现代 SSD 知识

Last updated Aug 12, 2024

# 基础结构

• 主控
• 颗粒
• 缓存(如有)

# 存储层次

• 浮栅晶体管
• 存储单元
• 串 string/页 page
• 行* row
• 块 block
• 平面 plane
• 颗粒 die chip

# NAND 颗粒结构

• 每一个块有一个地址解码器
  • 地址解码器能选择同一水平面所有 page
• 地址解码器的对面有一个位线选择器
  • 位线选择器

# SLC, MLC, TLC, QLC

• single/multiple/triple/quad -level cell
• 分别能存储 2^(1/2/3/4) 种状态
• 从左到右
  • 寿命 SLC > MLC > TLC > QLC
  • 成本 SLC > MLC > TLC > QLC
  • 写入难度 SLC < MLC < TLC < QLC
  • 写入速度 SLC > MLC > TLC > QLC
  • 离电存储寿命 SLC > MLC > TLC > QLC

# 硬盘缓存策略

有独立方案, 也有 DRAM + SLC Cache / HMB + SLC Cache

DRAM(有独立缓存)

• 最快
• 多一个发热单元
• 有可能集成在主控中, 这种情况下缓存容量通常较小

HMB(无独立缓存)

• Host Memory Buffer
• 借用一部分主机的内存, 但由于硬盘总线的速率远低于内存的, 性能比起独立缓存差

SLC Cache(就是无独立缓存)

• 性能比 DRAM 或 HMB 差
• 独立 SLC, 专门有一部分 SLC 颗粒作为缓存
• 模拟 SLC, 用一部分 TLC 颗粒模拟 SLC 使用
  • 模拟 SLC 造成, 加速寿命消耗

# FTL

Flash Translation Layer, 一种软件层或固件功能

• 用来优化 SSD 性能, 延长寿命, 增加数据可靠性
• 一般 1GB 容量的 NAND 颗粒, 需要配备 1MB 的 FTL 表缓存空间
• 小缓存方案: 小于 1MB/1GB NAND, 会将常用的 FTL 表放在缓存中, 另一部分放在 NAND 颗粒中

FTL 的任务

• 地址转换: 将逻辑地址转为物理地址
• 磨损均衡 Wear balance: 平均各存储单元的写入量
• 垃圾回收 Garbage collection: 被删除的数据的重新分配和管理
• 坏块管理
• 缓存管理

# 写入放大

• Write Amplification
• 写入放大指的是固态硬盘中, 实际向 SSD 写入的数据比请求要大的现象
• 写入时需要先擦除再写入, 而擦除的最小单位是 块, 因此写入必须先读取, 在缓存中修改, 擦除原数据, 再写入数据

# IOPS

• I/O Operations Per Second

$$实际读写速度(MB/s) = \frac{IOPS \times 平均数据块大小(Bytes)}{2^{20}}$$