SSD

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固态硬盘SSD（Solid State Drive）

闪存组织

  1. 闪存（Flash Memory）
    • 1984：NOR flash
    • 1987：NAND flash
    • 1992：SSD
  2. NOR flash vs NAND flash
    • NOR是字节寻址，NAND是页寻址
    • NOR读延迟比NAND低100x
    • NOR擦除时间比NAND高300x
    • NOR用于取代ROM，存可执行代码
    • NAND用于大量持久化存储设备
  3. 信息存储方式
    • SLC：1 bit/cell 2个值 0/1
    • MLC：2 bit/cell 4个值 00/01/10/11
    • TLC：3 bit/cell 8个值
    • QLC：4 bit/cell 16个值

NAND闪存组织

  1. Flash package
    • 多个 die
  2. Die
    • 多个 Plane/Bank
  3. Plane/Bank
    • 很多块（擦除块）
    • 一些寄存器
  4. 块（Block/Erase Block）
    • 很多页
  5. 页（Page）
    • 由数据区与OOB(Out of Band)区构成
    • 数据区用于存储实际数据
    • OOB区用于记录
      • ECC
      • 状态信息：Erased/Valid/Invalid
      • Logic Page Number
    • 页大小
      • SLC通常为2KB8KB，TLC通常为4KB16KB
    • 块大小
      • SLC通常为128KB、256KB...
      • TLC通常为2MB、4MB...

闪存的操作接口

  1. 读：Read a page
    • 读的粒度是页
    • 读很快，读延迟在几十微秒
    • 读延迟与位置无关，也与上一次读的位置无关（和磁盘不同）
  2. 擦除：Erase a block
    • 把整个块写成全1
    • 擦除的粒度是块，必须整块擦除
    • 很慢：擦除时间为几个毫秒
    • 需软件把块内有效数据拷贝到其它地方
  3. 写：Program a page
    • 擦除后才能写，因为写只能把1变成0
    • 写的粒度是页
    • 写比读慢，比擦除快，写延迟在几百微秒

页的状态

  1. 初始状态为Invalid
  2. 读时，不改变页的状态
  3. 擦除时，块内所有页的状态变为Erased
  4. 写时，只能写状态为Erased的页，写后页状态变为Valid

闪存的性能和可靠性

  1. 性能
    • 写延迟比读高10倍以上
    • 写延迟波动幅度大
    • 擦除很慢：约为磁盘定位延迟
    • 延迟随密度增加而增长
  2. 可靠性
    • 磨损：擦写次数有上限，随密度增加而减少
    • 干扰：读写一个页，相邻页中一些位的值发生翻转
  3. 闪存特性
    • 读延迟很低：随机读的性能远优于磁盘
    • 写慢：必须先擦除再写，约为磁盘写（ms级）
    • 磨损：每个块擦写次数有上限

基于闪存的SSD

  1. 用很多闪存芯片来构成一个持久化存储设备SSD
  2. 多个闪存芯片：并行I/O，提高I/O性能
  3. 与主机的接口：提供标准块设备接口
  4. 数据缓存和缓冲：SRAM/DRAM
  5. 闪存控制器（硬件）和FTL（固件）：控制逻辑
    • 主机命令转换成闪存命令（Read/Erase/Program）
    • 逻辑块地址转换成闪存的物理地址（页/块）
    • 缓存替换

FTL

最简单的FTL：直接映射

  1. Direct Mapping
    • 逻辑块的第N块直接映射到物理的第N页(假设逻辑块与物理页都为4KB）
  2. 读操作容易：读逻辑第k页
    • 读物理第k页
  3. 写操作麻烦：写逻辑第k页
    • 第k页所在闪存块（记为B0）
    • 把B0整个块读出来
    • 把B0整个块擦除
    • B0中的旧页和新的第k页：以顺序方式一页一页再写入B0
  4. 缺陷：写性能极差
    • 每写一个页，要读整个块、擦除整个块、写整个块
    • 写放大

FTL改进：异地更新

  1. 核心思想：异地更新（out-of-place update）
    • 不再执行原地更新
    • 每次写页，写到一个新位置（新的物理页地址）
  2. 页级映射
    • 页级映射表：LPN -> 物理页地址PPN
      • 整个放在内存中
      • 持久化：利用页的OOB区来保存映射表
      • 随着写页而被写到闪存
      • 掉电或重启，扫描OOB区来恢复映射表
    • 优点：
      • 性能好：减少写放大
      • 可靠性好：映射关系被自动写入闪存
    • 问题：
      • 重写产生垃圾页
        • 每次写到新位置，导致原先页的内容无效
      • 内存开销大
        • 映射表全部放内存
        • 映射表的大小与SSD容量成正比
  3. 写一个逻辑页k
    • 寻找一个空闲页p（例如当前擦除块中下一个空闲页p）
    • 在映射表中记录：逻辑页k -> 物理页p
  4. 读一个逻辑页k
    • 查映射表，获得逻辑页k对应的物理页地址p
    • 读物理页p

垃圾回收

  1. 思想
    • 选择一个含垃圾页的块
    • 把其中的有效页拷贝到其他块中（先读再重写）
    • 回收整个块，并把它擦除
  2. 如何判断有效页？
    • 每个物理页记录它对应的逻辑页地址（OOB区）
    • 查映射表，如果映射表记录的 PPN=该页，是有效页
  3. 问题：开销非常大
    • 有效页需要拷贝：先读再重写
    • 开销与有效页所占的比例成正比
  4. 解决办法：超配（over-provisioning）
    • 实际物理空间比用户所见空间更大：多15%~45%
      • 例如，用户看到100GB的SSD，实际上内部是120GB
      • GC时将数据写入 over-provisioning space，减少对性能的影响
    • GC一般在SSD后台执行，尽量再设备不忙时执行，但是受限于空闲页的数量
      • 空闲页不足的时候，即使设备忙也需要开始执行GC

块级映射（Block-Level Mapping）

  1. 块级映射
    • 逻辑地址空间划分为chunk，chunk size = 擦除块（物理块）size
    • 映射表：chunk# -> 擦除块（物理块）地址 PBN
  2. 读一个逻辑页
    • 逻辑页地址 = chunk# || 偏移
    • 用chunk#查映射表，获得相应的擦除块地址PBN
    • 物理页地址 = PBN || 偏移
  3. 问题：小规模写性能差
    • 写粒度小于擦除块：拷贝有效页（读 & 写），导致写放大
    • 小写很常见：擦除块通常较大（大于256KB）

混合映射（Hybrid Mapping）

  1. 思想
    • 将擦除块（物理块）划分为两类：数据块和日志块
    • 写逻辑页时都写入日志块
    • 数据块采用块级映射，数据映射表
    • 日志块采用页级映射，日志映射表
    • 适当的时候把日志块合并为数据块
  2. 读一个逻辑页
    • 先查日志映射表，按页级映射的方法
    • 如果没找到，再查数据映射表，按块级映射的方法

合并方式

  1. Switch Merge
    • 直接把日志块转成数据块：前提是整个日志块的页序与原数据块中的页序一致
    • 把原来的数据块回收擦除
    • 优点：开销低，只修改映射表信息，无数据拷贝
  2. Partial Merge
    • 把数据块中有效页拷贝到日志块：日志块中页序与原数据块中的页序一致
    • 把日志块转成数据块，把原来的数据块回收擦除
    • 有数据拷贝开销
  3. Full Merge
    • 分配一个新的日志块，从数据块和日志块分别拷贝有效页到新日志块
    • 把新日志块转成数据块
    • 把原来的数据块和日志块都回收擦除
    • 开销很大：需要拷贝整个物理块的数据（读 & 写）

磨损均衡

  1. 目标
    • 让所有块被擦除的次数近似
  2. 动态磨损均衡
    • 每次写时，选择擦除次数较少或最少的空闲块
    • 局限性：不同数据的修改频率不同
      • 例子：只写一次的数据（static data），很少写的数据（cold data）
  3. 静态磨损均衡
    • 动态磨损均衡不考虑不会被回收的物理块，例如长时间不被修改的物理块（写冷块）
    • 不再被写，不再有磨损
    • 解决办法：FTL定期重写冷块，将其写入磨损较多的块

总结

  1. SSD FTL的主要功能
    • 地址映射
    • 垃圾回收
    • 磨损均衡
    • 请求调度
    • 缓存管理
    • 坏块管理