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SSD背后的秘密:SSD基本工作原理

2019-12-6

主要由控制器,FLASH存储阵列,板上DRAM(可选),以及跟HOST接口(诸如SATA,SAS, PCIe等)组成。

SSD主控通过若干个通道(channel)并行操作多块FLASH颗粒,类似RAID0,大大提高底层的带宽。举个例子,假设主控与FLASH颗粒之间有8个通道,每个通道上挂载了一个,HOST与FLASH之间数据传输速率为200MB/s。该闪存颗粒Page大小为8KB,FLASH page的读取时间为Tr=50us,平均写入时间为Tp=800us,8KB数据传输时间为Tx=40us。那么底层读取最大带宽为(8KB/(50us+40us))*8 = 711MB/s,写入最大带宽为(8KB/(800us+40us))*8 = 76MB/s。从上可以看出,要提高底层带宽,可以增加底层并行的颗粒数目,也可以选择速度快的FLASH颗粒(或者让速度慢的颗粒变快,比如MLC配成SLC使用)


HOST是通过LBA(Logical Block Address,逻辑地址块)访问SSD的,每个LBA代表着一个Sector(一般为512B大小),操作系统一般以4K为单位访问SSD,我们把HOST访问SSD的基本单元叫用户页(Host Page)。而在SSD内部,与FLASH之间是FLASH Page为基本单元访问FLASH的,我们称FLASH Page为物理页(Physical Page)。HOST每写入一个Host Page, SSD主控会找一个Physical Page把Host数据写入,SSD内部同时记录了这样一条映射(Map)。有了这样一个映射关系后,下次HOST需要读某个Host Page 时,SSD就知道从FLASH的哪个位置把数据读取上来。

对绝大多数SSD,我们可以看到上面都有板载DRAM,其主要作用就是用来存储这张映射表。也有例外,比如基于Sandforce的SSD,它并不支持板载DRAM,那么它的映射表存在哪里呢?SSD工作时,它的绝大部分映射是存储在FLASH里面,还有一部分存储在片上RAM上。当HOST需要读取一笔数据时,对有板载DRAM的SSD来说,只要查找DRAM当中的映射表,获取到物理地址后访问FLASH从而得到HOST数据.这期间只需要访问一次FLASH;而对Sandforce的SSD来说,它首先看看该Host Page对应的映射关系是否在RAM内,如果在,那好办,直接根据映射关系读取FLASH;如果该映射关系不在RAM内,那么它首先需要把映射关系从FLASH里面读取出来,然后再根据这个映射关系读取Host数据,这就意味着相比有DRAM的SSD,它需要读取两次FLASH才能把HOST数据读取出来,底层有效带宽减半。对HOST随机读来说,由于片上RAM有限,映射关系Cache命中(映射关系在片上RAM)的概率很小,所以对它来说,基本每次读都需要访问两次FLASH,所以我们可以看到基于Sandforce主控的性能是不太理想的。


一块刚买的SSD,你会发现写入速度很快,那是因为一开始总能找到可用的Block来进行写入。但是,随着你对SSD的使用,你会发现它会变慢。原因就在于SSD写满后,当你需要写入新的数据,往往需要做上述的垃圾回收:把若干个Block上面的有效数据搬移到某个Block,然后擦掉原先的Block,然后再把你的Host数据写入。这比最初单纯的找个可用的Block来写耗时多了,所以速度变慢也就可以理解了。

在SSD内部,有一种叫(Wear Leveling,WL)的机制来保证这点。
WL有两种算法:动态WL和静态WL。所谓动态WL,就是在使用Block进行擦写操作的时候,优先挑选PE 数低的;所谓静态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。
下面这张图诠释了无WL,动态WL和静态WL下的FLASH耐久度的区别 (假设每个Block最大PE数为10,000)

可见,使不使用WL,以及使用何种WL算法,对SSD的寿命影响是很大的。


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