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1、SSD固态硬盘底层技术解析 Copyright 2018 Dell Inc.2为什么需要做垃圾回收？为什么读写和擦除的单位不一样？SSD长期不用会不会丢失数据？MLCFlash是真正的随机存储设备吗？SLC、MLC、TLC是如何实现的？关于SSD的为什么什么是垃圾回收？Copyright 2018 Dell Inc.3 Copyright 2018 Dell Inc.4 Copyright 2018 Dell Inc.5 Copyright 2018 Dell Inc.6SSD接口（续）M.22242/2260/2280/22110U.2接口别称SFF-8639，是由固态硬盘形态工作组织（SS
2、D Form Factor Work Group）推出的接口规范。U.2不但能支持SATA-Express、PCIe，还能兼容SAS、SATA等规范M.2接口最初叫做NGFF，全名是Next Generation Form Factor Copyright 2018 Dell Inc.7 Copyright 2018 Dell Inc.8主控芯片市场状况前控制芯片市场大致分为三个等级，第一等级是三星、东芝、英特尔、SK海力士等原厂阵营，他们具有生产NANDFlash，以及研发控制芯片的能力，主要用于自家SSD产品，且基本不对外供应；第二等级是Marvell、慧荣、群联等主控厂商，占据大部分非原
3、厂的SSD市场；第三等级是国内主控厂，海思、国科微、联芸、浪潮、忆芯等在国家政策扶持下正在快速崛起；Copyright 2018 Dell Inc.9NAND芯片市场状况 Copyright 2018 Dell Inc.11议 题SSD的主要组件FlashFlash的逻辑结构及读写的逻辑结构及读写1 12 23 3Flash的一些特性 Copyright 2018 Dell Inc.12NAND Flash逻辑结构Die/LUN1Die/LUN0NAND（闪存芯片）die（核心）plane（平面）block（区块）page（页面）Cell Copyright 2018 Dell Inc.13N
4、AND Flash写操作示意栅栅极极漏极漏极 Copyright 2018 Dell Inc.14控制控制栅栅极极浮浮栅栅极极氧化氧化层层隧道氧化隧道氧化层层源极源极漏极漏极衬衬 底底NAND Flash晶体管物理结构 Copyright 2018 Dell Inc.15NAND Flash的写和擦除原理擦除数据源极漏极衬底浮栅控制极衬底加正电压，把电子从浮栅极中吸出来写入操作源极漏极衬底浮栅控制极控制极加正电压，使电子由衬底通过绝缘层进入浮栅极 Copyright 2018 Dell Inc.16SLC对SLC来说，一个存储单元存储两种状态，漏极电压高于某个参考值的时候，我们把它采样为0，否
5、则，就判为1.Copyright 2018 Dell Inc.17MLC对MLC来说，一个存储单元存储四个状态，一个存储单元可以存储2bit的数据。通俗来说就是把漏极电压进行一个划分，比如高于5.5v，判为0；4.05.5v，判为1；3.54.0v，判为2；小于3.5v，判为3.Copyright 2018 Dell Inc.18为什么TLC的性能MLCSLC？Copyright 2018 Dell Inc.19一个存储单元电子划分的越多，那么在写入的时候，控制进入浮栅极的电子的个数就要越精细，所以写耗费的时间就加长；同样的，读的时候，需要尝试用不同的参考电压去读取，一定程度上加长读取时间。所
6、以我们会看到在性能上，TLC不如MLC,MLC不如SLC.对MLC来说，擦除一个Block的时间大概是几个毫秒。NANDFLASH的读写则是以Page为基本单元的。一个Page大小主要有4KB,8KB,16KB。对MLC或者TLC来说，写一个Block当中的Page，应该顺序写：Page0，Page1，Page2，Page3，；禁止随机写入，比如：Page2，Page3，Page5，Page0，这是不允许的。但对读来说，没有这个限制。SLC也没有这个限制。Copyright 2018 Dell Inc.20议 题SSD的主要组件Flash的逻辑结构及读写1 12 23 3FlashFlash的
7、一些特性的一些特性 Copyright 2018 Dell Inc.21NAND Flash的读写我们通常所说的FLASH读写时间，是不包含数据从NAND与HOST之间的数据传输时间。FLASH写入时间指是一个Page的数据从CacheRegister当中写入到FLASH阵列的时间，FLASH读取时间是指一个Page的数据从FLASH阵列读取到PageRegister的时间。对现在的MLCNANDFLASH来说，写入时间一般为几百个微秒甚至几毫秒，读取时间为几十微秒 Copyright 2018 Dell Inc.22垃圾回收 Copyright 2018 Dell Inc.23写放大写放大倍
8、数写放大倍数=闪存写入数据量闪存写入数据量/用户写入数据量用户写入数据量写放大最好的情况就是1？Copyright 2018 Dell Inc.24OP：Over ProvisioningWA越小越好，因越小越好，因为为越小意味着越小意味着对闪对闪存存损损耗越小，可以耗越小，可以给闪给闪存延年益寿；存延年益寿；OP越大越好，越大越好，OP越大，意味着写放大越小，意味着越大，意味着写放大越小，意味着SSD写性能越好。写性能越好。OPOP为：为：25%25%，每，每blockblock最大平均有效数据：最大平均有效数据：80/100=80%80/100=80%OPOP为：为：66.7%66.7%，
9、每，每blockblock最大平均有效数据：最大平均有效数据：60/100=60%60/100=60%耐写度耐写度写放大写放大 Copyright 2018 Dell Inc.25Ware LevelingWL有两种算法：动态WL和静态WL。动态WL，就是在使用Block进行擦写操作的时候，优先挑选PE数低的；静态WL，就是把长期没有修改的老数据（如前面提到的只读文件数据）从PE数低的Block当中搬出来，然后找个PE数高的Block进行存放，这样，之前低PE数的Block就能拿出来使用。本地or全局 Copyright 2018 Dell Inc.26Trim专为SSD而生的命令（ATA）S
10、CSI-UNMAPNVMe-deallocate Copyright 2018 Dell Inc.27读干扰（Read Disturb）影响的是非读取的闪存页。记录每个闪存块的读次数，在达到阈值（厂家提供）之前将所有的数据读出重新写一遍 Copyright 2018 Dell Inc.28写干扰（Program Disturb）影响所有取的闪存页。Copyright 2018 Dell Inc.2929电荷泄漏存储在NANDFLASH存储单元的电荷，如果长期不使用，会发生电荷泄漏。不过这个时间比较长，一般十年左右。同样是非永久性损伤，擦除后Block还能使用。Copyright 2018 De
11、ll Inc.3030SSD数据完整性技术ECC纠错纠错常用闪存ECC纠错算法有BCH（Bose，Ray-Chaudhuri与Hocquenghem三位大神名字首字母）和LDPC(LowDensityParityCheckCode)静态ECCvs动态ECCRAID数据恢复数据恢复重重读读（Read Retry）扫扫描重写技描重写技术术数据随机化数据随机化磨磨损损平衡平衡 Copyright 2018 Dell Inc.31http:/公众号：SSDFANS一个了解SSD知识的公众号 Copyright 2018 Dell Inc.32此此课件下件下载可自行可自行编辑修改，修改，仅供参考！供参考！感感谢您的支持，我您的支持，我们努力做得更好！努力做得更好！谢谢!