NAND-与-SSD-技术简介

1、,SSD 101,NAND 与 SSD 技术简介,三星电子株式会社,NAND Flash 基础,高科技产品,与.,SSD 的主要组成,控制器,NAND Flash : 与 HDD 的主要差别,DRAM,与主机通讯的中枢, 主要负责在 NAND Flash 内存中的读/写任务,采用数据储存区，而不是HDD的磁盘,当在永久 NAND Flash 内存中保存数据时，作为缓存临时储存数据,SSD(NAND) : 程序/擦除,HDD : 覆盖,数据处理,Control Gate,ONO,n+,n+,袖珍 p 阱,Tunnel Oxide,Control Gate,ONO,N+,n+,袖珍 p 阱,Tun

2、nel Oxide,NAND Flash 内存,页（Page） 最小读写单位(程序) 块（Block） 最小擦除单位,NAND 上的覆盖操作,覆盖 page 3 意味着什么?,Page 1,Page 2,Page 1,Page 2,Page 3,Page 4,.,Page 64,Page 3,空闲块,不切实际 !,解决方案,数据写入变为 Page 4,继续写到下一个page里.,Page 1,Page 2,Page 4,Page 64,Page 3,无效,将 Page 3 标记为无效数据,SSD 技术,SSD 技术,交错操作 MAP 数据管理 TRIM,平均抺写,对性能,对寿命和耐久性,SSD

3、 技术的主要目标是更好地管理 NAND Flash 内存.,垃圾回收 超容量 压缩,交错操作,非交错操作,数据流,单通道,数据流,多通道,进程,数据,进程,数据,进程,数据,数据,数据,数据,进程,数据,进程,数据,进程,数据,进程,数据,进程,数据,进程,数据,数据,数据,数据,数据,数据,数据,交错操作,交错操作,通道(channel) - NAND 与控制器之间独立的数据路径 路(way) 一组共享同一个通道的 NAND 组件,数据,文件系统,映像表,逻辑地址,映像表,物理地址2,NAND Flash 内存,映像表可以将主机的逻辑地址翻译成 NAND 物理地址. 这个过程是必需的，因为

4、NAND 不允许覆盖数据, 因此，SSD 必须保留写有文件的轨.,物理地址1,平均抺写,区块号,擦写次数(EC),例如， 写入/擦除周期= 5 - 设备疲劳,区块号,擦写次数(EC),热块,平均抺写,垃圾回收,垃圾回收创建 “空闲块”.,假定 1 : 设备有4 blocks (block 03) 假定 2 : 设备至少有一个空闲块. 假定 3 : 不支持TRIM 指令命令序列. 1. 写 File A (size = 3 pages) 2. 写 File B (size = 5 pages) 3. 修改 File A (size = 4 pages) 4. 写 File C (size = 3

5、 pages),BLK 0,BLK 1,BLK 2,BLK 3,*每一个单元代表NAND flash.中的一个物理地址。,File A,File A,File A,File B,File B,File B,File B,File B,File A,File A,File A,File A,无效,无效,无效,无效,File C,File C,File C,空闲块,BLK 0,BLK 1,BLK 2,BLK 3,*每一个单元代表NAND flash.中的一个物理地址。,File A,File A,File A,File B,File B,File B,File B,File B,File A,Fi

6、le A,File A,File A,无效,无效,无效,File C,File C,File C,空闲块,TRIM,TRIM 是 “Information of deleted address”.,假定 1 : 设备有4 blocks (block 03) 假定 2 : 设备有至少一个空闲块. 假定 3 : 支持 TRIM 指令 命令序列. 1. 写 File A (size = 3 pages) 2. 写 File B (size = 5 pages) 3. 修改 File A (size = 4 pages) 4. 删除 File A (TRIM command is issued.) 5

7、. 写 File C (size = 3 pages),无效,无效,无效,无效,In this case, 垃圾回收 doesnt occur because the TRIM prepares a 空闲块 in advance. After performing the TRIM command, Block2 becomes a 空闲块.,超容量缓存,通过保留一些内存容量, SSD 可以更加轻松地创建一些空闲块，以提升内存的性能和可靠性.,256GB SSD,240GB SSD,OP 区 (16GB),压缩,压缩可以通过减少所写入的数据，帮助提升整体性能，并延长设备的使用寿命.,32KB

8、data,16KB 数据 已写,压缩用户数据,32KB 数据,Samsung SSD 830 系列,Samsung SSD 830 系列,关键组件,Toggle DDR NAND Flash,基于3-核 ARM9 的 MCX 控制器,256MB DDR2 DRAM 缓存,Toggle NAND的优势,SDR NAND: 在时钟信号的一个边缘处理数据,Toggle DDR NAND : 在时钟信号的两个边缘处理数据,66Mbps,133Mbps 随机读IOPS 10% 随机写IOPS 40%,三核的优势,CPU0,HOST,DRAM,F0,F1,F2,F9,闪存,CPU1,CPU2,随机读,随机

9、写,随机读,写,读,Samsung 830s 内部结构,写,读,DRAM 缓存的优势,DRAM 缓存有助于保持稳定的随机读性能, 即使访问范围增加了.,访问范围,固件设计概念,性能,真实用户体验,稳定的性能 & 可靠性,可靠性,启动 应用装载 文件拷贝,突然断电 发热问题 寿命及耐久性,性 能,性能,SATA 6 Gb/s 接口,随机,顺序,性能 (OS),*内部测试结果,性能 (向后兼容性),SATA II, 3Gb/s 接口,*内部测试结果,随机,顺序,性能 (压缩),*内部测试结果,Office 文件 图形文件 视频文件,可压缩模式,稳健拷贝,可靠性,耐久性,工作量（Workload ）

10、 - SSD 的耐久性 取决于用户的工作量. - 三星已经通过内部测试，制作了这个与用户工作量相关的产品预期寿命表。,需要熟悉NAND的知识 耐久性（Endurance）,突然断电恢复,如果你的台式机或膝上电脑突然断电，就有可能会产生损坏SSD，并有可能丢失你的数据的风险. 三星 830 硬件算法的设计目的，就是保护用户的数据，并恢复突然断电给你带来的损失。,前台GC,当主机发出一个写指令后，设备就会创建闲块,积极面 提高了耐久性 (减少不必要的数据拷贝) 消极面 降低了性能 (如果映射 & GC，算法就不好),三星的领导地位,Source: iSuppli, Q4 2010 (excludes enterprise server),SSD市场份额,家电,其他,其他,用户体验,安装工具,Norton Ghost,三星的 Magician Software 使