好記性不如爛筆頭o(^▽^)o
認識SSD
定義
固態硬盤（Solid State Disk）用固態電子存儲芯片陣列而製成的硬盤，由控制單元和存儲單元（FLASH芯片、DRAM芯片）組成。
一塊SSD，核心部件是一顆控制器和多顆Flash顆粒，一般還會有一些內存和超級電容。
-->控制器主要作用是提供高效的手段來訪問這些Flash顆粒。
-->內存的作用主要是表項管理和讀寫CACHE。
-->超級電容的作用是在異常下電時保證關鍵數據不丟失。
而Flash顆粒是SSD最重要的器件，其相關特性決定了SSD的實現方式。
FLASH顆粒
定義和分類
閃存是一種不揮發性（ Non-Volatile ）內存，在沒有電流供應的條件下也能夠長久地保持數據，其存儲特性相當於硬盤，這項特性正是閃存得以成爲各類便攜型數字設備的存儲介質的基礎。
Flash顆粒是SSD最重要的器件，其相關特性決定了SSD的實現方式。目前業界主要有兩種類型的Flash技術：NOR（Intel開發）和NAND（東芝開發）。由於這兩種技術在如下方面的一些差異：
-->NOR的讀取速度略快於NAND；
-->NOR的寫入速度遠低於NAND；
-->NOR的擦除速度遠低於NAND；
-->的擦寫次數約爲NAND的1/10；
-->的單元尺寸約爲NAND的2倍；
導致1~16M的閃存市場主要採用NOR顆粒（主要用於保存嵌入式設備的程序），而更大容量的數據存儲（例如SSD）則主要選擇NAND顆粒。
SLC和MLC
NAND FLASH芯片，flash顆粒有兩種類型：SLC和MLC
SLC：Single Level Cell，每個存儲單元均只能存儲1個bit的數據。只包含0和1兩個電壓符。
MLC：Multi Level Cell，每個存儲單元能夠存儲2個bit或者更多bit的數據。包含四個電壓符（00,01,10,11）。
SLC和MLC的比較：
MLC容量比SLC大，且價格便宜。
但在性能、使用壽命和穩定性上：
1、SLC更簡單可靠；
2、SLC讀取和寫入的速度都比MLC更快；
3、SLC比MLC更耐用，MLC每單元可擦除1w次，而SLC可擦除10w次。
一般而言，SLC主要用於企業級市場，MLC主要用於消費級市場。下表顯示了SLC和MLC兩種Flash顆粒的一些性能指標：
| 比較項 | SLC | MLC |
|---|---|---|
| 隨機讀 | 25us | 50us |
| 擦除 | 2ms | 2ms |
| 編程 | 250us | 900us |
| 擦除次數 | 100k | 10k |
SSD的內部邏輯劃分
一顆NAND Flash顆粒，其內部被劃分爲若干block，每個block又包含若干page。page的大小一般爲2k/4k/8k（同一顆Flash顆粒內的page大小是固定且相同的）。
Flash的一個特點是：不能對任意bit位進行0/1互轉，只能按照一定的顆粒度進行擦除和編程操作；
-->擦除 —— 顆粒度爲block，是將指定block中所有的bit位全部設置爲1；
-->編程 —— 顆粒度爲page，是將指定page中指定的bit位設置爲0；
因此，對SSD進行寫的操作實際上對需要寫的Page所在的Block全部完成“擦除”(全部bit位置1)後，才能對指定的Page進行“編程”(部分bit位置0)。PS：實際上SSD硬盤在出廠時，廠商都會把所有Block完成擦除操作。
SSD的表項管理
每一個IO讀寫都是下發給一個地址，這個地址稱爲LBA(Logic Block Address)，其真正對應在磁盤上的地址稱爲PBA(Physical Block Address)，和傳統機械硬盤中LBA到PBA的映射通過磁軌、磁道、扇區來進行唯一對應不同的是，SSD的LBA到PBA的映射通過一張映射表來記錄。
LBA的粒度是扇區，而Flash顆粒的擦粒度是block，寫粒度是page，均爲扇區的若干倍，在這種條件下，如果仍以扇區爲粒度進行映射，雖然理論上可行，但是顯然是增加實現難度和性能的.
同時，如果強制以扇區爲粒度進行映射，會導致所需要的映射表空間超過物理內存的限制，這就直接決定了不可能以扇區爲粒度進行映射。
即使以page爲粒度進行映射，也可能存在物理內存不夠用的情況（現在正在使用的SSD盤即屬於這種情況），所以需要以更大一些的粒度進行管理。
這個粒度成爲”小塊(Sub Block)“,是SSD進行擦除和編程的最小單位。每個block中，均包含多個sub block；每個sub block，由多個page組成；每個sub block，可能的狀態包括：有效、垃圾、空白：
-->有效：該小塊中的數據正在被引用；
-->垃圾：該小塊中的數據沒有被引用；
-->空白：該小塊可用於寫入新的數據；
垃圾回收
SSD的寫要先進行整個Block的擦除，然後才能對指定的Sub Block進行編程。實際上，如果某一個寫操作需要修改一個Sub Block的內容，是無法直接進行修改的，而是寫到一個新的Sub Block中，把該LBA的映射指向新的這個Sub Block，同時把原來數據所在的Sub Block標記爲“垃圾”。
這樣，隨着SSD使用時間的越來越長，新的未被編程過的Sub Block越來越少，後面新的寫請求則只能重新擦除所有Sub Block均爲垃圾的Block才能再次寫入，這樣必然會造成寫操作的性能降低，因此，在SSD內部引入了一個重要的機制——垃圾回收（Garbage Collection），用以提升SSD長期寫入操作的性能。
垃圾回收的工作：
-->找出合適的block
-->將該block中的有效小塊遷移到別的地方，同時更改映射表
-->將該block擦除，並放入空白塊表
所謂“最合適進行回收的block”，是指這個block的垃圾小塊足夠多、有效/空白小塊足夠少。
垃圾回收算法是否高效，與該SSD的性能有很強的聯繫。
SSD的磨損均衡
上面說過，每個Flash顆粒中Block的可擦除次數是有限制的，如果顆粒中的某些Block很快達到了擦除次數上限，而其他大部分都幾乎沒有被擦除過，則會很快的造成整個SSD失效。而磨損均衡（Wear Leveling）則是通過各種手段，保證整個SSD所有的block的擦除次數是相近的從而延長SSD的使用壽命。
磨損均衡分爲 動態磨損均衡 和 靜態磨損均衡：
動態磨損均衡，是指在外部力量的驅動下，自然完成磨損均衡。這裏外部力量，包括寫IO和垃圾回收。
靜態磨損均衡，是指磨損均衡功能模塊主動地查找那些長時間沒有變化的數據，將這些數據搬移到其他位置，以便釋放出擦除次數較少的block，使其投入到擦除/編程的循環之中。
SSD使用壽命計算舉例
雖然一個block擦寫次數只有100k（SLC），但是因爲動態映射、磨損均衡等機制的存在，使得SSD的壽命遠不止寫入100k個IO。
計算SSD壽命的方式，一般是先確認一個block在其生命週期內能夠寫入多少數據量，再乘以該SSD具有的block數量，再除以一個估計的寫入帶寬，最後得到壽命值。
以我司（你們猜o(^▽^)o）自研的100G SLC SSD爲例，16片Flash顆粒，每片顆粒擁有32k個block，每個block擁有64個4k的page，每個block可以被擦除100k次：
16 x (32 x 1024) x 64 x (4 x 1024) x 100000 = 12500 TB 12500 TB，這是當所有block同時達到擦除次數上限時，可以寫入的數據總量。
按照用戶平均每秒鐘寫入10MB的數據進行計算：
(12500 x 1024 x 1024) / (10 x 60 x 60 x 24 x 365.25) = 41.5 年 41.5年，這是在10MB/s的壓力下、持續不斷地向SSD寫入數據的使用壽命。
考慮到其他一些因素的影響，一塊SLC SSD的使用壽命，10年是可以保證的。
SSD和傳統磁盤的對比
SSD與傳統磁盤相比:
第一是沒有機械裝置;
第二是由磁介質改爲了電介質。
在SSD內部有一個FTL(Flash Transalation Layer)，它相當於磁盤中的控制器，主要功能就是作地址映射，將flash memory的物理地址映射爲磁盤的LBA邏輯地址，並提供給OS作透明訪問。
讀方面
隨機讀
SSD沒有傳統磁盤的尋道時間和延遲時間，所以SSD可以提供非常高的隨機讀取能力。
| 類型 | 參數 |
|---|---|
| SLC類型的SSD | 超過35000的IOPS |
| 傳統15k的SAS磁盤 | 最高160個IOPS。 |
連續讀
SSD連續讀的能力相比普通磁盤優勢並不明顯。傳統磁盤連續讀，並不需要尋道時間：
| 類型 | 參數 |
|---|---|
| 15k的SAS磁盤 | 吞吐能力最高可達130MB |
| SLC類型的SSD | 170-200MB |
寫方面
Page爲最小的讀寫單位，Block爲最小的擦除/編程單位，其中1個Page爲4KB，1個Block由256個Page組成，1個Plane由2048個Block組成，2個Plane組成1個Die，也就是最小的芯片(4GB)
向一個空白的page寫入信息時，可以直接寫入而無需擦除，但是如果需要改寫某個存儲單元（page）的數據，必須首先將整個block讀入緩存，然後修改數據，並擦除整個block的數據，最後將整個block寫入。SSD改寫數據的代價很高，SSD的這個特性，我們稱之爲erase-before-write。因爲這個特性，引入“寫放大”的概念。
比如你想改寫4K的數據，必須首先將整個擦除塊（1024KB）中的數據讀出到緩存中，改寫後，將整個塊一起寫入，這時你實際寫入了1024KB的數據，寫入放大係數是256。寫入放大最好的情況是1，就是不存在放大的情況。
在長時間寫入後，MLC隨機寫IO下降得非常厲害，而SLC表現則比較穩定，可以穩定在3000 IOPS，而MLC隨機寫IOPS甚至降低到300。
當某個單元長時間被反覆擦寫時（比如Oracle redo），不僅會造成寫入的性能問題，而且會大大縮短SSD的使用壽命。所以，引入磨損均衡算法（wear leveling）。
