閃存技術最全面解析

1、 閃存技術最全面解析 大家好，今天為大家準備了閃存技術大餐，內容涉及閃存架構、關鍵技術、顆粒、接口和可靠性等方方面面。部分內容之前在本號上發(fā)布過，但內容不系統(tǒng)、技術不全面，今天我專門花時間進行梳理和總結。內容豐富且基本全是原創(chuàng)，請耐心往下看，希望對大家理解閃存有所幫助。 閃存最明顯特點就是穩(wěn)定性能，低時延和高隨機IOPS。對于閃存，在評估性能時，我們一般主要關注90% IO落入規(guī)定的時延范圍(性能是一個線性范圍，而不是某一個點)。數(shù)據(jù)保護等追求所有軟件特性都基于Inline實現(xiàn)，如Inline重刪、壓縮、Thin-Provisioning(尤其是重刪，一方面SSD價格還是偏高，重刪壓縮可以節(jié)約

2、投入成本；另一方面也減少了IO下盤次數(shù)提高SSD壽命)。但對于閃存，我們所關注的特性和技術指標遠遠不止這些。閃存架構 閃存的Scale out能力: 橫向擴展能力是應對并發(fā)訪問和提升性能容量的最基本特性，所以閃存是必須具備的功能。目前XtremIO支持16控，solidfire已經(jīng)支持但100個控制器節(jié)點。 控制器對稱A/A 能力: 閃存的主要應用場景如OLTP等，傳統(tǒng)的A/P、ALUA陣列在主控制器故障切換時都需要時間切換，并導致IO歸零；并且在閃存陣列下，一般系統(tǒng)CPU是瓶頸，所以只有無歸屬、性能均衡的A/A對稱架構才能更好應對。目前傳統(tǒng)存儲(如EMC VMAX/VNX，HP 3PAR,

3、HDS USP/VSP)都已經(jīng)支持，但是閃存陣列還沒看見宣傳；好多閃存產(chǎn)品，如 PureStorage還是 A/P模式。元數(shù)據(jù)管理 閃存的設計主要是考慮如何發(fā)揮出SSD的隨機訪問性能，不像HDD那樣，需要通過預取、IO聚合技術來提高下盤的順序性，減少對機械盤的操作來提升性能。所以閃存在設計上要考慮如何優(yōu)化元數(shù)據(jù)(系統(tǒng)元數(shù)據(jù)、重刪壓縮指紋、FTL映射等)管理，IO調度策略，垃圾回收和磨損均衡等設計。 兩層元數(shù)據(jù)管理架構是實現(xiàn)元數(shù)據(jù)管理的趨勢，其基本思想是元數(shù)據(jù)映射基于LBA-塊ID-Block位置的Map形式，卷的數(shù)據(jù)LBA映射到塊ID，而不是磁盤上的物理Block地址；數(shù)據(jù)變化后只需改變對應塊

4、ID映射關系，塊ID就可以映射到新的物理空間，這樣相比單層方式就簡化重刪壓縮實現(xiàn)和效率。 SolidFire采用兩層元數(shù)據(jù)管理架構實現(xiàn)元數(shù)管理，元數(shù)據(jù)管理采用Key-Value方式；元數(shù)據(jù)映射基于LBA-塊ID-位置的Map形式，卷的數(shù)據(jù)LBA對應塊ID，而不是磁盤上的物理地址；所以數(shù)據(jù)變化后計算指紋只需改變對應塊ID映射關系，天然就支持重刪。在垃圾回收時，是采用塊標記法實現(xiàn)對未使用塊的清除。GFTL功能 GFTL稱作Global FTL，閃存陣列可以配合SSD控制器(需要SSD開放內部接口給陣列)，通過陣列完成一些如ROW寫滿條帶下盤，全局負載均衡，整塊對齊擦除、垃圾回收等高級優(yōu)化功能。另外

5、，GFLT也可記錄重刪壓縮數(shù)據(jù)庫，指紋元數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)RAID功能，進行IO聚合，通過元數(shù)據(jù)記錄實現(xiàn)RAID滿條帶下盤，從而規(guī)避讀、修改、寫放大操作，解決Write-Hole問題等。 SSD自身的FTL只能完成數(shù)據(jù)LAB/重刪后數(shù)據(jù)塊、到真實顆粒塊(block)的影射，只能實現(xiàn)簡單的垃圾回收和ROW數(shù)據(jù)寫，內部把不同Block組織在一起組成RAID。很多外購SSD磁盤的閃存廠商都還不支持GFTL技術，但是該技術是提高閃存效率和競爭力的有力武器。重刪特性 重刪是閃存最基本特性之一，分為Inline和Postline，但對閃存Inline才能體現(xiàn)真正價值。重刪一般分為HASH指紋算法(以SHA-1

6、為例說明，存在碰撞問題)和按字節(jié)對比法兩種，逐字節(jié)對比可靠性高，但會嚴重影響閃存性能，所以很少使用，只在數(shù)據(jù)一致性要求非常嚴格的場景下使用。 SHA-1算法會有Hash沖突的概率，Hash輸出長度一般為160字節(jié)的數(shù)字，對不同數(shù)據(jù)塊(大小可設置)其輸出是隨機的，在0-2(160-1)間分布，不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生相同Hash值的概率2(-160)，只有數(shù)據(jù)量(固定數(shù)據(jù)塊大小)超過這些數(shù)字能表示的值時，才會發(fā)生Hash沖突，但到目前位置，所有產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量總和都不至于產(chǎn)生Hash沖突。 所以Hash方式在產(chǎn)品中最為常見。場見的強Hash算法有SHA-1, SHA-256等；常見的弱Hash算法有Murmur

7、3, CRC, MD5等；強Hash發(fā)生沖突的概率低。 但是在某些場景，如在8K業(yè)務數(shù)據(jù)塊大小的數(shù)據(jù)庫場景下，Key值基本上是唯一的，如果重刪粒度也是8K則根本起不到重刪的效果，可以讓客戶選擇關閉該功能(XtremIO的Inline重刪功能是無法關閉的)，只開啟壓縮。IO基本流程 數(shù)據(jù)從主機下發(fā)到閃存陣列控制器，對于非A/A架構的閃存來說，首先盤判斷IO對應LUN的歸屬，如果LUN歸屬在在本地控制器，IO就寫到到對應Cache并鏡像，否則轉發(fā)給LUN歸屬控制器處理。Cache到水位時再切分塊LBA為相應大小后，交給增值模塊(如重刪壓縮模塊)處理，計算出指紋后，將指紋和數(shù)據(jù)(重復數(shù)據(jù)只保留指紋)

8、交給歸屬控制器來完成下盤，相關模塊下盤時分配分條，湊滿條帶后順序寫入磁盤，記錄真實地址和指紋關系，保存指紋到指紋數(shù)據(jù)庫。Block磨損均衡 Block磨損均衡是為了讓數(shù)據(jù)均勻分布在SSD的所有Block中，從而能達到冷熱點均勻分布提高SSD壽命的目的。閃存必須提供磨損均衡來實現(xiàn)，磨損均衡分為動態(tài)磨損均衡和靜態(tài)磨損均衡；動態(tài)磨損均衡是由主機更新數(shù)據(jù)觸發(fā)的，通過主機讀寫保證數(shù)據(jù)的擦寫平均分布到所有的Block上，因為每種應用都有冷熱數(shù)據(jù)，所以靜態(tài)磨損均衡并不能保證冷熱度均勻分布。 靜態(tài)磨損均衡是由SSD內部機制實現(xiàn)，將冷Block上的數(shù)據(jù)進行轉移(不同于垃圾回收)，擦寫冷Block上面的數(shù)據(jù)來接受

9、經(jīng)常變化的熱點數(shù)據(jù)，使冷Block有機會成為熱Block，從而使SSD中所有Block的冷熱度達到平衡。SSD掉電保護 為了防止SSD磁盤中緩存數(shù)據(jù)由于掉電丟失，SSD還需要提供掉電保護功能。一般SSD會設計電壓檢測模塊來實時檢測電壓值，當電壓低于設置閾值時，SSD電壓檢測模塊會通知SSD控制器進入掉電數(shù)據(jù)刷寫流程，此時會有超級電容作為備電源供電，把磁盤緩存數(shù)據(jù)刷到Flash顆粒中，防止數(shù)據(jù)丟失。 另一方面，閃存陣列也應該提供一種機制，當陣列主動下電或升級維護時，下發(fā)命令給SSD，讓SSD進入掉電緩存數(shù)據(jù)刷新流程，保證數(shù)據(jù)一致性。 閃存(Flash)是相對于HDD而言的一種非易失性存儲器，F(xiàn)l

10、ash分為NOR Flash和NANDFlash，NOR Flash可以當作內存使用直接執(zhí)行程序，相比DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM具有掉電數(shù)據(jù)不丟失等特點，所以在嵌入式設備(ARM/MIPS等體系架構)中，一般采用NOR Flash存儲BootLoader和OS程序。但今天我們的重點是NAND Flash。Flash顆粒解析 學習過模擬電路的同學都知道，在模電原理里三極管分兩種，一種是雙極性三極管，主要基于載流子用來做電流放大，另一種叫做CMOS場效應三極管，通過電場控制的金屬氧化物半導體。NAND Flash就是基于場效應P/N溝道和漏極、柵極技術通過浮柵Mosfet對柵極充電實

11、現(xiàn)數(shù)非易失據(jù)儲存的。一個晶體單元稱作一個Cell，向Cell中充電就是編程或寫入數(shù)據(jù)，通過電平的高低來判斷數(shù)據(jù)是0還是1。在SLC顆粒類型的Flash中，沖入電荷讀取到閾值電平為高電平，一般表示數(shù)據(jù)0。 NAND Flash SSD和HDD的最大區(qū)別，其一是SSD通過Flash控制電路選通原理來讀/寫對應地址數(shù)據(jù)，不必采用笨拙的機械磁頭定位數(shù)據(jù)外；其二是SSD在充電寫入數(shù)據(jù)前，必需要擦除原有的數(shù)據(jù)，每次充電和放電稱為一次P/E(編程/擦出)，一塊SSD的壽命和可以執(zhí)行P/E操作的次數(shù)強相關。每種Flash顆粒的P/E操作次數(shù)是不同的，P/E操作次數(shù)越多，對應Flash顆粒的SSD壽命越長，可靠

12、性越好，價格也越高。NAND Flash顆粒分類 NAND Flash可根據(jù)Cell儲存bit數(shù)據(jù)位的不同分為SLC,MLC,TLC，其中MLC還分為eMLC,MLC和cMLC。由于不同類型顆粒結構不同，所有導致了不同顆粒間數(shù)據(jù)儲存能力，性能和可靠性存在差異。 SLC(single level Cell) 是單層存儲單元，一個Cell中只存儲1bit數(shù)據(jù)(0/1)，在寫入數(shù)據(jù)后就高低2為電平，由于判定寫入數(shù)據(jù)值電壓的區(qū)間小，所以可擦寫次數(shù)和可靠性也是最好的，一般在5W-10W之間，但是存儲容量相對較少，成本也最高。 MLC(multi-level Cell) 多層式儲存單元，存儲密度較大，一個

13、Cell中可以存儲2bit數(shù)據(jù)(00/01/10/11)，相比SLC，判定寫入Cell中電壓值區(qū)間比2bit數(shù)據(jù)就比較復雜了，由于NAND Flash的物理屬性(擦寫會對顆粒的絕緣層造成損壞)，也使得隨著擦寫次數(shù)增多，很難判斷出寫入的數(shù)據(jù)具體代表的bit位。其擦寫次數(shù)一般3K左右，另外，2bit數(shù)據(jù)讀寫使得MLC速度比SLC慢，但容量較大，價格比較便宜。 eMLC(enterprise MLC)和cMLC(consumer MLC)都是采用MLC技術，主要差別就是NAND Flash顆粒篩選參數(shù)，制作工藝和測試方法不同。通過不同標準來界定顆粒，eMLC是經(jīng)過嚴格測試和企業(yè)級標準篩選，所以可靠性

14、和壽命最高；MLC次之；把挑選完eMLC/MLC之后顆粒成為 cMLC，可靠性和壽命都要稍差一些，但成本低，一般總在個人消費和企業(yè)非關鍵應用中。 TLC(Triple level Cell)三層式存儲單元，一個Cell中存放3bit數(shù)據(jù)(000-111)，數(shù)據(jù)密度更大，通過判定電壓確定寫入Cell數(shù)據(jù)的難度更大，所以SLC的擦寫次數(shù)(P/E)操作只有幾百次到上千次；可靠性和性能很低，具有成本優(yōu)勢，一般用在個人消費產(chǎn)品中(不能滿足企業(yè)產(chǎn)品要求)。SSD的可靠性問題 為了進一步提高SSD磁盤的壽命，一方面，存儲(SSD/HDD)廠商還會在顆粒之上通過ECC(隨用戶數(shù)據(jù)生成一起寫入磁盤)糾錯技術糾正

15、靜默錯誤。在數(shù)據(jù)寫入時采用ECC編碼寫入檢驗位，當數(shù)據(jù)由于位翻轉導致靜默錯誤，讀取數(shù)據(jù)時可以利用ECC檢驗位校正數(shù)據(jù)，并把正確數(shù)據(jù)返回主機。常用的ECC校正機制有8bit/512bit, 32bit/2KB，分別可以實現(xiàn)512bit中8bit數(shù)據(jù)檢驗和2KB中32bit數(shù)據(jù)錯誤的檢驗，如果錯誤的bit位數(shù)超過8/32bit(稱為Uncorrectable bit error)，ECC是無法檢驗恢復的，必須采用RIAD機制來恢復。 另一方面，SSD廠商采用Over-provisioning技術提高閃存壽命。SSD的寫入單位是Page, 擦除單位是Block，對某一塊Block擦寫達到一定次數(shù)就會

16、導致Block失效(寫入的數(shù)據(jù)無法判定識別)作廢，所以SSD也提供了額外的容量(稱為 Over- provisioning)，以便替換壞塊提高整個SSD壽命，當失效Block的容量超過Over-provisioning容量(MLC的Over-provisioning一般為SSD總容量的28%，不同介質和廠商有所不同)，使得整個SSD容量小于其宣稱容量時，該SSD就失效了。顆粒的發(fā)展和未來 雖然NAND Flash目前處于絕對的王者地位，但是傳統(tǒng)的NAND Flash是一種線性串列的Mosfet存儲結構，這種結果限制其容量很難做大。一個可行的方式就是增加存儲密度，目前NAND Flash的存儲密

17、度已經(jīng)可以做到微米、甚至到納米級別；但是隨著密度增高，存儲單元Cell的浮柵周圍產(chǎn)生電容耦合，存儲數(shù)據(jù)能力和可靠性極速降低。 所以，3D Flash技術的出現(xiàn)給閃存的發(fā)展指明了方向，3D-Flash技術主要有下面三個方向。憶阻Memristor存儲技術 憶阻器本質上是一種有記憶功能的非線性電阻，通過控制電流的變化可改變其阻值，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，通過這種電阻變化實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的功能。 美光/英特爾聯(lián)合推出3D XPoint憶阻器存儲技術，SanDisk/惠普也達成合作協(xié)議，此次合作以惠普憶阻器技術和SanDisk的非易失性存儲器技術創(chuàng)造一個新的企業(yè)級憶阻器存儲方案。憶阻

18、器存儲在訪問速度上Flash存儲快1000倍。 3D XPoint是一種立體化的存儲技術，它看起來與同為3D設計的NAND技術相似，但本質卻不同，3D XPoint并不單純是NAND，而是一種新的非易失性存儲技術。3D XPoint技術還允許存儲單元被堆疊到多個層中，這樣就可以有效提升存儲介質的容量。3D-水平NAND Flash堆疊技術 基本思路實現(xiàn)對現(xiàn)有的NAND浮柵結構進行堆疊，獲得與普通 NAND 浮柵相同的橫向可擴展性和存儲密度，另外采用氮化硅串接技術來代替浮柵的電荷捕獲閃存方法。 串聯(lián)存儲器的存取可通過在低級非存儲器中形成一個反型溝道來避免Cell的浮柵電容耦合。這種反型溝道及其相

19、關耗盡區(qū)為存儲介質中所捕獲的電荷提供了高水平電荷保護，免受應用于這些底部存取器的傳輸電壓的干擾。 此外，這種雙柵結構是公認的良好橫向可微縮性方法，它通過使頂部和底部設備之間實現(xiàn)密切的靜電相互作用來消除短通道效應。3D-垂直NAND Flash堆疊技術 三星電子推出獨家專利3D V-NAND閃存技術，提升了產(chǎn)品的容量、速度和可靠性。3D V-NAND不是使用新工藝來縮小Cell單元和提供存儲密度，而是選擇了堆疊更多層數(shù)。 傳統(tǒng)NAND Flash使用的是浮柵極Mosfet技術，充電/放電容易損壞柵極；三星采用控制柵極和絕緣層將Mosfet環(huán)形包裹起來提升了儲存電荷的的物理區(qū)域，從而提高性能和可靠

20、性。 3D V-NAND技術把Cell3D化，使得在垂直方向無限堆疊擴展，三星放棄了傳統(tǒng)的浮柵極Mosfet，降低了寫入時的電荷消耗，閃存壽命得到大幅提升，為未來SSD的發(fā)展開辟非常廣闊的空間。SSD接口技術 我們知道閃存磁盤是在HDD以后出現(xiàn)的，由于SSD優(yōu)異的隨機性能、越來越大的容量和越來越低的成本等優(yōu)勢，使得閃存熱度上升、乃至替換HDD的趨勢。由于歷史繼承性等原因，SSD在設計是也是借鑒了部分HDD技術，包含接口技術，現(xiàn)在絕大多數(shù)SSD都是采用SATA/SAS接口。SATA接口和AHCI(基于SATA接口和ATA數(shù)據(jù)指令)已是存儲的性能瓶頸凸顯，SCSI/SAS/FC接口(SCSI數(shù)據(jù)指

21、令)組合在閃存中也是昨日黃花， NVMe指令和PCIe的組合將是未來趨勢。PCIe SSD存儲接口 到目前為止，大部分存儲廠商都推出了對應的PCIe閃存卡(如 EMC XtremSF PCIe SSD卡 )和磁盤。 Fusion-io開發(fā)的專利PCIe閃存卡(IO-Drive)，可以加入到服務器中進而實現(xiàn)對應用的加速，并達到微秒級的低訪問延遲。SATA/SAS則無論如何無法達到這個水平。因此，閃存浪潮下接口規(guī)范的重大變革勢所難免。NVM Express標準 NVMExpress是硬盤的新傳輸標準，是來取代為機械盤設計AHCI(高級主機控制器接口)的接口標準，AHCI無法發(fā)揮固態(tài)磁盤的優(yōu)勢，每條

22、指令都需要讀取4次寄存器，而VNMe不需要讀取。從下面圖上可以看出NVMExpress的優(yōu)勢。 NVMExpress是一個針對使用PCIExpressSSD的企業(yè)和普通客戶端系統(tǒng)開發(fā)的可擴展的主機控制芯片接口標準。該標準針對PCIeSSD定義了最優(yōu)化的寄存器接口、指令集和功能集，并提供可擴展接口以實現(xiàn)SSD技術現(xiàn)在和將來的性能潛力。NVMe走的是PCIE通道性能高，并且是統(tǒng)一的通信規(guī)范，只要服務器和PCIE接口卡都遵循NVMe規(guī)范，PCIE接口卡可以安裝在任何服務器上而不用擔心兼容性問題。 NVMe標準的也解決了不同PCIe SSD之間的驅動適用性問題。此前的PCIe SSD，均需要安裝驅動程

23、序后才能正常使用，而不同的廠商又各自為政，每個廠商產(chǎn)品都有自己的驅動，SSD也不能作為引導使用。但支持NVMe標準之后，PCIe SSD就可適用于多個不同平臺，也不需要廠商獨立提供驅動支持。目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對NVMe SSD的支持。 針對PCIe接口提出了NVMe標準(但NVMe的使用不僅限于PCIe)。該標準由包括IDT、Dell、Intel、EMC、NetApp、Oracle以及Cisco在內的13家發(fā)起企業(yè)主導，并由80余家業(yè)界領軍公司合作開發(fā)。NVM Express是一個針對使用PCI Express SSD的企業(yè)和普通客戶端系統(tǒng)開發(fā)的可擴展的主機控制芯片接口標準。該標準針對PCIe SSD定義了最優(yōu)化的寄存器接口、指令集和功能集，并提供可擴展接口以實現(xiàn)SSD 技術現(xiàn)在和將來的性能潛力。這讓原始設備制造商無需標準化多個SSD驅動器，從而加速PCIe SSD 的推廣使用。 但是NVMe作為針對下一代存儲設備提出的指令和協(xié)議規(guī)范，除了支持PCIe接口，VNMe規(guī)范可以應用到不同的硬件接口規(guī)范上。如支持U.2接口(即SFF-8639接口，包含4組PCIeLanes和2組SAS/SATA Lanes)，SATA Express和M.2