我們知道機(jī)械硬盤最大的缺點(diǎn)在于，尋道時(shí)間比較長，也就是不適合隨機(jī)小塊IO亮元。所以這幾年固態(tài)存儲(chǔ)大行其道猛计，因?yàn)樗鼘θ魏蔚刂吩L問的開銷都相等，節(jié)省了機(jī)械尋道時(shí)間爆捞，所以隨機(jī)IO性能很好奉瘤。

當(dāng)前的SSD硬盤，單塊SSD的大塊連續(xù)讀吞吐量超過了350MB/s煮甥，寫超過了210MB/s盗温，甚至4K塊隨機(jī)讀吞吐量超過了200MB/s，寫超過了180MB/s成肘，隨機(jī)讀IOPS超過了600卖局，隨機(jī)IO延遲不超過1ms。這種速度滿足當(dāng)前主流的架構(gòu)不成問題双霍。

SSD固態(tài)硬盤的硬件組成

SSD(Solid State Drive)：是一種利用Flash芯片或者DRAM芯片作為數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)的硬盤砚偶。所以不再使用磁技術(shù)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

• 利用DRAM作為永久存儲(chǔ)介質(zhì)的SSD洒闸，又稱為RAM-Disk染坯，使用DRAM內(nèi)存條來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所以在外部電池?cái)嚅_后丘逸，需要使用電池來維持DRAM中的數(shù)據(jù)单鹿。

• 基于Flash介質(zhì)的SSD：使用“浮動(dòng)門場效應(yīng)晶體管”的晶體管來保存數(shù)據(jù)，每個(gè)這樣的晶體管叫做一個(gè)“Cell”鸣个，即單元羞反。有兩種類型的單元：

  • Single Level Cell(SLC)：每個(gè)單元可以保存1B的數(shù)據(jù)

  • Mult Level Cell(MLC)：每個(gè)單元可以保存2B的數(shù)據(jù)。所以MLC容量是SLC的兩倍囤萤，成本卻與SLC大致相當(dāng)。但因?yàn)镸LC的每個(gè)單元需要存儲(chǔ)2B是趴，所以復(fù)雜度比較高涛舍，出錯(cuò)率自然比較高。

Flash 芯片

Cell

本節(jié)我們介紹一下Cell的構(gòu)成唆途，這就是SSD可以在掉電后不丟失信息的原因

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SSD是由浮動(dòng)門構(gòu)成的富雅，所謂浮動(dòng)門是一個(gè)邏輯電路，四周被$SiO_2$包裹著肛搬。在Word Line（字線）上抬高電勢没佑，電子存儲(chǔ)在浮動(dòng)門中，字線恢復(fù)電勢温赔，電子不會(huì)丟失蛤奢，也就是說浮動(dòng)門仍然是充電的。

那么什么時(shí)候狀態(tài)為0，什么時(shí)候狀態(tài)為1呢啤贩？充電到一定電勢的后表示0待秃，電勢降到一定的閾值以后，表示為1痹屹。

在前面我們說過章郁，MLC可以在一個(gè)Cell里面保存多位，也就是一個(gè)Cell可以有多種電勢閾值志衍，這樣就可以表示00,01,11,10 4種狀態(tài)暖庄。

Cell串

把多個(gè)Cell串聯(lián)起來，就組成了Cell串楼肪。對每個(gè)cell串雄驹，每次只能讀寫其中一個(gè)Cell，所以我們會(huì)把多個(gè)Cell串并聯(lián)起來淹辞，并行操作医舆，這樣就可以讀多位數(shù)據(jù)呢。

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NADD就是由這種晶體管有序排列起來的Flash芯片象缀。每43148=34512個(gè)Cell組成一個(gè)Page蔬将，當(dāng)然這只是邏輯上，它是IO的最小單位央星。每個(gè)Page可以存放4KB的內(nèi)容*霞怀。

每128個(gè)Page組成一個(gè)Block，每2048個(gè)Block組成一個(gè)Plane區(qū)域莉给。而一個(gè)Flash芯片由兩個(gè)區(qū)域組稱毙石，一個(gè)存儲(chǔ)奇數(shù)序號，另一個(gè)存儲(chǔ)偶數(shù)序號颓遏。

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SSD固態(tài)盤的構(gòu)成

上面我們講解了NAND Flash芯片的主要構(gòu)成部分徐矩，現(xiàn)在我們來看SSD固態(tài)盤的整體構(gòu)成。

下圖為Intel X-25M固態(tài)硬盤的拆機(jī)圖叁幢。里面包含：

• 10片NAND Flash芯片
• SSD控制器
• RAM Buffer

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SSD控制器芯片負(fù)責(zé)向所有的NAND Flash芯片執(zhí)行讀寫任務(wù)滤灯，同樣也就通過指令的方式來運(yùn)作，因?yàn)榈刂沸畔⒑蛿?shù)據(jù)信息都在這8位的總線上傳送曼玩，加上總線位寬太窄鳞骤，所以一個(gè)簡單的尋址都需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能僅完成。

我們知道芯片容量越大黍判，地址就會(huì)越長豫尽，尋址時(shí)間也就會(huì)越長，對小塊隨機(jī)IO顷帖，F(xiàn)lash會(huì)隨著容量的增加而變得越來越低效美旧。

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讀寫數(shù)據(jù)流程

下面來看一下讀寫操作都需要做哪些工作渤滞？

如何讀數(shù)據(jù)

當(dāng)需要讀某個(gè)Page時(shí)，F(xiàn)lash控制器將這個(gè)Page的字線組電勢置為0陈症，可以將電勢值解碼成1或者0蔼水，放到SSD的RAM Buffer中。

從上述過程就可以看出SSD的最小IO單位為1個(gè)Page

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如何寫數(shù)據(jù)

Flash芯片要求在修改一個(gè)Cell中的位之前录肯，必須擦除這個(gè)Cell趴腋。其實(shí)這個(gè)擦除動(dòng)作就是將一個(gè)Block一下全放電。也就是每次擦除只能一下擦除整個(gè)Block论咏，將所有的Cell全置1优炬。

這就是SSD的一個(gè)非常致命的缺點(diǎn)，它不能單獨(dú)擦除某個(gè)Page或者Cell

擦除完畢以后厅贪，SSD會(huì)以Page為單位進(jìn)行寫入蠢护。

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SSD的問題

SSD天然的缺陷

Flash芯片在寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候有很多效率低下的地方，這是Flash芯片的通病

• 擦除前需要將整個(gè)Block清掉（Erase before overwrite）

  上面我們講到過如果要寫入數(shù)據(jù)养涮，必須先Erase整個(gè)Block葵硕，而不只是把一個(gè)Page或者Cell給清掉。相比于機(jī)械磁盤贯吓，多了擦除的這個(gè)步驟懈凹。

特別是如果僅僅需要更改某個(gè)Page的內(nèi)容，卻需要擦除整個(gè)Block悄谐，性能浪費(fèi)很嚴(yán)重介评。我們可以看看修改只修改某個(gè)Page的過程，

• 在擦除之前爬舰，先將Block的數(shù)據(jù)讀入RAM中们陆，

• 然后擦除整個(gè)Block，

• 再更新RAM中的對應(yīng)Page情屹，寫回Flash芯片中

這也是SSD的緩存通常比較大的原因坪仇。

這就叫做寫擴(kuò)大，我們姑且稱之為寫懲罰

這個(gè)時(shí)候我們會(huì)問屁商， 為什么如果只需要修改一個(gè)Cell烟很，卻需要把Block放電？

因?yàn)镃ell之間是存在干擾的蜡镶，如果有的在充電，有的在放電恤筛，則會(huì)產(chǎn)生不可控的干擾問題官还。所以不如直接將所有的先放電。

那 為什么需要一次擦一個(gè)Block毒坛，而不是一個(gè)Page望伦？

這是管理粒度的問題林说，粒度越小，管理開銷越大屯伞，所以一次擦一個(gè)Block是一種比較折中的方案腿箩。

不過幸好，向Free Space寫入數(shù)據(jù)時(shí)劣摇，因?yàn)槔锩鏇]有被寫過珠移，所以不需要擦除，當(dāng)然沒有寫懲罰末融。

但是另一個(gè)問題又來了钧惧，SSD如何知道哪些是Free Space？

我們知道只有文件系統(tǒng)才知道硬盤上哪些數(shù)據(jù)是有用的勾习，它會(huì)使用元數(shù)據(jù)來進(jìn)行記錄浓瞪，即使是刪除一份數(shù)據(jù)也只是修改了元數(shù)據(jù)，而不是把數(shù)據(jù)真正的刪除掉巧婶。

這樣看來乾颁，SSD其實(shí)是不知道硬盤上哪些地方是所謂的Free Space，它只會(huì)把數(shù)據(jù)往從來沒修過的地方寫艺栈，所以Free Space會(huì)越來越少英岭。

• Wear Off：

什么是Wear off？就是邏輯門充放電次數(shù)過多眼滤，$SiO_2$絕緣層的絕緣能力遭到損耗巴席，逐漸不再絕緣，無法保證有充足的電荷诅需，也就是Cell已經(jīng)物理損壞了漾唉。

更糟糕的是，損壞的Cell會(huì)拖累整個(gè)Page堰塌，因?yàn)樽钚〉膶ぶ穯挝皇荘age赵刑。這個(gè)Page的邏輯地址會(huì)被重定向到其他的Page上

MLC因?yàn)槠骷?fù)雜，可擦寫的壽命小于10000次场刑，而SLC則十倍于MLC般此，小于100000次。

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如何解決牵现？

之前我們提到SSD在寫上有會(huì)極大的寫懲罰铐懊，而且會(huì)加速Wear off，有什么好的解決方案瞎疼？

• 方法一：拆東墻補(bǔ)西墻重定向?qū)?/p>

  如果同一個(gè)Cell被高頻擦寫科乎，那么它被損壞的幾率當(dāng)然增大。如果一個(gè)Page之前都被寫過了贼急，我們不如把所有針對這個(gè)Page的寫請求重定向到Free Space上.

  這樣的好處在于對Free Space的寫是不需要提前擦除的茅茂，減少了擦除次數(shù)捏萍。不過這些被寫過的Page也不能浪費(fèi)了，我們可以把他們標(biāo)為"Garbage"空闲，等待比較多的時(shí)候令杈，再批量回收。

  這樣做的目的是將寫操作平衡到所有可能的Block中碴倾，降低單位時(shí)間內(nèi)的每個(gè)Block擦寫次數(shù)逗噩。問題是，F(xiàn)ree Space會(huì)越來越少影斑，重定向?qū)懙膸茁室矔?huì)越來越少给赞，最后降為0.

  而且因?yàn)橛兄囟ㄏ颍琒SD內(nèi)部很定需要維護(hù)一個(gè)地址映射表矫户，需要SSD的CPU能維護(hù)一定比較復(fù)雜的程序片迅，稱為wear Leveling(損耗平衡算法)

• 方法二：定期清垃圾

  前面我們說過SSD自己是不知道哪些空間是Free Space，但是文件系統(tǒng)知道皆辽，可以在操作系統(tǒng)里面運(yùn)行一種Wiper柑蛇，可以不斷掃描，然后把空閑空間通知給SSD驱闷，由SSD來執(zhí)行擦除工作耻台。

  不過這種清除工作只能定期執(zhí)行

• 方法三：持續(xù)清除體內(nèi)垃圾

  有沒有辦法可以讓文件系統(tǒng)在刪除之后實(shí)時(shí)通知SSD。

  可以使用ATA指令里面一個(gè)功能——TRIM空另，現(xiàn)在已經(jīng)集成在很多SSD的Firmware中了盆耽。

• 方法四：IO 優(yōu)化

  之前的方法主要著力點(diǎn)在Free Space。我們也可以采用另一種思路扼菠，對IO進(jìn)行優(yōu)化摄杂。
  比如Delay write。現(xiàn)在有兩個(gè)針對同一個(gè)地址的寫IO循榆，在Write1還沒寫到硬盤之前析恢，Write 2就到了，控制器直接用Write 2來覆蓋Write 1 秧饮，這個(gè)操作是在內(nèi)存里面的映挂，省去了Write 1 寫入硬盤的過程。這種機(jī)制為“寫命中”的一種情況盗尸。

  問題就是數(shù)據(jù)可能不一致柑船。比如有如下IO：Write 1 , Read 2 , Write 3 ，此時(shí)如果用Write 3取代Write 1泼各，那么Read 2 讀出了Write 3 的內(nèi)容椎组，實(shí)際上Read 2應(yīng)該讀Write 1的內(nèi)容，所以數(shù)據(jù)不一致历恐。

  另外還可以使用Combine Write寸癌，對機(jī)械硬盤來說，如果控制器一段時(shí)間內(nèi)收到多個(gè)寫IO弱贼，而這些寫IO的地址在邏輯上是連續(xù)的蒸苇，可以將小寫IO合并為大IO，一次性寫入吮旅，節(jié)約了SCSI指令周期溪烤。
  對SSD來說，邏輯地址和物理地址存在一個(gè)映射關(guān)系庇勃，我們讀數(shù)據(jù)的時(shí)候是根據(jù)這個(gè)映射關(guān)系來的檬嘀，所以可以任何地址的小IO整合為大IO，直接寫到Free的Block中责嚷。

  因?yàn)镾SD需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行合并以及優(yōu)化鸳兽，所以SSD對收到的寫數(shù)據(jù)一般采用Write Back模式，即收到主機(jī)控制器的數(shù)據(jù)立即返回成功罕拂，然后異步處理揍异。這樣就存在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，如果掉電了爆班，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失衷掷，所以SSD是需要掉電保護(hù)機(jī)制的，一般使用一個(gè)超級電容來維持掉電之后的臟數(shù)據(jù)刷盤柿菩。

• 預(yù)留備用空間

  為了防止文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫滿的極端情況戚嗅，SSD可以自己預(yù)留一部分備用空間用于重定向?qū)懀驗(yàn)椴煌ㄖ募到y(tǒng)枢舶，所以只有SSD才知道懦胞，這樣就有了一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)被占用的定額Free Space。

下面說一個(gè)題外話祟辟， 為什么不需要對SSD進(jìn)行碎片整理医瘫？

我們來看一下機(jī)械硬盤為什么需要進(jìn)行碎片整理？機(jī)械硬盤主要瓶頸在于尋道時(shí)間旧困，因?yàn)樗槠遣涣闵⒌膲K醇份，尋道次數(shù)會(huì)很多。整合到一起呢吼具，邏輯上連續(xù)的LBA地址同樣也是物理上連續(xù)的僚纷，磁盤臂換道的時(shí)間就少了。

但是對SSD而言拗盒，沒有了磁盤臂怖竭，它是通過映射關(guān)系來讀的，即使整理了碎片也沒啥用陡蝇。反而做了大堆無用功痊臭，還會(huì)減少SSD的壽命哮肚。

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SSD如何處理Cell損壞

機(jī)械硬盤如果損壞，則該扇區(qū)不能磁化广匙，磁頭會(huì)感知允趟。

而Flash中的Cell被擊穿一定次數(shù)后，損壞的幾率很高鸦致，

SSD如何判斷損壞的呢潮剪？實(shí)際上Cell只有充電和沒充電兩種狀態(tài)，那么電路實(shí)際上無法直接判斷是漏電導(dǎo)致的還是說原本就是沒電的分唾。

只好使用ECC糾錯(cuò)碼抗碰，每次讀出某個(gè)Page需要進(jìn)行ECC校驗(yàn)。Flash廠商會(huì)在Datasheet中給出最低要求绽乔，即使用該顆粒起碼配合使用何種力度的糾錯(cuò)碼弧蝇。比如8b@512B，意味著512B的范圍內(nèi)出現(xiàn)8b錯(cuò)誤迄汛，可以糾錯(cuò)捍壤。如果超過了，就只能上報(bào)“不可恢復(fù)錯(cuò)誤”鞍爱。

廠商給出的糾錯(cuò)碼力度越低鹃觉，說明顆粒的品質(zhì)越好，損壞率越低睹逃。

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SSD的前景

以上緩解SSD效率的問題都是治標(biāo)不治本的盗扇，為了解決多個(gè)問題，設(shè)計(jì)了若干的補(bǔ)救措施沉填，需要TRIM來維持疗隶，而且數(shù)據(jù)不能占得太滿。SSD在使用的時(shí)候也略顯尷尬翼闹，因?yàn)槌杀咎甙弑牵脩羧粜枰粋€(gè)10TB的存儲(chǔ)系統(tǒng)，不可能都用SSD猎荠，所以很多廠商出品了SSD + HDD混合存儲(chǔ)坚弱，其實(shí)就是將Flash芯片作為磁盤的二級緩存，一級緩存是RAM关摇，二級是FLASH荒叶，三級是磁盤片。

有人說傳統(tǒng)磁盤有64MB的RAM緩存输虱，為什么還需要Flash作為下一級的緩存些楣？如果只用磁盤的RAM，首先空間比較小，很快就塞滿了愁茁，另外不能掉電蚕钦，刷到盤片里面的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致性能驟降埋市。

而使用Flash芯片再加一級緩存冠桃，可以把RAM中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)Flash中，最關(guān)鍵的是可以掉電道宅，這樣可以直接回復(fù)給控制器成功之后，磁盤驅(qū)動(dòng)器再在后臺(tái)將數(shù)據(jù)從Flash中寫到磁盤片中胸蛛，這樣既比純SSD便宜污茵，還保證了性能。