【大话存储II】学习笔记（2章）， SSD

我们知道机械硬盘最大的缺点在于，寻道时间比较长，也就是不适合随机小块IO。所以这几年固态存储大行其道，因为它对任何地址访问的开销都相等，节省了机械寻道时间，所以随机IO性能很好。

当前的SSD硬盘，单块SSD的大块连续读吞吐量超过了350MB/s，写超过了210MB/s，甚至4K块随机读吞吐量超过了200MB/s，写超过了180MB/s，随机读IOPS超过了600，随机IO延迟不超过1ms。这种速度满足当前主流的架构不成问题。

SSD固态硬盘的硬件组成

SSD(Solid State Drive)：是一种利用Flash芯片或者DRAM芯片作为数据永久存储的硬盘。所以不再使用磁技术来存储数据。

• 利用DRAM作为永久存储介质的SSD，又称为RAM-Disk，使用DRAM内存条来存储数据，所以在外部电池断开后，需要使用电池来维持DRAM中的数据。

• 基于Flash介质的SSD：使用“浮动门场效应晶体管”的晶体管来保存数据，每个这样的晶体管叫做一个“Cell”，即单元。有两种类型的单元：

  • Single Level Cell(SLC)：每个单元可以保存1B的数据

  • Mult Level Cell(MLC)：每个单元可以保存2B的数据。所以MLC容量是SLC的两倍，成本却与SLC大致相当。但因为MLC的每个单元需要存储2B，所以复杂度比较高，出错率自然比较高。

Flash 芯片

Cell

本节我们介绍一下Cell的构成，这就是SSD可以在掉电后不丢失信息的原因

SSD是由浮动门构成的，所谓浮动门是一个逻辑电路，四周被$SiO_2$包裹着。在Word Line（字线）上抬高电势，电子存储在浮动门中，字线恢复电势，电子不会丢失，也就是说浮动门仍然是充电的。

那么什么时候状态为0，什么时候状态为1呢？充电到一定电势的后表示0，电势降到一定的阈值以后，表示为1。

在前面我们说过，MLC可以在一个Cell里面保存多位，也就是一个Cell可以有多种电势阈值，这样就可以表示00,01,11,10 4种状态。

Cell串

把多个Cell串联起来，就组成了Cell串。对每个cell串，每次只能读写其中一个Cell，所以我们会把多个Cell串并联起来，并行操作，这样就可以读多位数据呢。

NADD就是由这种晶体管有序排列起来的Flash芯片。每4314*8=34512个Cell组成一个Page，当然这只是逻辑上，它是IO的最小单位。每个Page可以存放4KB的内容。

每128个Page组成一个Block，每2048个Block组成一个Plane区域。而一个Flash芯片由两个区域组称，一个存储奇数序号，另一个存储偶数序号。

SSD固态盘的构成

上面我们讲解了NAND Flash芯片的主要构成部分，现在我们来看SSD固态盘的整体构成。

下图为Intel X-25M固态硬盘的拆机图。里面包含：

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

SSD控制器芯片负责向所有的NAND Flash芯片执行读写任务，同样也就通过指令的方式来运作，因为地址信息和数据信息都在这8位的总线上传送，加上总线位宽太窄，所以一个简单的寻址都需要多个时钟周期才能仅完成。

我们知道芯片容量越大，地址就会越长，寻址时间也就会越长，对小块随机IO，Flash会随着容量的增加而变得越来越低效。

读写数据流程

下面来看一下读写操作都需要做哪些工作？

如何读数据

当需要读某个Page时，Flash控制器将这个Page的字线组电势置为0，可以将电势值解码成1或者0，放到SSD的RAM Buffer中。

从上述过程就可以看出SSD的最小IO单位为1个Page

如何写数据

Flash芯片要求在修改一个Cell中的位之前，必须擦除这个Cell。其实这个擦除动作就是将一个Block一下全放电。也就是每次擦除只能一下擦除整个Block，将所有的Cell全置1。

这就是SSD的一个非常致命的缺点，它不能单独擦除某个Page或者Cell

擦除完毕以后，SSD会以Page为单位进行写入。

SSD的问题

SSD天然的缺陷

Flash芯片在写入数据的时候有很多效率低下的地方，这是Flash芯片的通病

• 擦除前需要将整个Block清掉（Erase before overwrite）

  上面我们讲到过如果要写入数据，必须先Erase整个Block，而不只是把一个Page或者Cell给清掉。相比于机械磁盘，多了擦除的这个步骤。

特别是如果仅仅需要更改某个Page的内容，却需要擦除整个Block，性能浪费很严重。我们可以看看修改只修改某个Page的过程，

• 在擦除之前，先将Block的数据读入RAM中，

• 然后擦除整个Block，

• 再更新RAM中的对应Page，写回Flash芯片中

这也是SSD的缓存通常比较大的原因。

这就叫做写扩大，我们姑且称之为写惩罚

这个时候我们会问， 为什么如果只需要修改一个Cell，却需要把Block放电？

因为Cell之间是存在干扰的，如果有的在充电，有的在放电，则会产生不可控的干扰问题。所以不如直接将所有的先放电。

那 为什么需要一次擦一个Block，而不是一个Page？

这是管理粒度的问题，粒度越小，管理开销越大，所以一次擦一个Block是一种比较折中的方案。

不过幸好，向Free Space写入数据时，因为里面没有被写过，所以不需要擦除，当然没有写惩罚。

但是另一个问题又来了，SSD如何知道哪些是Free Space？

我们知道只有文件系统才知道硬盘上哪些数据是有用的，它会使用元数据来进行记录，即使是删除一份数据也只是修改了元数据，而不是把数据真正的删除掉。

这样看来，SSD其实是不知道硬盘上哪些地方是所谓的Free Space，它只会把数据往从来没修过的地方写，所以Free Space会越来越少。

• Wear Off：

什么是Wear off？就是逻辑门充放电次数过多，$SiO_2$绝缘层的绝缘能力遭到损耗，逐渐不再绝缘，无法保证有充足的电荷，也就是Cell已经物理损坏了。

更糟糕的是，损坏的Cell会拖累整个Page，因为最小的寻址单位是Page。这个Page的逻辑地址会被重定向到其他的Page上

MLC因为器件复杂，可擦写的寿命小于10000次，而SLC则十倍于MLC，小于100000次。

如何解决？

之前我们提到SSD在写上有会极大的写惩罚，而且会加速Wear off，有什么好的解决方案？

• 方法一：拆东墙补西墙重定向写

  如果同一个Cell被高频擦写，那么它被损坏的几率当然增大。如果一个Page之前都被写过了，我们不如把所有针对这个Page的写请求重定向到Free Space上.

  这样的好处在于对Free Space的写是不需要提前擦除的，减少了擦除次数。不过这些被写过的Page也不能浪费了，我们可以把他们标为"Garbage"，等待比较多的时候，再批量回收。

  这样做的目的是将写操作平衡到所有可能的Block中，降低单位时间内的每个Block擦写次数。问题是，Free Space会越来越少，重定向写的几率也会越来越少，最后降为0.

  而且因为有重定向，SSD内部很定需要维护一个地址映射表，需要SSD的CPU能维护一定比较复杂的程序，称为wear Leveling(损耗平衡算法)

• 方法二：定期清垃圾

  前面我们说过SSD自己是不知道哪些空间是Free Space，但是文件系统知道，可以在操作系统里面运行一种Wiper，可以不断扫描，然后把空闲空间通知给SSD，由SSD来执行擦除工作。

  不过这种清除工作只能定期执行

• 方法三：持续清除体内垃圾

  有没有办法可以让文件系统在删除之后实时通知SSD。

  可以使用ATA指令里面一个功能——TRIM，现在已经集成在很多SSD的Firmware中了。

• 方法四：IO 优化

  之前的方法主要着力点在Free Space。我们也可以采用另一种思路，对IO进行优化。
  比如Delay write。现在有两个针对同一个地址的写IO，在Write1还没写到硬盘之前，Write 2就到了，控制器直接用Write 2来覆盖Write 1 ，这个操作是在内存里面的，省去了Write 1 写入硬盘的过程。这种机制为“写命中”的一种情况。

  问题就是数据可能不一致。比如有如下IO：Write 1 , Read 2 , Write 3 ，此时如果用Write 3取代Write 1，那么Read 2 读出了Write 3 的内容，实际上Read 2应该读Write 1的内容，所以数据不一致。

  另外还可以使用Combine Write，对机械硬盘来说，如果控制器一段时间内收到多个写IO，而这些写IO的地址在逻辑上是连续的，可以将小写IO合并为大IO，一次性写入，节约了SCSI指令周期。
  对SSD来说，逻辑地址和物理地址存在一个映射关系，我们读数据的时候是根据这个映射关系来的，所以可以任何地址的小IO整合为大IO，直接写到Free的Block中。

  因为SSD需要对数据进行合并以及优化，所以SSD对收到的写数据一般采用Write Back模式，即收到主机控制器的数据立即返回成功，然后异步处理。这样就存在一个风险，如果掉电了，数据就会丢失，所以SSD是需要掉电保护机制的，一般使用一个超级电容来维持掉电之后的脏数据刷盘。

• 预留备用空间

  为了防止文件系统将数据写满的极端情况，SSD可以自己预留一部分备用空间用于重定向写，因为不通知文件系统，所以只有SSD才知道，这样就有了一个永远不会被占用的定额Free Space。

下面说一个题外话， 为什么不需要对SSD进行碎片整理？

我们来看一下机械硬盘为什么需要进行碎片整理？机械硬盘主要瓶颈在于寻道时间，因为碎片是不零散的块，寻道次数会很多。整合到一起呢，逻辑上连续的LBA地址同样也是物理上连续的，磁盘臂换道的时间就少了。

但是对SSD而言，没有了磁盘臂，它是通过映射关系来读的，即使整理了碎片也没啥用。反而做了大堆无用功，还会减少SSD的寿命。

SSD如何处理Cell损坏

机械硬盘如果损坏，则该扇区不能磁化，磁头会感知。

而Flash中的Cell被击穿一定次数后，损坏的几率很高，

SSD如何判断损坏的呢？实际上Cell只有充电和没充电两种状态，那么电路实际上无法直接判断是漏电导致的还是说原本就是没电的。

只好使用ECC纠错码，每次读出某个Page需要进行ECC校验。Flash厂商会在Datasheet中给出最低要求，即使用该颗粒起码配合使用何种力度的纠错码。比如8b@512B，意味着512B的范围内出现8b错误，可以纠错。如果超过了，就只能上报“不可恢复错误”。

厂商给出的纠错码力度越低，说明颗粒的品质越好，损坏率越低。

SSD的前景

以上缓解SSD效率的问题都是治标不治本的，为了解决多个问题，设计了若干的补救措施，需要TRIM来维持，而且数据不能占得太满。SSD在使用的时候也略显尴尬，因为成本太高，用户若需要一个10TB的存储系统，不可能都用SSD，所以很多厂商出品了SSD + HDD混合存储，其实就是将Flash芯片作为磁盘的二级缓存，一级缓存是RAM，二级是FLASH，三级是磁盘片。

有人说传统磁盘有64MB的RAM缓存，为什么还需要Flash作为下一级的缓存？如果只用磁盘的RAM，首先空间比较小，很快就塞满了，另外不能掉电，刷到盘片里面的时候，会导致性能骤降。

而使用Flash芯片再加一级缓存，可以把RAM中的数据存储Flash中，最关键的是可以掉电，这样可以直接回复给控制器成功之后，磁盘驱动器再在后台将数据从Flash中写到磁盘片中，这样既比纯SSD便宜，还保证了性能。