SSD固态硬盘底层技术解析复习课程.ppt

SSD底层技术解析 JSMatureGuChengdong 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 MLCFlash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 22242 2260 2280 22110 U 2接口别称SFF 8639 是由固态硬盘形态工作组织 SSDFormFactorWorkGroup 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NextGenerationFormFactor 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NANDFlash 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 NANDFlash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 NANDFlash逻辑结构 NAND 闪存芯片 die 核心 plane 平面 block 区块 page 页面 Cell NANDFlash写操作示意 NANDFlash晶体管物理结构 NANDFlash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 0 5 5v 判为1 3 5 4 0v 判为2 小于3 5v 判为3 为什么TLC的性能 MLC SLC 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 NANDFLASH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 NANDFlash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CacheRegister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PageRegister的时间 对现在的MLCNANDFLASH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 OverProvisioning 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 WareLeveling 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 UNMAPNVMe deallocate 读干扰 ReadDisturb 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 ProgramDisturb 影响所有取的闪存页 29 电荷泄漏 存储在NANDFLASH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LDPC LowDensityParityCheckCod