SSD固态硬盘底层技术解析.ppt

SSD底层技术解析,JS Mature Gu Chengdong,为什么需要做垃圾回收？,为什么读写和擦除的单位不一样？,SSD长期不用会不会丢失数据？,MLC Flash是真正的随机存储设备吗？,SLC、MLC、TLC是如何实现的？,关于SSD的为什么,什么是垃圾回收？,议 题,SSD的主要组件,Flash的逻辑结构及读写,1,2,3,Flash的一些特性,SSD的基本组成-主控、闪存、接口、（固件）,SSD接口,SSD接口（续）,M.2 2242/2260/2280/22110,U.2接口别称SFF-8639，是由固态硬盘形态工作组织（SSD Form Factor Work Group）推出的接口规范。U.2不但能支持SATA-Express、PCIe，还能兼容SAS、SATA等规范,M.2接口最初叫做NGFF，全名是Next Generation Form Factor,主控芯片市场状况,前控制芯片市场大致分为三个等级， 第一等级是三星、东芝、英特尔、SK 海力士等原厂阵营，他们具有生产 NAND Flash，以及研发控制芯片的能力，主要用于自家 SSD 产品，且基本不对外供应； 第二等级是 Marvell、慧荣、群联等主控厂商，占据大部分非原厂的 SSD 市场； 第三等级是国内主控厂，海思、国科微、联芸、浪潮、忆芯等在国家政策扶持下正在快速崛起；,NAND芯片市场状况,NAND Flash晶体管结构,议 题,SSD的主要组件,Flash的逻辑结构及读写,1,2,3,Flash的一些特性,NAND Flash逻辑结构,NAND（闪存芯片） die（核心） plane（平面） block（区块） page（页面） Cell,NAND Flash写操作示意,NAND Flash晶体管物理结构,NAND Flash的写和擦除原理,SLC,对SLC来说，一个存储单元存储两种状态，漏极电压高于某个参考值的时候，我们把它采样为0，否则，就判为1.,MLC,对MLC来说，一个存储单元存储四个状态，一个存储单元可以存储2bit的数据。通俗来说就是把漏极电压进行一个划分，比如高于5.5v，判为0；4.05.5v，判为1；3.54.0v，判为2；小于3.5v，判为3.,为什么TLC的性能MLCSLC？,一个存储单元电子划分的越多，那么在写入的时候，控制进入浮栅极的电子的个数就要越精细，所以写耗费的时间就加长；同样的，读的时候，需要尝试用不同的参考电压去读取，一定程度上加长读取时间。所以我们会看到在性能上，TLC不如MLC,MLC不如SLC.,对MLC来说，擦除一个Block的时间大概是几个毫秒。 NAND FLASH的读写则是以Page为基本单元的。一个Page大小主要有4KB,8KB,16KB。对MLC或者TLC来说，写一个Block当中的Page，应该顺序写：Page0，Page1，Page2，Page3，；禁止随机写入，比如：Page2，Page3，Page5，Page0，这是不允许的。但对读来说，没有这个限制。SLC也没有这个限制。,议 题,SSD的主要组件,Flash的逻辑结构及读写,1,2,3,Flash的一些特性,NAND Flash的读写,我们通常所说的FLASH读写时间，是不包含数据从NAND与HOST之间的数据传输时间。FLASH写入时间指是一个Page的数据从Cache Register 当中写入到FLASH阵列的时间，FLASH读取时间是指一个Page的数据从FLASH阵列读取到Page Register的时间。对现在的MLC NAND FLASH来说，写入时间一般为几百个微秒甚至几毫秒，读取时间为几十微秒,垃圾回收,写放大,写放大倍数=闪存写入数据量/用户写入数据量,写放大最好的情况就是1？,OP：Over Provisioning,WA越小越好，因为越小意味着对闪存损耗越小，可以给闪存延年益寿； OP越大越好，OP越大，意味着写放大越小，意味着SSD写性能越好。,OP为：25%，每block最大平均有效数据： 80/100=80% OP为：66.7%，每block最大平均有效数据：60/100=60%,Ware Leveling,WL有两种算法：动态WL和静态WL。 动态WL，就是在使用Block进行擦写操作的时候，优先挑选PE 数低的； 静态WL，就是把长期没有修改的老数据（如前面提到的只读文件数据）从PE数低的Block当中搬出来，然后找个PE 数高的Block进行存放，这样，之前低PE数的Block就能拿出来使用。 本地 or 全局,Trim,专为SSD而生的命令（ATA） SCSI-UNMAP NVMe-deallocate,读干扰（Read Disturb）,影响的是非读取的闪存页。记录每个闪存块的读次数，在达到阈值（厂家提供）之前将所有的数据读出重新写一遍,写干扰（Program Disturb）,影响所有取的闪存页。,29,电荷泄漏,存储在NAND FLASH存储单元的电荷，如果长期不使用，会发生电荷泄漏。不过这个时间比较长，一般十年左右。同样是非永久性损伤，擦除后Block还能使用。,30,SSD数据完整性技术,ECC纠错 常用闪存ECC纠错算法有BCH（Bose，Ray-Chaudhuri与Hocquenghem三位大神名字首字母）和LDP