SSD固態(tài)硬盤底層技術解析復習課程.ppt

SSD底層技術解析 JSMatureGuChengdong 為什么需要做垃圾回收 為什么讀寫和擦除的單位不一樣 SSD長期不用會不會丟失數(shù)據(jù) MLCFlash是真正的隨機存儲設備嗎 SLC MLC TLC是如何實現(xiàn)的 關于SSD的為什么 什么是垃圾回收 議題 SSD的主要組件 Flash的邏輯結構及讀寫 1 2 3 Flash的一些特性 SSD的基本組成 主控 閃存 接口 固件 SSD接口 SSD接口 續(xù) M 22242 2260 2280 22110 U 2接口別稱SFF 8639 是由固態(tài)硬盤形態(tài)工作組織 SSDFormFactorWorkGroup 推出的接口規(guī)范 U 2不但能支持SATA Express PCIe 還能兼容SAS SATA等規(guī)范 M 2接口最初叫做NGFF 全名是NextGenerationFormFactor 主控芯片市場狀況 前控制芯片市場大致分為三個等級 第一等級是三星 東芝 英特爾 SK海力士等原廠陣營 他們具有生產(chǎn)NANDFlash 以及研發(fā)控制芯片的能力 主要用于自家SSD產(chǎn)品 且基本不對外供應 第二等級是Marvell 慧榮 群聯(lián)等主控廠商 占據(jù)大部分非原廠的SSD市場 第三等級是國內(nèi)主控廠 海思 國科微 聯(lián)蕓 浪潮 憶芯等在國家政策扶持下正在快速崛起 NAND芯片市場狀況 NANDFlash晶體管結構 議題 SSD的主要組件 Flash的邏輯結構及讀寫 1 2 3 Flash的一些特性 NANDFlash邏輯結構 NAND 閃存芯片 die 核心 plane 平面 block 區(qū)塊 page 頁面 Cell NANDFlash寫操作示意 NANDFlash晶體管物理結構 NANDFlash的寫和擦除原理 SLC 對SLC來說 一個存儲單元存儲兩種狀態(tài) 漏極電壓高于某個參考值的時候 我們把它采樣為0 否則 就判為1 MLC 對MLC來說 一個存儲單元存儲四個狀態(tài) 一個存儲單元可以存儲2bit的數(shù)據(jù) 通俗來說就是把漏極電壓進行一個劃分 比如高于5 5v 判為0 4 0 5 5v 判為1 3 5 4 0v 判為2 小于3 5v 判為3 為什么TLC的性能 MLC SLC 一個存儲單元電子劃分的越多 那么在寫入的時候 控制進入浮柵極的電子的個數(shù)就要越精細 所以寫耗費的時間就加長 同樣的 讀的時候 需要嘗試用不同的參考電壓去讀取 一定程度上加長讀取時間 所以我們會看到在性能上 TLC不如MLC MLC不如SLC 對MLC來說 擦除一個Block的時間大概是幾個毫秒 NANDFLASH的讀寫則是以Page為基本單元的 一個Page大小主要有4KB 8KB 16KB 對MLC或者TLC來說 寫一個Block當中的Page 應該順序?qū)?Page0 Page1 Page2 Page3 禁止隨機寫入 比如 Page2 Page3 Page5 Page0 這是不允許的 但對讀來說 沒有這個限制 SLC也沒有這個限制 議題 SSD的主要組件 Flash的邏輯結構及讀寫 1 2 3 Flash的一些特性 NANDFlash的讀寫 我們通常所說的FLASH讀寫時間 是不包含數(shù)據(jù)從NAND與HOST之間的數(shù)據(jù)傳輸時間 FLASH寫入時間指是一個Page的數(shù)據(jù)從CacheRegister當中寫入到FLASH陣列的時間 FLASH讀取時間是指一個Page的數(shù)據(jù)從FLASH陣列讀取到PageRegister的時間 對現(xiàn)在的MLCNANDFLASH來說 寫入時間一般為幾百個微秒甚至幾毫秒 讀取時間為幾十微秒 垃圾回收 寫放大 寫放大倍數(shù) 閃存寫入數(shù)據(jù)量 用戶寫入數(shù)據(jù)量 寫放大最好的情況就是1 OP OverProvisioning WA越小越好 因為越小意味著對閃存損耗越小 可以給閃存延年益壽 OP越大越好 OP越大 意味著寫放大越小 意味著SSD寫性能越好 OP為 25 每block最大平均有效數(shù)據(jù) 80 100 80 OP為 66 7 每block最大平均有效數(shù)據(jù) 60 100 60 WareLeveling WL有兩種算法 動態(tài)WL和靜態(tài)WL 動態(tài)WL 就是在使用Block進行擦寫操作的時候 優(yōu)先挑選PE數(shù)低的 靜態(tài)WL 就是把長期沒有修改的老數(shù)據(jù) 如前面提到的只讀文件數(shù)據(jù) 從PE數(shù)低的Block當中搬出來 然后找個PE數(shù)高的Block進行存放 這樣 之前低PE數(shù)的Block就能拿出來使用 本地or全局 Trim 專為SSD而生的命令 ATA SCSI UNMAPNVMe deallocate 讀干擾 ReadDisturb 影響的是非讀取的閃存頁 記錄每個閃存塊的讀次數(shù) 在達到閾值 廠家提供 之前將所有的數(shù)據(jù)讀出重新寫一遍 寫干擾 ProgramDisturb 影響所有取的閃存頁 29 電荷泄漏 存儲在NANDFLASH存儲單元的電荷 如果長期不使用 會發(fā)生電荷泄漏 不過這個時間比較長 一般十年左右 同樣是非永久性損傷 擦除后Block還能使用 30 SSD數(shù)據(jù)完整性技術 ECC糾錯常用閃存ECC糾錯算法有BCH Bose Ray Chaudhuri與Hocquenghem三位大神名字首字母 和LDPC LowDensityParityCheckCod