SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析

1、ssd基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析,prepared by : chencanwen,2012.4.12,目錄,ssd定義及組成 ssd發(fā)展歷程 ssd分類 ssd與hdd優(yōu)劣比較 ssd性能參數(shù)及一些技術(shù)解析 ssd產(chǎn)品測試介紹,ssd定義及組成,ssd(solid state disk )俗稱固態(tài)硬盤，相對原來主軸旋轉(zhuǎn)，并無機械部分，所以被人稱為固態(tài)硬盤。 ssd由控制單元和存儲單元(flash芯片)組成，存儲單元負(fù)責(zé)存儲資料，控制單元負(fù)責(zé)讀取、寫入資料。簡單的說就是存儲芯片通過陣列制成的硬盤(基本都是raid 0 模式，這也是ssd高速的原因)。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通

2、硬盤的完全相同,ssd定義及組成,controller 主控， 負(fù)責(zé)讀取、寫入 sandforce、 intel、 marvell（邁威）、 jmicron智微、 samsung、 indilinx、sandisk、 toshiba東芝、 skymedi擎泰、 phison群聯(lián)、 smi慧榮、 ktc太和、 alcor安國、 us best聯(lián)盛、亮發(fā) initio(量晶) nand flash 閃存， 負(fù)責(zé)存儲 intel、 samsung、 toshiba、 micron、 hynix、 sandisk、 stmicro、 renesas、 qimonda、 numonyx、 infineo

3、n mobile dram: samsung、elpida（爾必達(dá)）、hynix（海力士）、mcron（鎂光,ssd定義及組成,短板的出現(xiàn)硬盤,硬 盤,c p u,主 板,內(nèi) 存,性 能 表 現(xiàn),ssd發(fā)展歷程,1956年9月，ibm向世界展示了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)ibm 350 ramac （random access method of accounting and control） 1968年，ibm公司首次提出“溫徹斯特/winchester”技術(shù) 1973年，ibm公司制造出第一臺采用“溫徹期特”技術(shù)的硬盤 1979年，ibm發(fā)明薄膜磁頭，為減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度提供了可

4、能 80年代末期，ibm發(fā)明了mr（magneto resistive)磁阻，使得盤片的存儲密度 比以往20mb每英寸提高了數(shù)十倍 1991年，ibm生產(chǎn)的3.5英寸的硬盤使用了mr磁頭，使硬盤的容量首次達(dá)到了1gb， 從此 硬盤容量開始進(jìn)入了gb數(shù)量級 1999年9月7日，maxtor宣布了首塊單碟容量高達(dá)10.2gb的ata硬盤，把硬盤的容量 引入了一個新里程碑 2000年2月23日，希捷發(fā)布了轉(zhuǎn)速高達(dá)15，000rpm的cheetah x15系列硬盤 2000年3月16日，ibm第一款“玻璃硬盤”問世,hdd發(fā)展歷程,ssd發(fā)展歷程,上世紀(jì)七十年代，sun storagetek公司就開發(fā)

5、了第一個固態(tài)硬碟。由於價格昂貴、性能不穩(wěn)定，使它來去匆匆。 1989年,出現(xiàn)世界上第一款固態(tài)硬碟，不過由於其價格過於高昂因,在當(dāng)時只限應(yīng)用於非常特別的市場比如軍用市場。當(dāng)時1m大小的快閃記憶體換算下來的價格達(dá)到了3500$！ 2005年5月，三星首款基於nand快閃記憶體技術(shù)的固態(tài)硬碟搶先出貨 2007年3月，intel發(fā)佈了其首款固態(tài)硬碟,ssd,基于dram,基于flash,mlc multi-level cell多層單元,nand型 與非,nor型 或非,slc single layer cell 單層單元,ssd的分類,ssd的分類,基于dram的ssd：采用dram作為存儲介質(zhì)，目前

6、應(yīng)用范圍較窄。它仿效傳統(tǒng)硬盤的設(shè)計、可被絕大部分操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)工具進(jìn)行卷設(shè)置和管理，并提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的pci和fc接口用于連接主機或者服務(wù)器,應(yīng)用方式可分為ssd存儲器和ssd存儲器陣列兩種。它是一種高性能的存儲器，而且它的使用壽命很長，美中不足的它需要獨立供電電源來保護數(shù)據(jù)安全,ssd的分類,基于閃存的ssd：采用flash芯片作為存儲介質(zhì)，這也是通常所說的ssd。它的外觀有多種，例如：筆記本硬盤（2.5）、微硬盤（1.8）、優(yōu)盤等樣式。這種ssd固態(tài)存儲器最大的優(yōu)點就是可以移動，而且數(shù)據(jù)保護不受電源控制，能適應(yīng)于各種環(huán)境，但是使用年限不高，適合于個人用戶使用,單層單元(slc，singl

7、e layer cell) 每個單元是1bit 成本高、容量小、速度快 結(jié)構(gòu)簡單 復(fù)寫次數(shù)高達(dá)100000次 多層單元(mlc， multi-level cell) 每個單元是2bit 容量大、成本低，速度慢 mlc存儲單元中存放的資料較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，出錯的幾率會增加，必須進(jìn)行錯誤修正，性能大幅落后于結(jié)構(gòu)簡單的slc閃存 復(fù)寫次數(shù)500010000次 為了保證mlc的壽命，控制芯片都校驗和智能磨損平衡技術(shù)算法，使得每個存儲單元的寫入次數(shù)可以平均分?jǐn)?，達(dá)到100萬小時故障間隔時間(mtbf,nand flash,slc & mlc性能區(qū)別,ssd與hdd比較,16,轉(zhuǎn)速(rotational

8、 speed 或spindle speed)，是硬盤內(nèi)電機主軸的旋轉(zhuǎn)速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內(nèi)所能完成的最大轉(zhuǎn)數(shù)。 平均訪問時間(average access time)是指磁頭從起始位置到達(dá)目標(biāo)磁道位置，并且從目標(biāo)磁道上找到要讀寫的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需的時間。平均訪問時間=平均尋道時間+平均等待時間 傳輸速率(data transfer rate)， 硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度。內(nèi)部傳輸率(internal transfer rate) 亦稱持續(xù)傳輸率(sustained transfer rate)，反映了硬盤緩沖區(qū)未用時的性能,ssd與hdd性能比較,slc,mlc,hdd的性能

9、比較,其中hdd為1.8英寸, ssd即是采用多個閃存芯片的并發(fā)讀寫來提供更好的性能,18,ssd,hdd功耗比較,ssd與hdd其它比較,ssd在較寬的工作溫度范圍，強烈的抗震動和沖擊的特性，使得ssd成為軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空等、 導(dǎo)航設(shè)備等數(shù)據(jù)存儲的首選,ssd,hdd功耗比較,啟動快 沒有電機加速旋轉(zhuǎn)的過程。 讀取延遲小 不用磁頭，快速隨機讀取，讀延遲極小。 碎片不影響讀取時間 相對固定的讀取時間。由于尋址時間與數(shù)據(jù)存儲位置無關(guān)，因此磁盤碎片不會影響讀取時間 寫入速度快 基于dram的固態(tài)硬盤寫入速度極快。 無噪音 發(fā)熱量較低,ssd總結(jié),不會

10、發(fā)生機械故障 內(nèi)部不存在任何機械活動部件，不會發(fā)生機械故障，也不怕碰撞、沖擊、振動、省電 工作溫度范圍更大 典型的硬盤驅(qū)動器只能在5到55范圍內(nèi)工作。而大多數(shù)固態(tài)硬盤可在-1070工作，一些工業(yè)級的固態(tài)硬盤還可在-4085，甚至更大的溫度范圍下工作（e.g: runcore軍工級產(chǎn)品溫度為-55135）。 體積小重量輕 低容量的固態(tài)硬盤比同容量硬盤體積小、重量輕。但這一優(yōu)勢隨容量增大而逐漸減弱。直至256gb，固態(tài)硬盤仍比相同容量的普通硬盤輕,ssd總結(jié),成本高 每單位容量價格是傳統(tǒng)硬盤的510倍（基于閃存），甚至200300倍（基于dram）。 容量低 目前固態(tài)硬盤最大容量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硬盤。（

11、美國公司foremay推出了ec188m系列固態(tài)硬盤2tb。）傳統(tǒng)硬盤的容量仍在迅速增長，據(jù)稱ibm已測試過4tb的傳統(tǒng)硬盤。 易受外界影響 由于不像傳統(tǒng)硬盤那樣屏蔽于法拉第籠中，固態(tài)硬盤更易受到某些外界因素的不良影響。如斷電（基于dram的固態(tài)硬盤尤甚）、磁場干擾、靜電等,ssd總結(jié),寫入壽命有限 寫入壽命有限（基于閃存）。一般閃存寫入壽命為1萬到10萬次，特制的可達(dá)100萬到500萬次，然而整臺計算機壽命期內(nèi)文件系統(tǒng)的某些部分（如文件分配表）的寫入次數(shù)仍將超過這一極限。特制的文件系統(tǒng)或者固件可以分擔(dān)寫入的位置，使固態(tài)硬盤的整體壽命達(dá)到20年以上。 數(shù)據(jù)難以恢復(fù) 數(shù)據(jù)損壞后難以恢復(fù)。一旦在硬

12、件上發(fā)生損壞，如果是傳統(tǒng)的磁盤或者磁帶存儲方式，通過數(shù)據(jù)恢復(fù)也許還能挽救一部分?jǐn)?shù)據(jù)。但是如果是固態(tài)存儲，一但芯片發(fā)生損壞，要想在碎成幾瓣或者被電流擊穿的芯片中找回數(shù)據(jù)那幾乎就是不可能的。當(dāng)然這種不足也是可以犧牲存儲空間來彌補的，主要用raid 1來實現(xiàn)的備份，和傳統(tǒng)的存儲的備份原理相同。由于目前ssd的成本較高，采用這種方式備份還是價格不菲,ssd總結(jié),影響ssd系統(tǒng)性能因素,1、控制器性能 2、閃存性能 (mlc,slc) 3、通道數(shù)量 4、接口 5、其他 （pcb(工藝、層數(shù)layer)、輔料（磁珠、電源ic等,ssd是以1 page寫入，而擦除則是以block為最小單位。所以全新的ssd

13、因為數(shù)據(jù)順序?qū)懭?，能達(dá)到最佳性能。而使用過的ssd則將新數(shù)據(jù)寫入空白區(qū)域，當(dāng)刪除數(shù)據(jù)并沒有刪除，只是原始數(shù)據(jù)被標(biāo)注無效，當(dāng)需擦除數(shù)據(jù)時，以nand數(shù)據(jù)塊(block)為單位進(jìn)行擦除,影響ssd系統(tǒng)性能因素,27,寫入放大 write amplification,因閃存讀寫特性決定，在寫入數(shù)據(jù)前必須對閃存存儲單元先進(jìn)行擦除后方可改寫。該特性使得產(chǎn)品使用壽命受到較多影響，同時也增加了無謂數(shù)據(jù)寫入量。 理論上說，寫入放大倍數(shù)為1最適合,影響ssd系統(tǒng)性能因素,1. 垃圾回收(gc) garbage collection -這個比較特殊的算法用來整理，移動，合并，刪除閃存塊來提升效率,減少寫入放大。2

14、. 預(yù)留空間（op) over-provisioning-這塊取用一般被用來做優(yōu)化，包括磨損均衡，gc,trim和壞塊映射。（7.37%）3. trim 開啟后可以減少寫入放大一個ata指令，由操作系統(tǒng)發(fā)送給ssd主控，告訴主控哪些數(shù)據(jù)是無效的并且可以不用做垃圾回收操作。trim命令需要ssd的支持，windows7.4. 可用容量 減少寫入放大，好。(可用空間越大，寫入放大越低） ssd控制器會使用所有的可用空間做垃圾回收和磨損均衡。保證一定的可用空間可以提升ssd效率，減少寫入放大。（前提是支持trim)5. 安全擦除 secure erase減少寫入放大，好 清除所有用戶數(shù)據(jù)和相關(guān)元數(shù)據(jù)

15、，讓ssd重置到初始性能,影響ssd系統(tǒng)性能因素,6. 靜動數(shù)據(jù)分離 separating static and dynamic data 減少寫入放大，好 分組常改寫和不常改寫的數(shù)據(jù)。7. 持續(xù)寫入 sequential writes 減少寫入放大，好 理論上來說，持續(xù)寫入的寫入放大為1，但是某些因素還是會影響這個數(shù)值。8. 隨機寫入 random writes提高寫入放大，不好 隨機寫入會寫入很多非連續(xù)的lba,當(dāng)全盤顆粒都被寫過后，gc功能就將被啟用，速度就會受到影響，之后的寫入放大就會達(dá)到ssd主控制器的最大倍數(shù)。大量的隨機小文件的寫入是“閃存殺手”。9. 磨損平衡（wl） wear

16、leveling 直接提高寫入放大，不好確保閃存的每個塊被寫入的次數(shù)相等的一種機制,影響ssd系統(tǒng)性能因素,30,垃圾收集（garbage collection,一旦ssd的所有塊都已經(jīng)寫入了一次，ssd主控制器將會初始化那些包含無效數(shù)據(jù)的塊。（陳舊數(shù)據(jù)，這些塊里的數(shù)據(jù)已經(jīng)被更新的數(shù)據(jù)替換，已經(jīng)無效了，沒了lba地址），現(xiàn)在他們正在等待被刪除，以便新的數(shù)據(jù)可以寫入其中,如何優(yōu)化并整理這些個等待被刪除的無效數(shù)據(jù)，這個算法被稱為垃圾收集（gc,31,trim功能與工作原理 當(dāng)lba被操作系統(tǒng)更新后，只有隨著之后的每次數(shù)據(jù)寫入（其實等于覆蓋），ssd主控制器才知道這個地址原來早已經(jīng)失效了。（之前認(rèn)為

17、每個數(shù)據(jù)都是有效的）在win7里，由于trim的引入解決了這個問題，當(dāng)某些文件被刪除或者格式化了整個分區(qū)，操作系統(tǒng)把trim指令和在操作中更新的lba一起發(fā)給ssd主控制器（其中包含了無效數(shù)據(jù)地址），這樣在之后的gc操作中，無效數(shù)據(jù)就能被清空了，減少了寫入放大同時也提升了性能,trim的依賴性和局限性,1. trim命令需要ssd的支持，某些老型號的ssd可以靠刷新固件得到trim支持（g2,barefoot,yk40），或者用一些獨特的工具（barefoot wiper)提取出系統(tǒng)里所有無效的lba告訴ssd主控并清除。2. trim命令之后，速度并不一定是立馬就能提升的，因為trim后的干

18、凈空間可能隨機的包含在每個塊里，只有等著多次的copy block操作和主控的gc操作才能明顯感覺到速度的提升。3. 就算操作系統(tǒng)，驅(qū)動，ssd主控固件都滿足trim命令了，也不代表在某些特定環(huán)境下能工作，比如raid陣列和數(shù)據(jù)庫（至少到目前為止,預(yù)留空間 over-provisioning,預(yù)留空間一般是指用戶不可操作的容量，為實際物理閃存容量減去用戶可用容量。這塊取用一般被用來做優(yōu)化，包括磨損均衡，gc,trim和壞塊映射,損耗均衡算法 wear leveling,wear leveling就是采用一種基于頁的文件存儲算法，閃存物理地址和邏輯地址之間并沒有一一對應(yīng)的關(guān)系 ，當(dāng)固態(tài)硬盤收到數(shù)

19、據(jù)寫入請求時，并不會循規(guī)蹈矩的按順序進(jìn)行寫入，而是找到最少寫入的單元寫入,因而，在為寫入數(shù)據(jù)動態(tài)分配物理塊時,會根據(jù)各塊的使用情況不同分配相應(yīng)的優(yōu)先級，從而均衡整個存儲器各單元的使用壽命,ssd多通道并發(fā)技術(shù),由于目前nand flash的數(shù)據(jù)總線為8bit，最大能提供25mb/s的讀速度和3mb/s的寫速度，顯然ssd如果提供此速度是用戶無法接受的，目前ssd控制器普遍采用多個通道同時并行操作多片flash，類似raid0，這樣讀寫速度得到了極大地提高,糾錯管理與映射機制,ssd控制器會監(jiān)測和校驗讀寫flash的數(shù)據(jù)，以確保對數(shù)據(jù)操作的成功，并內(nèi)置糾錯冗余數(shù)據(jù)，防止基于閃存設(shè)備的個別單元數(shù)據(jù)丟失造成整個數(shù)據(jù)塊丟失。 ssd的映射機制一般采用基于頁的文件存儲算法，閃存物理地址和邏輯地