750 MB/s）。

  • 特点：SATA接口是传统的硬盘接口，主要用于连接机械硬盘和早期的SSD。

  • 目前SATA接口的SSD产品性价比较低

• NVMe（Non-Volatile Memory Express）

  • 传输速率：NVMe接口的传输速率远高于SATA接口，理论上可以达到32 Gbps（约4 GB/s）甚至更高。

  • 特点：NVMe接口专为SSD设计，能够充分发挥NAND Flash的高速性能，具有更低的延迟和更高的并发处理能力。

• UFS（Universal Flash Storage）

  • 传输速率：UFS 3.0的最大传输速率为23.2 Gbps（约2.9 GB/s）。

  • 特点：UFS接口主要用于移动设备，如智能手机和平板电脑，具有更低的功耗和更高的性能。

• CFexpress（CompactFlash Express）

  • 传输速率：CFexpress 1.0的最大传输速率为1 GB/s，CFexpress 2.0可以达到2 GB/s。

  • 特点：CFexpress接口主要用于专业相机和摄像机，支持PCIe和NVMe协议，具有高性能和低延迟。

• SD Express（Secure Digital Express）

  • 传输速率：SD Express的最大传输速率为985 MB/s。

  • 特点：SD Express是SD卡的最新标准，支持PCIe和NVMe协议，主要用于移动设备和相机。

PART IV 主控与固件深度解析

4.1 SSD主控的功能与作用

SSD主控是固态硬盘的核心组件，负责管理数据的读写、擦除和存储。它的主要功能包括：

• 数据管理：主控负责将数据从主机传输到NAND Flash，并在需要时将数据从NAND Flash传输回主机。
• 地址映射：主控使用FTL（Flash Translation Layer）将逻辑地址转换为物理地址，以便正确地读写数据。
• 垃圾回收：主控定期执行垃圾回收操作，以释放被删除或过时数据占用的空间，从而提高SSD的性能和寿命。
• 性能优化：主控通过各种技术（如SLC Cache、OP等）来优化SSD的性能和耐用性。
• 固件更新：主控可以通过固件更新来修复错误、改进性能或添加新功能。

4.2 固件的优化策略

4.2.1 SLC Cache

• 产生原因：SLC Cache是为了提高SSD的写入性能而设计的。由于SLC（单层单元）具有更高的写入速度和耐用性，SSD制造商通常会将一部分TLC或QLC NAND Flash配置为SLC Cache（主控只需要区分两种电压状态），以便在写入数据时先使用SLC Cache进行高速写入。

• 种类：

  • 全盘SLC Cache：将整个SSD的部分空间配置为SLC Cache，通常在SSD的容量较大时使用。比较考验主控的算法设计能力。

  • 分区SLC Cache：将SSD的部分空间划分为SLC Cache，通常在SSD的容量较小或中等时使用。

  • 动态SLC Cache：根据实际写入需求动态分配SLC Cache的大小，通常在SSD的空闲空间较多时，SLC Cache会较大。比较考验主控的算法设计能力。比较出色的产品：Solidigm P41 Plus(QLC)

• 写入流程（与主控、算法与固件有关，此处仅仅阐释常见的SLC Cache写入流程）：

  

  1. FOB阶段：主控将数据写入SLC Cache，SLC Cache的写入速度通常较快，因为SLC只需要区分两种电压状态（0和1）。

  2. Transition过渡态：当剩余空间处于一定低线时，SSD内部将并未完整写入的page进行整理、触发GC回收机制将标记删除的数据从Nand上物理的删除掉。由于还有部分未写入的page可以利用,因此R-E-W惩罚为中等,并发效率受到一定程度的限制。

     • R-E-W惩罚：在这一阶段，由于GC回收和数据整理的需求，SSD的写入性能可能会受到影响，导致写入延迟增加。
     • GC回收：当所有的空间都不可用或者可用度很低，SSD不得不实时性的进行垃圾的释放(GC回收)：读取垃圾文件所在块上的其他有效数据➡擦除整个块➡把这些数据整理并腾挪到其他地方。
  3. Steady稳态：GC回收、R-E-W进入了一个动态均衡的状态，因而性能维持在一条线上。主控和NAND成为当前的主要瓶颈（对于主控来说，它在这一高负载的情况下需要频繁的进行GC回收的处理、写入与读取数据的命令分配、磨损平衡的计算、数据纠错等操作）

4.2.2 地址映射表（FTL）

• 定义：FTL（Flash Translation Layer）是SSD中的一种关键技术，负责将逻辑地址映射到物理地址，以便正确地读写数据。

• 优化策略：为了提高FTL的性能，SSD制造商通常会采用多种优化策略，如：

  • 使用DRAM缓存：在SSD中增加DRAM缓存，以提高映射表的查询速度。

  • 采用分层映射：将映射表分为多个层次，以减少查找时间。类比内存中的多级页表。

  • 进行预读和预写：根据访问模式预测数据的读写需求，提前加载或写入数据。

4.2.3 OP（Over-Provisioning）

• 定义：OP（Over-Provisioning）是指在SSD中预留一部分额外的空间，以提高性能和延长寿命。

• 原理：通过增加闲置空间，OP可以减少写放大现象，提高垃圾回收效率，从而提升SSD的整体性能和耐用性。

• 注意事项：
  • OP的大小需要根据实际使用场景进行合理配置，过大或过小都会影响SSD的性能。
  • OP的使用需要与其他优化策略结合，以达到最佳效果。

4.3 Writeback惩罚的原理与影响

• 定义：Writeback惩罚是指在SSD中，由于数据写入策略和垃圾回收机制的影响，导致写入性能下降的现象。

• 原因：当SSD的SLC Cache被填满后，数据需要写入到TLC或QLC NAND Flash中，这个过程通常会比SLC写入慢得多。此外，在进行垃圾回收时，SSD需要读取、擦除和重写数据，这也会导致写入性能下降。

• 影响：Writeback惩罚会导致SSD在高负载情况下出现明显的性能下降，影响用户的使用体验。

4.4 SSD维护

4.4.1 S.M.A.R.T.表

• 功能：S.M.A.R.T.可以实时监测SSD的各项指标，如温度、写入/读取错误率、剩余寿命等，并在出现异常时发出警告。

• 关键指标：

  • 03：可用备用空间，代表SSD中已使用Over-Provisioning的大小。

  • 0E：介质与数据完整性错误计数，只要大于0则表示存在潜在的介质损坏风险。

4.4.2 TRIM

• 定义：TRIM是一种命令，允许操作系统通知SSD哪些数据块不再使用，从而帮助SSD进行垃圾回收。

• 方法：大多数现代操作系统（如Windows、Linux和macOS）都支持TRIM命令，用户无需手动操作。