電子發燒友App
前言——
在前段時間小編曾經發布了：固態硬盤知識進階：專業名詞篇。文內介紹了各類固態硬盤中可能會出現的比較晦澀和深入的名詞，而很多朋友可能沒聽說過這些名詞。如FTL、LBA、GC等。。。今天我們將剩下的一些名詞再來說一下，給大家解讀一下。
下面就來為大家解讀這些名詞。
目錄：
一、預留空間（Over-provisioning，OP）
二、Trim
三、寫入放大（Write amplification，WA）
四、壞塊管理（Bad block management，BBM）
五、ECC - 校驗和糾錯
六、Interleaving - NAND 交叉存取技術
正文開場：
一、 預留空間（Over-provisioning，OP）
預留空間一般是指用戶不可操作的容量，為實際物理閃存容量減去用戶可用容量。這塊區域一般被用來做優化，包括磨損均衡，GC和壞塊映射。
第一層為固定的7.37%，這個數字是如何得出的哪？我們知道機械硬盤和SSD的廠商容量是這樣算的，1GB是1,000,000,000字節（10的9 次方），但是閃存的實際容量是每GB=1,073,741,824，(2的30次方) ，2者相差7.37%。所以說假設1塊128GB的SSD，用戶得到的容量是128,000,000,000字節，多出來的那個7.37%就被主控固件用做OP了。
第二層來自制造商的設置，通常為0%，7%和28%等，打個比方，對于128G顆粒的SandForce主控SSD,市場上會有120G和100G兩種型號賣，這個取決于廠商的固件設置，這個容量不包括之前的第一層7.37%。
第三層是用戶在日常使用中可以分配的預留空間，像Fusion-IO公司還給用戶工具自己調節大小來滿足不同的耐用度和性能，而用戶也可以自己在分區的時候，不分到完全的SSD容量來達到同樣的目的。
預留空間雖然讓SSD的可用容量小了，但是帶來了減少寫入放大，提高耐久，提高性能的效果。
二、 Trim
TRIM是一個ATA指令，由操作系統發送給SSD主控制器，告訴它哪些數據占的地址是”無效“的。
要明白什么是Trim和為什么它很重要，需要先知道一點文件系統的知識。
當你在電腦里刪除一個文件的時候，操作系統并不會真正的去刪除它。操作系統只是把這個文件地址標記為“空”，可以被再次使用，這意味著這個文件占的地址已經是“無效”的了。這就會帶來一個問題，硬盤并不知道操作系統把這個地址標記為”空“了，機械盤的話無所謂，因為可以直接在這個地址上重新覆蓋寫入，但是到了SSD上問題就來了。
NAND需要先擦除才能再次寫入數據，要得到空閑的NAND空間，SSD必須復制所有的有效頁到新的空閑塊里，并擦除舊塊（垃圾回收）。如果沒有Trim，意味著SSD主控制器不知道這個頁是”無效“的，除非再次被操作系統要求覆蓋上去。
這里要強調下，Trim只是條指令，讓操作系統告訴SSD主控制器這個頁已經“無效”就算完了，并沒有任何其它多余的操作，對Trim后的優化其實是垃圾回收在干活。Trim能夠減少寫入放大，因為主控制器不需要復制已經被操作系統定義為“無效”的頁（沒Trim的話，主控就因為不知道，而認為這個頁“有效”）到“空白塊”里，這同時代表復制的“有效”頁變少了，垃圾回收的效率提高了，SSD性能下降的問題也減弱了。
所以說Trim的奧秘在于它能大量減少“有效”頁的數量，大大提升垃圾回收的效率。
相對于企業級市場，在消費級的SSD里，Trim顯得更為重要，企業級的SSD大部分都帶有相當大的OP（備用空間）空間，能夠提升一部分的垃圾回收效率。而消費級SSD一般OP都比較小，所以需要Trim來保證垃圾回收的效率。
Trim指令只有在操作系統進行刪除、格式化等操作時候才會發送。Trim指令目前還不支持發送給RAID陣列中的SSD。（操作系統下進行的軟件RAID可以支持）。
Trim的支持需要3個要素：
1.SSD主控制器和當前搭配的固件需要支持Trim命令接收。
2.當前操作系統需要支持Trim指令發送。（Win7/2008R2及后續版本）
3.當前使用的磁盤驅動程序必須支持Trim命令傳輸。
只有同時滿足以上3個條件，才能做到系統Trim命令發送，驅動傳輸Trim命令，SSD固件接收到傳輸來的Trim命令。
Trim目前不支持以下幾種情況:（可能還有更多）
1. Trim目前不支持RAID陣列中的SSD。（操作系統下進行軟件RAID除外）
2. Trim目前不支持磁盤鏡像文件內操作。（VM等虛擬機軟件使用的虛擬磁盤文件）
3. Trim目前不支持加密的文件系統。（以防止暴露加密文件系統信息）
三、 寫入放大（Write amplification，WA）
因為閃存必須先擦除才能寫入（我們也叫“編程“），在執行這些操作的時候，移動（或覆蓋）用戶數據和元數據(metadata)不止一次。這些多次的操作，不但增加了寫入數據量，減少了SSD的使用壽命，而且還吃光了閃存的帶寬（間接地影響了隨機寫入性能）。
早在2008年，Intel公司和Silicon Systems公司（2009 年被西部數字收購）第一次提出了寫入放大并在公開稿件里用到這個術語。他們當時的說法是，寫入算法不可能低于1，但是這種說法在2009年被 SandForce打破，SandForce說他們的寫入放大是0.55。
最簡單的例子，比如我要寫入一個4KB的數據，最壞的情況就是，一個塊里已經沒有干凈空間了，但是有無效數據可以擦除，所以主控就把所有的數據讀到緩存，擦除塊，緩存里更新整個塊的數據，再把新數據寫回去，這個操作帶來的寫入放大就是: 我實際寫4K的數據，造成了整個塊（1024KB）的寫入操作，那就是256倍放大。同時帶來了原本只需要簡單的寫4KB的操作變成閃存讀取 (1024KB)，緩存改（4KB)，閃存擦(1024KB)，閃存寫(1024KB)，造成了延遲大大增加，速度慢是自然了。所以說寫入放大是影響 SSD隨機寫入性能和壽命的關鍵因素。
用100%隨機4KB來寫入SSD，目前的大多數SSD主控，在最壞的情況下寫入放大可以達到20以上。如果是100%持續的從低LBA寫到高LBA的話，寫入放大可以做到1，實際使用中寫入放大會介于2者之間。用戶還可以設置一定的預留空間來減少寫入放大，假設你有個128G的SSD，你只分了64G 的區使用，那么最壞情況下的寫入放大就能減少約3倍。
影響寫入放大的因素
許多因素影響SSD的寫入放大。下面我列出了主要因素，以及它們如何影響寫放大。
1. 垃圾回收(GC) Garbage collection ---
雖然增加了寫入放大（被動垃圾回收不影響，閑置垃圾回收影響），但是速度有提升。這個比較特殊的算法用來整理，移動，合并，擦除閃存塊來提升效率。
2. 預留空間（OP) Over-provisioning ---
減少寫入放大，好。(預留空間越大，寫入放大越低）在SSD的閃存上劃出一部分空間留給主控做優化，用戶不能操作的空間。
3. TRIM ---
開啟后可以減少寫入放大，好。一個ATA指令，由操作系統發送給SSD主控，告訴主控哪些數據是無效的并且可以不用做垃圾回收操作。
4. 可用容量 ---
減少寫入放大，好。(可用空間越大，寫入放大越低）用戶使用中沒有用到的空間，需要有Trim支持，不然不會影響寫入放大。 (某些主控制器算法只支持對OP區垃圾回收，這樣就不會影響）
5. 安全擦除Secure Erase ---
減少寫入放大，好。清除所有用戶數據和相關元數據，讓SSD重置到初始性能。
6. 持續寫入Sequential write ---
減少寫入放大，好。理論上來說，持續寫入的寫入放大為1，但是某些因素還是會影響這個數值。
7. 隨機寫入Random writes ---
提高寫入放大，不好。隨機寫入會寫入很多非連續的LBA,將會大大提升寫入放大。
8. 磨損平衡（WL） Wear Leveling ---
直接提高寫入放大，不好。確保閃存的每個塊被寫入的次數相等的一種機制。
四、 壞塊管理（Bad block management，BBM）
不管磨損平衡算法如何聰明，在運作中都會碰到一個頭痛的問題，那就是壞塊，所以一個SSD必須要有壞塊管理機制。何謂壞塊？
一個NAND塊里包含有不穩定的地址,不能保證讀/寫/擦的時候數據的準確性。壞塊分出廠壞塊和使用過程中出現的壞塊，和機械盤的壞塊表一樣（P表和G表)，SSD也有壞塊表。
出廠壞塊的話，在壞塊上會有標記，所以很容易就能被識別，后期使用中出現的壞塊就要靠主控制器的能力了，一般來說，越到NAND生命的后期(P/E數開始接近理論最大值），壞塊就會開始大量出現了。
一般來說NAND出廠都包含壞塊，不過廠商有個最小有效塊值(NvB-minimum number of valid blocks)，拿Intel的34nm MLC L63B來說，1個die上4,096個塊里至少要有3,936個塊是好的，從這上面可以知道，雖然出廠的NAND可能有壞塊，但是廠商保證在正常生命周期里，好塊數不會低于3936個塊。而且每個die的第一個塊地址(00h)在出廠時是必須保證好的（ECC后，這個塊必須有效）。
NAND出廠前都會被執行擦除操作，廠商會在出貨前會把壞塊標記出來（廠商會在壞塊的第一個頁的SA區上打上標記。） 這樣壞塊管理軟件就能靠監測SA區標記來制作壞塊表。
SA區（頁中4096~4319的區域,用戶不可訪問，主要用來存放ECC算法，壞塊信息，文件系統資料等。）由于在使用中會產生壞塊，所以SSD的每次編程/擦除/復制等操作后都要檢查塊的狀態。對顆粒的ECC要求也要達到廠商的標準以上（主控強不強，看ECC能力也是一個參考）。壞塊管理和平衡磨損算法是必須的。
五、 ECC - 校驗和糾錯
ECC的全稱是Error Checking and Correction，是一種用于Nand的差錯檢測和修正算法。由于NAND Flash的工藝不能保證NAND在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生產中及使用過程中會產生壞塊。
為了檢測數據的可靠性，在應用 NAND Flash的系統中一般都會采用一定的壞區管理機制，而管理壞區的前提是能比較可靠的進行壞區檢測。
如果操作時序和電路穩定性不存在問題的話，NAND Flash出錯的時候一般不會造成整個Block或是Page不能讀取或是全部出錯，而是整個Page中只有一個或幾個bit出錯，這時候ECC就能發揮作用了。
不同顆粒有不同的基本ECC要求，不同主控制器支持的ECC能力也不同，理論上說主控越強ECC能力越強。
六、 Interleaving - NAND 交叉存取技術
Nand Flash的訪問操作過程包括三項：
訪問操作 = 命令輸入操作+I/O操作+Array傳輸操作
第一項的操作時間所占比例很小，在性能估算中可以忽略。
所以，通常認為：訪問時間 = I/O時間+ Array傳輸時間
在上一代NANDFlash中，第一項占的比例最大，是第二項的4-5倍。
每一個Plane對應一個Page大小的緩沖（dataregister）和一個Page大小的緩存（cacheregister）。數據寫入的順序是：I/O-> cache register -> data register ->Plane（數據讀出的順序剛好相反）。
緩沖（dataregister）與緩存（cacheregister）之間的數據傳輸速度很快，dataregister可以把I/O操作和Array操作分隔開，形成I/O操作和Array操作的“兩級流水線”。
4個Plane對應4組緩沖與緩存，每一組可以分別操作。2個Plane交替操作，可以實現“乒乓操作”，達到2倍的Array訪問帶寬。4個Plane交替操作，可以實現“乒乒乓乓操作”，達到4倍的Array訪問帶寬。
交錯操作可以成倍提升NAND的傳輸率，因為NAND顆粒封裝時候可能有多Die,多Plane（每個plane都有4KB寄存器），Plane操作時候可以交叉操作（第一個plane接到指令后，在操作的同時第二個指令已經發送給了第二個plane，以此類推），達到接近雙倍甚至4倍的傳輸能力。
結語：
這里小編介紹了一部分的專有名詞解釋，后面小編還會為大家介紹更多的專業名詞，敬請期待哦~！
對于本文你有什么看法或建議呢？歡迎留言哦~！
工商網監
評論