全面理解SSD和NAND Flash

　　Flash Memory又叫做闪存，是一种非易失性存储器。非易失性是指断电之后数据不会丢失，这里就涉及到断电保护（后面详细讲解）。

总体思路

1、前言：HDD和SSD的比较引出Flash。

2、Flash的分类：NAND Flash和NOR Flash。

3、NAND Flash规则介绍。

4、SSD固件（Firmware，FW）包括：映射表（Mapping Table）、垃圾回收（Garbage Collection）、磨损平衡（Wear Leveling，WL）等。

5、补充概念：写入放大（Write Application）、预留空间（Over Provisioning）、Flash寿命（Program/Erase Count，P/E）等。

6、断电保护机制。 

7、对SSD的评价标准：稳定性、性能、寿命。

1、前言

（1）HDD

　　HDD是指机械硬盘，是传统普通的硬盘。

　　介质：采用磁性碟片来存储。

　　包括：盘片、磁头、磁盘旋转轴及控制电机、磁头控制器、数据转接器、接口、缓存。

机械式硬盘最大速率约为100MB/s，由于容易发热等原因已经无法再进一步提升速度，所以引入了固态硬盘

（2）SSD

　　SSD（Solid State Drives）是固态硬盘。

　　介质：采用闪存颗粒来存储。

　　包括：控制单元、存储单元（DRAM芯片/FLASH芯片）。

（3）性能&外观区别

　　HDD是机械式寻找数据，所以防震远低于SSD，数据寻找时间也远低于SSD。SSD（左图）和HDD（右图）的模样区别如下：

（图片来自百度）

2、Flash的分类

　　Flash又分NAND Flash和NOR Flash，NOR型存储内容以编码为主，其功能多与运算相关；NAND型主要功能是存储资料，如数码相机中所用的记忆卡。

　　现在大部分的SSD都是用来存储不易丢失的资料，所以SSD存储单元会选择NAND Flash芯片。这里我们讲的就是SSD中的NAND Flash芯片。

（1）Nor Flash：主要用来执行片上程序

　　优点：具有很好的读写性能和随机访问性能，因此它先得到广泛的应用；

　　缺点：单片容量较小且写入速度较慢，决定了其应用范围较窄。

（2）NAND Flash：主要用在大容量存储场合

　　优点：优秀的读写性能、较大的存储容量和性价比，因此在大容量存储领域得到了广泛的应用；

　　缺点：不具备随机访问性能。

3、NAND Flash的规则

（1）Flash都不支持覆盖，即写入操作只能在空或已擦除的单元内进行。

　　更改数据时，将整页拷贝到缓存（Cache）中修改对应页，再把更改后的数据挪到新的页中保存，将原来位置的页标记为无效页；

　　指定在已有无效数据的位置写入时，需要先擦除无效页才能在该位置写入新数据。

 

（2）以page为单位写入，以Block为单位擦除；擦除Block前需要先对里面的有效页进行搬迁。

（3）每个Block都有擦除次数限制（有寿命），擦除次数过多会成为坏块（bad block）。

 4、SSD固件内容

（1）映射表 Mapping Table

　　逻辑地址：用户程序中使用的相对地址；

　　物理地址：实际存储单元的绝对地址；

　　所以，映射表里面存储的内容是逻辑地址到物理地址的映射信息，利用逻辑地址查询映射表，找到对应的物理地址，再对实际存储单元做读写访问。

　　SSD内部就维护了一张映射表；一般SSD内部会板载DRAM，用于存储程序运行的临时数据，断电会丢失；映射表存放在SDRAM中（方便快速访问），同时NAND Flash中会存储几份映射表（防止断电后映射关系丢失），而且会定期对NAND Flash中的映射便进行更新。

（2）垃圾回收 Garbage Collection

　　垃圾回收就是把几个Block中的有效数据集中搬移到新的Block上去， 然后再把这几个Block擦除掉。

　　垃圾回收机制有很多，都是根据不同的侧重点提出的，所以没有最优的算法，就像伴侣一样只有适不适合之说。如：Greedy算法，每次选择包含最少有效页的Block来回收，也就是对垃圾的贪心，每次尽可能回收最多的垃圾。还有Cost-Benefit算法（考虑Block的擦除次数）、Cat回收算法、CICL算法等。

另外有两种回收策略：

• 被动回收策略：当有写入请求的时候，首先判断当前可用空间大小与临界值大小的比较；如果空间足够，直接写入空闲空间；如果空间不够了，首先启用垃圾回收，再往空闲区域完成写入请求。
  • 不足之处：当空间不够的时候写请求会被延迟。
• 主动回收策略：通过固件设定周期性任务，定时检查可用空间大小，如果需要就执行垃圾回收。
  • 巧妙之处：利用空闲时间提前进行垃圾回收，避免对请求造成不必要的延时。
  • 不足之处：倘若系统一直没有空闲时间，垃圾回收依旧无法有效执行。

（3）磨损平衡 Wear Leveling

　　每个Block都是有寿命（Program/Erase Count，P/E值）的，他们的擦除次数是有限的。NAND Flash的寿命类似“木桶原理”，取决于所有Block中的最小寿命。如果拼命对某一块进行擦除，NAND Flash的寿命将会被缩减到最小。所以引入了磨损平衡，平衡所有Block的擦除次数。

　　有很多不同的磨损平衡机制，大体可以分为两大类：动态WL、静态WL。

• 动态WL：使用Block进行擦写时，优先挑选P/E值低的Block。
• 静态WL：把P/E值低的Block中的数据挪到P/E值高的Block中存放。

5、补充概念

（1）写入放大 Write Application

• 写放大原理

　　写入放大倍数 = 闪存写入数据量 / 主控写入数据量 = 实际写入数据量 / 要求写入数据量

　　例如，现在有一个写入一页的请求；即主控写入数据量为1；

 

　　然而这个一页请求触发了垃圾回收，当前的写请求会被延迟，直到垃圾回收完毕后再执行写入操作；

　　如果垃圾回收只挪了5页有效数据，那么实际的写入量应该为6页（1页写请求，5页挪动）；即闪存写入数据量为6；

　　所以写放大为6/1 = 6。

　　理想的写放大为1，但是Sandforce的数据写入时会进行压缩写入，最优情况下，写放大可以为0.5，打破了Intel的“写放大不可能小于1”之说。

• 压缩写入

　　三大好处：减少待存储数量，节约存储空间；减小待存储数据翻转可能性，增加NAND Flash的寿命和减少能耗；获得较小NAND Flash的写放大，提高读写速度。

　　压缩写入方法又分为有损压缩和无损压缩。

　　有损压缩：存在信息丢失，无法100%的保存原始信息。

　　无损压缩：不允许精度损失，能100%恢复原始信息；无损压缩的压缩和解码复杂度较高，往往会大大的降低了NAND Flash的读写速度上的优势。

　　现如今，数据压缩编码算法还不够强大，所以大部分厂家都不会采用压缩写入。Sandforce除外。

（2）预留空间 Over Provisioning

• OP介绍

　　通过垃圾回收的过程，不难知道，垃圾回收的前提是要提供空闲区域来拷贝，如果连空闲区域都没有，垃圾回收将无法执行，这时将不再支持任何数据的写入。为了避免这种情况的发生，提出了预留空间。

　　预留空间不仅仅只是用来保证垃圾回收的正常完成，还存储着SSD内部的系统数据（包括：出厂坏块信息、SSD固件、Mapping Table等）。

　　所以如果说明存储大小为256GB，实际上的存储空间可能只有238GB（一般预留空间为7%）。

　　另外，OP越大，垃圾回收就会越快，相应写放大会变小，所以读写性能就会越好；但用户能使用的空间会被缩小。

• OP与SA区别

　　Over Provisioning（OP，预留空间）不仅仅只是用来保证垃圾回收的正常完成，还存储着SSD内部的系统数据（包括：出厂坏块信息、SSD固件、Mapping Table等）。是基于SSD的概念。

　　Spare Area（SA区）一般用来标记坏块，和保存对main区数据的ECC校验码。是基于NAND Flash中一个Block的概念。

　　

（3）Flash寿命 Program/Erase Count

　　前面也已经提及到了，每个Block都是有擦除次数限制的，所以引入了寿命这个说法。

6、断电保护机制

　　为了提升读写性能，通常使用SDRAM做缓存，如果在读写过程中遭遇异常掉电，SDRAM中的数据可能来不及写进Nand Flash导致数据丢失，或者更新的映射表来不及写进Nand Flash导致映射表丢失。

　　中控里板载的SDRAM是易失性存储器，断电之后数据会丢失，这个时候SDRAM中的数据主要包括：用户数据、映射表；

　　如果没有断电保护机制，再次上电时，先去NAND Flash中找上次更新时的映射表，这时拿到的信息并不是最新的，是上次更新NAND Flash中映射表时的数据信息，所以发生了大部分数据丢失。

　　因此SSD板上会加上钽电容或者超级电容，当检测到非法断电时，首先停止数据操作，钽电容或超级电容开始放电，以保证SDRAM中的数据能够写入到NAND Flash中。

　　至于是用钽电容还是超级电容，得看具体要保护的数据量；不是电容的容量越大越好，因为只要电容开始放电，就要等待它的电放完之后才可以进行其他操作。假如电容容量过大，用户只是点了个电脑重启，这时候SSD的电容会开始放电，放电还没完成的时候，电脑已经重新上电，这时无法认盘。所以电容电量应该选最时候的。

　　基于SDRAM中的内容，断电保护机制主要分为3种：

（1）保存SDRAM中所有数据

　　再次上电后，相当于断电前的操作被中断，重新上电后就可立马进入待命状态。

（2）只保存SDRAM中的用户数据

　　再次上电后，需要先把上次NAND Flash中保存的映射表提取到SDRAM中，再将保存的用户数据提取出来，两者结合更新映射信息，更新完之后才进入待命状态。

（3）只保存SDRAM中的映射表

　　再次上电后，需要先把上次NAND Flash中保存的映射表提取到SDRAM中，只是丢掉了用户断电前正在操作的数据，无法更新。

7、SSD的评价标准

（1）稳定性：SSD是否稳定，最大的影响因素是垃圾回收机制的选择，恰当的垃圾回收可以提供稳定的读写速率；例如主动垃圾回收机制，在空闲的时候做垃圾回收，读写速度不会因为延时而波动不定。

（2）性能：预留空间的大小主要决定了SSD的性能，OP大，垃圾回收快，相应写放大小，读写性能就越好。

（3）寿命：所有Block的P/E值越趋近于均衡，SSD的寿命就越趋近于最佳。