SSD固態(tài)硬盤(pán)底層技術(shù)解析復(fù)習(xí)課程.ppt

SSD底層技術(shù)解析 JSMatureGuChengdong 為什么需要做垃圾回收 為什么讀寫(xiě)和擦除的單位不一樣 SSD長(zhǎng)期不用會(huì)不會(huì)丟失數(shù)據(jù) MLCFlash是真正的隨機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備嗎 SLC MLC TLC是如何實(shí)現(xiàn)的 關(guān)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(jié)構(gòu)及讀寫(xiě) 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(chēng)SFF 8639 是由固態(tài)硬盤(pán)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(chǎng)狀況 前控制芯片市場(chǎng)大致分為三個(gè)等級(jí) 第一等級(jí)是三星 東芝 英特爾 SK海力士等原廠陣營(yíng) 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(duì)外供應(yīng) 第二等級(jí)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(chǎng) 第三等級(jí)是國(guó)內(nèi)主控廠 海思 國(guó)科微 聯(lián)蕓 浪潮 憶芯等在國(guó)家政策扶持下正在快速崛起 NAND芯片市場(chǎng)狀況 NANDFlash晶體管結(jié)構(gòu) 議題 SSD的主要組件 Flash的邏輯結(jié)構(gòu)及讀寫(xiě) 1 2 3 Flash的一些特性 NANDFlash邏輯結(jié)構(gòu) NAND 閃存芯片 die 核心 plane 平面 block 區(qū)塊 page 頁(yè)面 Cell NANDFlash寫(xiě)操作示意 NANDFlash晶體管物理結(jié)構(gòu) NANDFlash的寫(xiě)和擦除原理 SLC 對(duì)SLC來(lái)說(shuō) 一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)兩種狀態(tài) 漏極電壓高于某個(gè)參考值的時(shí)候 我們把它采樣為0 否則 就判為1 MLC 對(duì)MLC來(lái)說(shuō) 一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)四個(gè)狀態(tài) 一個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)2bit的數(shù)據(jù) 通俗來(lái)說(shuō)就是把漏極電壓進(jìn)行一個(gè)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(gè)存儲(chǔ)單元電子劃分的越多 那么在寫(xiě)入的時(shí)候 控制進(jìn)入浮柵極的電子的個(gè)數(shù)就要越精細(xì) 所以寫(xiě)耗費(fèi)的時(shí)間就加長(zhǎng) 同樣的 讀的時(shí)候 需要嘗試用不同的參考電壓去讀取 一定程度上加長(zhǎng)讀取時(shí)間 所以我們會(huì)看到在性能上 TLC不如MLC MLC不如SLC 對(duì)MLC來(lái)說(shuō) 擦除一個(gè)Block的時(shí)間大概是幾個(gè)毫秒 NANDFLASH的讀寫(xiě)則是以Page為基本單元的 一個(gè)Page大小主要有4KB 8KB 16KB 對(duì)MLC或者TLC來(lái)說(shuō) 寫(xiě)一個(gè)Block當(dāng)中的Page 應(yīng)該順序?qū)?Page0 Page1 Page2 Page3 禁止隨機(jī)寫(xiě)入 比如 Page2 Page3 Page5 Page0 這是不允許的 但對(duì)讀來(lái)說(shuō) 沒(méi)有這個(gè)限制 SLC也沒(méi)有這個(gè)限制 議題 SSD的主要組件 Flash的邏輯結(jié)構(gòu)及讀寫(xiě) 1 2 3 Flash的一些特性 NANDFlash的讀寫(xiě) 我們通常所說(shuō)的FLASH讀寫(xiě)時(shí)間 是不包含數(shù)據(jù)從NAND與HOST之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間 FLASH寫(xiě)入時(shí)間指是一個(gè)Page的數(shù)據(jù)從CacheRegister當(dāng)中寫(xiě)入到FLASH陣列的時(shí)間 FLASH讀取時(shí)間是指一個(gè)Page的數(shù)據(jù)從FLASH陣列讀取到PageRegister的時(shí)間 對(duì)現(xiàn)在的MLCNANDFLASH來(lái)說(shuō) 寫(xiě)入時(shí)間一般為幾百個(gè)微秒甚至幾毫秒 讀取時(shí)間為幾十微秒 垃圾回收 寫(xiě)放大 寫(xiě)放大倍數(shù) 閃存寫(xiě)入數(shù)據(jù)量 用戶寫(xiě)入數(shù)據(jù)量 寫(xiě)放大最好的情況就是1 OP OverProvisioning WA越小越好 因?yàn)樵叫∫馕吨鴮?duì)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(xiě)放大越小 意味著SSD寫(xiě)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(dòng)態(tài)WL和靜態(tài)WL 動(dòng)態(tài)WL 就是在使用Block進(jìn)行擦寫(xiě)操作的時(shí)候 優(yōu)先挑選PE數(shù)低的 靜態(tài)WL 就是把長(zhǎng)期沒(méi)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(dāng)中搬出來(lái) 然后找個(gè)PE數(shù)高的Block進(jìn)行存放 這樣 之前低PE數(shù)的Block就能拿出來(lái)使用 本地or全局 Trim 專(zhuān)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(yè) 記錄每個(gè)閃存塊的讀次數(shù) 在達(dá)到閾值 廠家提供 之前將所有的數(shù)據(jù)讀出重新寫(xiě)一遍 寫(xiě)干擾 ProgramDisturb 影響所有取的閃存頁(yè) 29 電荷泄漏 存儲(chǔ)在NANDFLASH存儲(chǔ)單元的電荷 如果長(zhǎng)期不使用 會(huì)發(fā)生電荷泄漏 不過(guò)這個(gè)時(shí)間比較長(zhǎng) 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(shù) ECC糾錯(cuò)常用閃存ECC糾錯(cuò)算法有BCH Bose Ray Chaudhuri與Hocquenghem三位大神名字首字母 和LDPC LowDensityParityCheckCod