深入了解一下SSD的相关内容

      随着SSD价格的持续走低，SSD在整个存储产品中的比重越来越大，很多公司推出了全闪磁盘阵列。比如EMC的PowerStore、华为的Dorado和Pure Storage等。从外观上来说，SSD硬盘不像机械硬盘那样只有盘状规格，SSD规格非常多，比如PCIe卡规格、M.2规格和盘规格，如图所示。

对于外观我们不做过多介绍，今天我们将深入SSD的内部，更加详细的介绍其内部的硬件结构和软件架构，以及SSD的数据读写相关的特性。

SSD的内部结构

对于SSD硬盘的内部结构如图所示，其中内部包括三个核心的组件，分别是控制器、缓存和闪存颗粒。其中控制器类似我们计算机的CPU，缓存则类似内存，而闪存颗粒则是持久化的存储介质，类似机械硬盘的盘片。

除了上述核心组件外，需要一个接口与主机建立连接，称为主机接口。接口有多种不同的规格，比如SATA、SAS和NVMe等。

闪存控制器

其实SSD设备本身就是一台迷你计算机，控制器可以理解为其CPU，它是SSD的心脏和大脑。控制器建立了主机与SSD中其它组件之间的关联。当主机想要将数据发送到SSD时，闪存控制器会指示数据流以确保其可靠的存储和检索。它还包含管理SSD的固件，并执行后台处理，例如管理闪存文件系统，损耗均衡，纠错，修剪和垃圾回收。

易失性内存

这个组件类似计算机中的内存，其实也是SSD的内存，用作临时数据存储。并非所有SSD都有该部件，但企业级SSD通常具备该部件。因为它是易失的，所以需要电力来保留信息。控制器中的固件决定何时将数据从易失性（非持久性）存储器刷新或移动到非易失性（持久性）闪存。在意外断电的情况下，除非有效的电源故障保护机制可用，否则缓存中的数据可能会丢失或损坏。

非易失闪存

数据持久存储在NAND闪存芯片中并从中检索。它们是非易失性的，因为即使SSD没有电源，它们也会保留数据。

SSD的逻辑结构

即使一个非常小的闪存颗粒内部也是非常复杂的。如图所示，我们将一个闪存颗粒放大，可以看到其内部的主要构成（这里是逻辑构成）。理解这部分的内容对我们理解后续的关于SSD的访问特性非常有帮助。

我们看到的芯片颗粒实际上是对闪存封装而成的，真正起作用的是内部的晶体芯片。在每个封装中可能有一个或者多个晶体芯片，这个芯片称为Die。每个Die中会有若干个Plane，而Plane中会有很多Block，Block中包含的是Page。其中，Block是进行数据擦除的最小单元，而Page是SSD读写的最小单元。

以Micron（镁光）生产的某128Gb的闪存颗粒为例，其中每个Die有2个Plane，每个Plane有1024个Block，每个Block有512个Page。其中页的大小是16KB。根据这些数据我们可以计算得到，Block的大小为16KB*512 = 8MB，Plane的大小为8MB*1024=8GB，因此Die的大小为16GB，也就是128Gb。

可以看到上述芯片最小的写单元是16KB，而最小的擦除单元是8MB。这些内容大家需要注意，在以后软件设计中需要非常注意。

SSD的访问特性

前面我们介绍到SSD读写的最小单元是Page，擦除的最小单元是Block。以上文设备为例，在应用程序写数据时，最小粒度是16KB，即使写入1字节的数据，在SSD内部也是要占用16KB的空间。同时，如果想继续在相邻的位置再写入1字节数据时，无法对原来的页进行改写，必须选择一个新页，同时原来的页也会被标记为释放状态。当一个Block里面的所有页都被释放后，我们无法直接改写其中的任何一个页，需要擦除整个8MB的Block才可以重新写数据。上述页和块的大小与设备的规格相关，不同厂商的产品有所差异。

SSD的读写特性与机械磁盘的特性有着非常大的差异。对于机械磁盘来说，其访问的最小粒度是扇区（512B），且可以在原地实现数据的改写。但SSD却无法原地修改数据，并且其写数据的最小粒度也比机械磁盘大很多。

由于上述两个特性，在访问SSD的时候就会存在相应的问题。以写粒度为16KB为例，如果我们业务IO的大小非常小，比如1KB左右，且是随机IO的话。由于位置偏移大，且数据粒度小，将导致1KB的数据占用16KB的页，形成很大的空间浪费。

如图所示，第一个IO将使用一个页来存储数据，第二个IO时又需要找一个新的页在存储数据。依次类推，当整个块（8MB）写满的时候，实际才写入的了512KB的数据（8MB/16）。

前文已述，SSD无法在原地进行数据修改，如果改动的内容小于页的大小将导致写放大问题。在块内部，如果有剩余的页空间，在修改数据的时候将分配新的页来承载数据。如图所示，绿色方块为原始数据，当修改其中的数据时，将分配一个新页来存储修改后的数据，而原来的页将被标记为释放状态。

对于上述过程，由于修改的数据可能非常小（比如1KB），那么为了保证原始页数据不丢失，首先需要读出数据，然后进行合并操作，最后写入新的位置。

正是由于这些读写特性导致SSD硬盘存在读写放大的问题。以写放大为例，如果用户层面写入10B的数据，在SSD内部来说都需要写入一个Page，也就是16KB的数据。而如果需要改动数据，则需要先从原始位置读取数据，合并后才可以写入新的位置。

另外一个导致写放大的原因在于空间释放（GC）。由于SSD无法在原地修改，因此当一个块中的页被使用并释放后，其空间并非可用状态。必须对整个块进行擦除后才可以重新被使用。问题是一个块中很难保证所有页都是释放的，因此在擦除之前需要将有数据的页迁移到其它块中。

如图所示，当SSD中其中2个块的大部分页都处于释放状态时（本文是一个示例，实际情况要复杂的多），SSD控制器会进行垃圾回收动作（GC）。此时，这两个块中的有效数据会被移动到新的块中，当完成数据移动后，控制器会对前面的块进行擦除操作。由于在空间释放的时候总是要迁移一些数据，这将导致额外的数据读写操作。

基于上述特性，在应用层面访问SSD时就需要进行综合考虑，比如写数据的时候尽量凑够一个页，尽量避免原地修改等。除此之外，SSD还有擦写次数的限制，也就是当块的擦写达到规定次数后就无法再存储数据了。基于上述特性，现有的文件系统和RAID的设计其实不太适应SSD硬盘。以Ext4为例，当访问文件时，inode节点中的访问时间和文件大小等信息会被频繁更新，这将导致SSD磨损加剧。

今天我们主要介绍了SSD的内部结构及写放大问题。这些特性对于我们使用SSD（基于SSD做开发）有很大的帮助，我们后面会结合实例介绍一下软件层面是如何应对SSD的这些特性的。

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