SSD原理学习笔记

本文为清华大学存储课程的学习笔记，以及一些体会，图片主要来自课程的PPT，附带一些Note来做补充说明。

非遗失性存储主要介于Storage以及Memory之间，延时在100-1000ns，非常接近Memory的60ns，而远高于Storage的性能。

传统的磁盘由于机械式的部件，使得性能非常慢 - 两个马达要转

该图表现出，从1990年开始磁盘的延迟在不断降低，直到2005左右，就基本没变化了。

带宽也是，2000年之后变化就比较少了，很难提升了。

能耗开销也非常大，包括了磁盘以及冷却的开销，限制了可扩展性。右图表示，到2020年需要500万块磁盘才能满足性能需求。

单位为MB/s，表示了两种盘的对比。

现在我们常见的闪存主要是NAND，按照页去读写，擦除按照block进行。而NOR可以原地改写。

NOR有个地线，所以可以原地更新，但是缺点是空间有限，放的东西不够多。

写是把电子放进Floating Gate中；读的话通过不同的电压加载，看对应的状态；擦除是把电子打出去；

与传统CMOS的差异：

CMOS的简化图（晶体管）。达到某个阈值电压就接通。

Flash的区别是多了一块（两个红色的长方体），多了Floating gate。下面为氧化层，且加压后电子可以通过氧化层，进入Floating gate，被保存进去。

具体来看：

现在有两个阈值对应两个状态。

Row为word line，Column为bit line，横着一行为页（读写单元），整个方块叫block（擦除单元），选中后放到Sense Amplifiers（行选中）。

左上角门限为2V，右上角为3V，所以加载2.5V可以将其选通。

假如我们要读第二行，则其他行加上5V电压，第二行2.5V即可。

如图，2.5V无法通过前两行，所以竖着无法通过，后面两行可以通过，所以呈现0 0 1 1的情况。从而选中page2的数据。

该图表示了MLC下，闪存存储的容量变大，但是可靠性变差。

每一行的一个单元是有两个bit（wordline），如何写入呢？

下面为写入顺序：

这个顺序的原因是：加电压的时候会对周边的数据有影响，使得相邻数据偏移。连续写两次同一个位置会对周边影响过大。

但是当写了第一行、第二行，再写第一行的第二个数据的时候，就可以把偏移的电压调整过来。

下面阐述了Flash的其他特性：

寿命影响可靠性。Retention是放了时间久了之后电子跑掉了，耐久性是写的越来越多，设备（Floating gate）越来越薄，这个变薄的时间就是耐久性。

为了使用上述特性，所以设计了FTL。

1 不写在一个地方，新写在一个地方，通过修改指针。旧的数据无效化，放过去

• 地址映射

• 垃圾回收

• 磨损均衡

SSD内部结构如上图所示。

其内部是多通道进行，Channel Level使得SSD内部有很强的并行性，速度变快。其中每个Chip中都有Register，数据会提前准备到Register，然后通过总线传输。

1 垃圾回收

闪存每一个page分类三种状态，上图右侧：有效的叫Live page，无效的叫Dead page。

垃圾回收的目的就是把无效的D擦掉，所以需要把有效的挪走，把一整块擦掉。如下图：

已经挪走后，直接擦除：

这里存在两个开销：

• 1 复制Live数据

• 2 擦除块

垃圾回收的策略需要考虑：

1 什么时候启动？
2 选择哪些块回收？
3 新的数据放哪？

考虑冷热数据，分特性去放数据。

2 磨损均衡

动态磨损均衡：分配空间的时候尽可能把数据分配到擦除空间少的地方。

静态磨损均衡：对现有数据进行转移。

3 FTL - 地址映射

维持一个Page页表，虚拟地址到物理地址的转换

类似于查表的过程。数据为LPN，通过查表然后得出物理地址。