详解固态硬盘的有趣知识及其底层原理
随着使用时间的增加和可用容量的降低，固态硬盘读写延迟会增大。 相当长时间不用，固态硬盘里面的数据可能会丢失。 将固态硬盘放置于高温下会影响里面的数据保存期限。 垃圾回收不止存在于Java、Golang这些语言里面，固态硬盘很重要的一个特性就是垃圾回收。 固态硬盘的擦除和写入次数是有限的，超过则不能保证有效的读写。 固态硬盘包含外部接口、CPU、内存、闪存颗粒等，用来接受外部IO请求并根据一定的算法将IO请求落到闪存颗粒。 为了延长固态硬盘的使用寿命，固态硬盘控制器需要考虑存储数据的冷热特性，同时也需要引入地址空间虚拟化技术。
固态存储(Solid State Storage) ：使用硅晶半导体技术，而不是借助于机械旋转对磁碟、光碟或者磁带进行操作，从而实现数据存取的存储方式 。 内存(RAM)、闪存(Flash)、相变存储(Phase Change Memory， 简称为 PCM)等都被称为固态存储 。当前，因为闪存在价格、容量、可靠性等多方面达到了相对领先的平衡，因此被 广泛应用于固态存储领域。 闪存： 一种非易失性的半导体存储器件。所谓“非易失性”，是指在断电情况下仍能保持所存储的数据信息，分NOR闪存和NAND闪存。NOR闪存常用于存放系统启动程序，在嵌入式设备中较为常见;NAND闪存主要用于数据存储，固态硬盘中使用的就是NAND闪存。 固态硬盘（SSD）：由控制器、内存、闪存颗粒（前面提到，因其多方面达到了领先的平衡，被广泛用于固态存储）等单元组成。控制器提供了外部主机接口、内部闪存管理接口，并通过内嵌的 CPU 来运行SSD固件，它管理着主机可见的存储地址空间、闪存物理空间、垃圾回收、磨损均衡等。内存用于运行SSD固件，并保存在地址空间虚拟化所需要的各种表项。闪存只是最终的存储信息的实体，多颗闪存颗粒分布在SSD的电路板上，共同为SSD提供存储空间 。 ATA：Advanced Technology Attachment，一种逻辑设备接口规范，SATA出来后改成PATA，最大传输速率为1Gbps。 SATA：串行ATA（Serial ATA，Serial Advanced Technology Attachment），是一种逻辑设备接口规范，当前有SATA 1.5Gbps、SATA 3Gbps、SATA 6Gbps和SATA 16Gbps多种传输规格。SATA只有1个命令队列，队列深度32。 SCSI：Small Computer System Interface，一种逻辑设备接口规范，最大传输速率是5Gbps。 SAS：串行SCSI（Serial Attached SCSI），一种逻辑设备接口规范，当前有SAS 3.0 Gbps、SAS 6.0 Gbps、SAS 12.0 Gbps、SAS 24.0 Gbps多个传输规格，与SATA兼容。需要通过适配器来和CPU进行通信。 NVMe：NVM Express，或称非易失性内存主机控制器接口规范（Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification，缩写：NVMHCIS），是一个逻辑设备接口规范，此规范主要是为基于闪存的存储设备提供一个低延时、内部并发化的原生界面规范。依托于PCIe总线，NVMe设备可适用于各种支持PCIe总线的物理插槽上。NVMe可以有65535个命令队列，每个队列都可以深达65536个命令。无需适配器，可以和CPU直接通信，降低交互延迟。 PCI：外部链接（Peripheral Component Interconnect）标准，或称个人电脑接口（Personal Computer Interface），是一种连接电脑主板和外部设备的总线标准，规定了该总线的物理尺寸（包括线宽）、电气特性、总线时序和协议。现已被PCI Express和其他更先进的技术取代。 PCIe：PCI Express，简称PCI-E，官方简称PCIe，是计算机总线的一个重要分支，仅应用于内部互连。拥有更快的速率，所以几乎取代了以往所有的内部总线（包括AGP和PCI），为PCI所设计的操作系统可以不做任何代码修改来启动PCIe设备。 NVMe盘：对外提供NVMe接口规范的硬盘，从NVMe的定义可知，这个硬盘基本上就是SSD硬盘。 SAS盘/SATA盘：对外提供SAS或者SATA接口规范的硬盘，理论上讲，单从这个信息是不知道这个硬盘到底是SSD硬盘还是机械硬盘的，两者皆有可能。
下同是NVMe盘和SAS盘与CPU之间的连接关系：
闪存介绍
上面提到闪存在固态硬盘的广泛应用，所以在讲解固态硬盘的各种算法前需要重点介绍一下闪存的特性。
1. 概念与原理
向闪存中写入数据时，只能以页为粒度进行写入，如果闪存中某个页已经被写入了数据，那么不能向这个页中再次直接写 入数据，只能在这个页的数据被清空以后才能再次写入。 闪存进行数据清空的粒度是块，即一次清空动作会将一个块的数据全部抹除。清空动作对应着闪存的擦除动作，即擦除了一个块的数据后，这 个块中所有的 bit 位都变成了 1。 写入动作对应着闪存的编程动作，将数据写入页时，将特定的 bit 位从 1 变成 0，就使得这个页保存了相应的数据。 闪存就工作在这样的“擦除”和“编程”循环中，一次这样的循环，被 称为一次擦写(Program/Erase，简称为 P/E)。闪存中每个块的 P/E 次数有限;当某个块的 P/E 次数达到上限后，就无法保证能够继续有效地存取数据。
闪存中保存的数据，经过一段时间后，可能存在若干 bit 位的错误。如果直接将页中读出的数据返回给上层业务，就可能造成业务失败。 为了保证返回给上层业务的数据是正确有效的，闪存内部预留了部分空间用于保存业务数据的 ECC(Error Correcting Code，纠错码)。每当读取数据时，控制器会使用相应的 ECC 对这些数据进行错误检查和纠正。 受限于控制器的计算能力，ECC 的纠错范围有限，只能在页面数据中出现bit 位错误的数量不超过一定的上限时才有效。当前主流的 ECC 纠错能力一般是 24bit/1KB，即每 1KB 数据(包含业务数据和 ECC 校验数据) 内出现了 bit 位错误不超过24个时，控制器可以通过计算的方式得出正确有效的业务数据。 当某个页中的 bit 位错误数超过控制器的计算能力后，该页的业务数据无法被正确读出，此时便产生一个 UNC(Uncorrectable)错误，UNC 错误只能被更高层级的 RAID 机制所修复。
目前常见的闪存，可分为 SLC、MLC、TLC 几类。 SLC 是 Single Level Cell 的缩写，表示 NAND 闪存内部的每个 cell 只能 存储一个 bit 位的信息，即使用两个电平值来分别表示 0、1。 MLC 是 Multi Level Cell 的缩写，原本表示 NAND 闪存内部的每个 cell 可以保存多个 bit 位的信息，但是实际使用中，MLC 特指每个 cell 保存 两个 bit 位的信息，即使用四个电平值来分表表示 00、01、10、11。MLC 又可以细分为 eMLC(Enterprise MLC，企业级 MLC)和 cMLC (Consumer MLC，消费级 MLC)。eMLC 和 cMLC 在本质上相同，只是在工厂制造处理过程中，厂商把通 过了某些数据完整性和耐用度测试之后、确认可以达到较高 P/E 次数的 MLC 定义为 eMLC，余下的就成为 cMLC。 TLC 是 Triple Level Cell 的缩写，表示 NAND 闪存内部的每个 cell 可以 保存三个 bit 位的信息，即使用八个电平值来分别表示 000、001、010、 011、100、101、110、111。
控制器提供了外部主机接口、内部闪存管理接口，并通过内嵌的 CPU 来运行 SSD 固件;SSD 固件管理着主机可见的存储地址空间、闪存物理空间、垃圾回收、磨损均衡等。 内存用于运行 SSD 固件，并保存在地址空间虚拟化所需要的各种表项。 多颗闪存颗粒分布在 SSD 的电路板上，共同为SSD 提供存储空间。
提高SSD的可靠性的方法
SSD 的 LBA(Logical Block Address，逻辑块地址)到 PBA(Physical Block Address，物理块地址)的映射，并非固定的映射，而是可以随时更改的。 SSD 内部的最小空间管理粒度是页，每个页都有唯一的一个编号，这就是 PBA 。 SSD 内部维护了一张映射表，记录了 LBA 到 PBA 的映射关系 。 当业务上面某个字段经常修改，若无地址空间虚拟化技术，则会往同一个物理区域进行擦除和写入（闪存特性决定：以页为单位写入，且在写入前需要擦除），这样很容易造成热点数据对应的物理区域达到P/E上限。为了均衡闪存的P/E次数，SSD控制器选择一个或者多个干净的页来保存这些字段修改结果，同时让映射表记录下新的映射关系。所谓“干净”，是指这些页 经历过一次擦除，同时尚未经历编程。
动态磨损均衡：指该类磨损均衡由主机 IO 所触发 ，当主机发起一个写请求时，SSD 需要找一个或者多个干净页供新数据的写入。此 时，动态磨损均衡算法会生效，尽量选择那些 P/E 次数相对较少的块来提供干净页。 静态磨损均衡：指该类磨损均衡是 SSD 内部自主发起的。考虑这样的极端场景，一块 100GB 容量的 SSD 装满了用户数据，其中 99GB 是冷数据，用户写入后再没有更新，剩下 1GB 是热数据，用户在频繁更新。对于这 99GB 的冷数据，如果不进行特殊的处理，那么就会一直占用至少 99GB 固定的物理闪存区域，于是剩下的空间就留给 1GB 热数据进行反复的擦写。显而易见，一段时间后，99GB 被固定占用的闪存区域的 P/E 次数就会变得明显低于剩下的闪存区域。这样的不均衡容易导致 SSD 提前失效。静态磨损均衡可以解决上述问题:通过记录每个块的 P/E 次数，识别出那些磨损相对轻微、且长期没有产生垃圾页的块(即保存了冷数据的块)，主动将其中的有效数据迁移到磨损相对严重的块中，从而达到保持整个SSD 磨损均衡的效果。
在SSD控制器内存中使用纠错码（ECC）和循环冗余校验（CRC）来防止数据更改或操作。 在闪存颗粒中使用低密度奇偶校验（LDPC）和CRC来防止闪存颗粒错误导致的数据丢失。 在闪存颗粒之间使用异或冗余来防止闪存故障导致的数据丢失。
主机访问 LBA 100，写入数据 AA，不妨假设 SSD 内部使用编号为401的页来保存数据 AA。 过了一段时间，主机再次访问 LBA 100，写入数据 BB，由于闪存的特性，编号401的页是不能直接写入的，除非已经经过了擦除，但是SSD的擦除又是以块为单位的，因此需要借助地址空间虚拟化机制让数据BB写入到另外一个页，不妨假设这个页的编号为623。 经历了上述两个写操作，页 401 保存了数据 AA，页623保存了数据 BB，且 页 401 保存的数据是无用的，页 623 中保存的数据才是有用的。页401中保存的数据被称为垃圾数据，页401 就被称为垃圾页。
选择那些包含了较多垃圾页的块，将其中的有效数据迁移到其他块的干净页。 对那些不再包含有效数据的块执行擦除操作。 将执行了擦除操作的块放入可用资源池中，以供新的数据写入。
在全随机小 IO 业务场景下，写放大系数约为 2.5。 在顺序大 IO 业务场景 下，写放大系数约为 1.1 。