固态硬盘专业知识：名词篇（二）

前言——

在前段时间小编曾经发布了：固态硬盘知识进阶：专业名词篇。文内介绍了各类固态硬盘中可能会出现的比较晦涩和深入的名词，而很多朋友可能没听说过这些名词。如FTL、LBA、GC等。。。今天我们将剩下的一些名词再来说一下，给大家解读一下。

下面就来为大家解读这些名词。

目录：

一、预留空间（Over-provisioning，OP）

二、Trim

三、写入放大（Write amplification，WA）

四、坏块管理（Bad block management，BBM）

五、ECC - 校验和纠错

六、Interleaving - NAND 交叉存取技术

正文开场：

一、 预留空间（Over-provisioning，OP）

预留空间一般是指用户不可操作的容量，为实际物理闪存容量减去用户可用容量。这块区域一般被用来做优化，包括磨损均衡，GC和坏块映射。

第一层为固定的7.37%，这个数字是如何得出的哪？我们知道机械硬盘和SSD的厂商容量是这样算的，1GB是1,000,000,000字节（10的9 次方），但是闪存的实际容量是每GB=1,073,741,824，(2的30次方) ，2者相差7.37%。所以说假设1块128GB的SSD，用户得到的容量是128,000,000,000字节，多出来的那个7.37%就被主控固件用做OP了。

第二层来自制造商的设置，通常为0%，7%和28%等，打个比方，对于128G颗粒的SandForce主控SSD,市场上会有120G和100G两种型号卖，这个取决于厂商的固件设置，这个容量不包括之前的第一层7.37%。

第三层是用户在日常使用中可以分配的预留空间，像Fusion-IO公司还给用户工具自己调节大小来满足不同的耐用度和性能，而用户也可以自己在分区的时候，不分到完全的SSD容量来达到同样的目的。

预留空间虽然让SSD的可用容量小了，但是带来了减少写入放大，提高耐久，提高性能的效果。

二、 Trim

TRIM是一个ATA指令，由操作系统发送给SSD主控制器，告诉它哪些数据占的地址是”无效“的。

要明白什么是Trim和为什么它很重要，需要先知道一点文件系统的知识。

当你在电脑里删除一个文件的时候，操作系统并不会真正的去删除它。操作系统只是把这个文件地址标记为“空”，可以被再次使用，这意味着这个文件占的地址已经是“无效”的了。这就会带来一个问题，硬盘并不知道操作系统把这个地址标记为”空“了，机械盘的话无所谓，因为可以直接在这个地址上重新覆盖写入，但是到了SSD上问题就来了。

NAND需要先擦除才能再次写入数据，要得到空闲的NAND空间，SSD必须复制所有的有效页到新的空闲块里，并擦除旧块（垃圾回收）。如果没有Trim，意味着SSD主控制器不知道这个页是”无效“的，除非再次被操作系统要求覆盖上去。

这里要强调下，Trim只是条指令，让操作系统告诉SSD主控制器这个页已经“无效”就算完了，并没有任何其它多余的操作，对Trim后的优化其实是垃圾回收在干活。Trim能够减少写入放大，因为主控制器不需要复制已经被操作系统定义为“无效”的页（没Trim的话，主控就因为不知道，而认为这个页“有效”）到“空白块”里，这同时代表复制的“有效”页变少了，垃圾回收的效率提高了，SSD性能下降的问题也减弱了。

所以说Trim的奥秘在于它能大量减少“有效”页的数量，大大提升垃圾回收的效率。

相对于企业级市场，在消费级的SSD里，Trim显得更为重要，企业级的SSD大部分都带有相当大的OP（备用空间）空间，能够提升一部分的垃圾回收效率。而消费级SSD一般OP都比较小，所以需要Trim来保证垃圾回收的效率。

Trim指令只有在操作系统进行删除、格式化等操作时候才会发送。Trim指令目前还不支持发送给RAID阵列中的SSD。（操作系统下进行的软件RAID可以支持）。

Trim的支持需要3个要素：

1.SSD主控制器和当前搭配的固件需要支持Trim命令接收。

2.当前操作系统需要支持Trim指令发送。（Win7/2008R2及后续版本）

3.当前使用的磁盘驱动程序必须支持Trim命令传输。

只有同时满足以上3个条件，才能做到系统Trim命令发送，驱动传输Trim命令，SSD固件接收到传输来的Trim命令。

Trim目前不支持以下几种情况:（可能还有更多）

1. Trim目前不支持RAID阵列中的SSD。（操作系统下进行软件RAID除外）

2. Trim目前不支持磁盘镜像文件内操作。（VM等虚拟机软件使用的虚拟磁盘文件）

3. Trim目前不支持加密的文件系统。（以防止暴露加密文件系统信息）

三、 写入放大（Write amplification，WA）

因为闪存必须先擦除才能写入（我们也叫“编程“），在执行这些操作的时候，移动（或覆盖）用户数据和元数据(metadata)不止一次。这些多次的操作，不但增加了写入数据量，减少了SSD的使用寿命，而且还吃光了闪存的带宽（间接地影响了随机写入性能）。

早在2008年，Intel公司和Silicon Systems公司（2009 年被西部数字收购）第一次提出了写入放大并在公开稿件里用到这个术语。他们当时的说法是，写入算法不可能低于1，但是这种说法在2009年被 SandForce打破，SandForce说他们的写入放大是0.55。

最简单的例子，比如我要写入一个4KB的数据，最坏的情况就是，一个块里已经没有干净空间了，但是有无效数据可以擦除，所以主控就把所有的数据读到缓存，擦除块，缓存里更新整个块的数据，再把新数据写回去，这个操作带来的写入放大就是: 我实际写4K的数据，造成了整个块（1024KB）的写入操作，那就是256倍放大。同时带来了原本只需要简单的写4KB的操作变成闪存读取 (1024KB)，缓存改（4KB)，闪存擦(1024KB)，闪存写(1024KB)，造成了延迟大大增加，速度慢是自然了。所以说写入放大是影响 SSD随机写入性能和寿命的关键因素。

用100%随机4KB来写入SSD，目前的大多数SSD主控，在最坏的情况下写入放大可以达到20以上。如果是100%持续的从低LBA写到高LBA的话，写入放大可以做到1，实际使用中写入放大会介于2者之间。用户还可以设置一定的预留空间来减少写入放大，假设你有个128G的SSD，你只分了64G 的区使用，那么最坏情况下的写入放大就能减少约3倍。

影响写入放大的因素

许多因素影响SSD的写入放大。下面我列出了主要因素，以及它们如何影响写放大。

1. 垃圾回收(GC) Garbage collection ---

虽然增加了写入放大（被动垃圾回收不影响，闲置垃圾回收影响），但是速度有提升。这个比较特殊的算法用来整理，移动，合并，擦除闪存块来提升效率。

2. 预留空间（OP) Over-provisioning ---

减少写入放大，好。(预留空间越大，写入放大越低）在SSD的闪存上划出一部分空间留给主控做优化，用户不能操作的空间。

3. TRIM ---

开启后可以减少写入放大，好。一个ATA指令，由操作系统发送给SSD主控，告诉主控哪些数据是无效的并且可以不用做垃圾回收操作。

4. 可用容量 ---

减少写入放大，好。(可用空间越大，写入放大越低）用户使用中没有用到的空间，需要有Trim支持，不然不会影响写入放大。 (某些主控制器算法只支持对OP区垃圾回收，这样就不会影响）

5. 安全擦除Secure Erase ---

减少写入放大，好。清除所有用户数据和相关元数据，让SSD重置到初始性能。

6. 持续写入Sequential write ---

减少写入放大，好。理论上来说，持续写入的写入放大为1，但是某些因素还是会影响这个数值。

7. 随机写入Random writes ---

提高写入放大，不好。随机写入会写入很多非连续的LBA,将会大大提升写入放大。

8. 磨损平衡（WL） Wear Leveling ---

直接提高写入放大，不好。确保闪存的每个块被写入的次数相等的一种机制。

四、 坏块管理（Bad block management，BBM）

不管磨损平衡算法如何聪明，在运作中都会碰到一个头痛的问题，那就是坏块，所以一个SSD必须要有坏块管理机制。何谓坏块？

一个NAND块里包含有不稳定的地址,不能保证读/写/擦的时候数据的准确性。坏块分出厂坏块和使用过程中出现的坏块，和机械盘的坏块表一样（P表和G表)，SSD也有坏块表。

出厂坏块的话，在坏块上会有标记，所以很容易就能被识别，后期使用中出现的坏块就要靠主控制器的能力了，一般来说，越到NAND生命的后期(P/E数开始接近理论最大值），坏块就会开始大量出现了。

一般来说NAND出厂都包含坏块，不过厂商有个最小有效块值(NvB-minimum number of valid blocks)，拿Intel的34nm MLC L63B来说，1个die上4,096个块里至少要有3,936个块是好的，从这上面可以知道，虽然出厂的NAND可能有坏块，但是厂商保证在正常生命周期里，好块数不会低于3936个块。而且每个die的第一个块地址(00h)在出厂时是必须保证好的（ECC后，这个块必须有效）。

NAND出厂前都会被执行擦除操作，厂商会在出货前会把坏块标记出来（厂商会在坏块的第一个页的SA区上打上标记。） 这样坏块管理软件就能靠监测SA区标记来制作坏块表。

SA区（页中4096~4319的区域,用户不可访问，主要用来存放ECC算法，坏块信息，文件系统资料等。）由于在使用中会产生坏块，所以SSD的每次编程/擦除/复制等操作后都要检查块的状态。对颗粒的ECC要求也要达到厂商的标准以上（主控强不强，看ECC能力也是一个参考）。坏块管理和平衡磨损算法是必须的。

五、 ECC - 校验和纠错

ECC的全称是Error Checking and Correction，是一种用于Nand的差错检测和修正算法。由于NAND Flash的工艺不能保证NAND在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。

为了检测数据的可靠性，在应用 NAND Flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理机制，而管理坏区的前提是能比较可靠的进行坏区检测。

如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话，NAND Flash出错的时候一般不会造成整个Block或是Page不能读取或是全部出错，而是整个Page中只有一个或几个bit出错，这时候ECC就能发挥作用了。

不同颗粒有不同的基本ECC要求，不同主控制器支持的ECC能力也不同，理论上说主控越强ECC能力越强。

六、 Interleaving - NAND 交叉存取技术

Nand Flash的访问操作过程包括三项：

访问操作 = 命令输入操作+I/O操作+Array传输操作

第一项的操作时间所占比例很小，在性能估算中可以忽略。

所以，通常认为：访问时间 = I/O时间+ Array传输时间

在上一代NANDFlash中，第一项占的比例最大，是第二项的4-5倍。

每一个Plane对应一个Page大小的缓冲（dataregister）和一个Page大小的缓存（cacheregister）。数据写入的顺序是：I/O-> cache register -> data register ->Plane（数据读出的顺序刚好相反）。

缓冲（dataregister）与缓存（cacheregister）之间的数据传输速度很快，dataregister可以把I/O操作和Array操作分隔开，形成I/O操作和Array操作的“两级流水线”。

4个Plane对应4组缓冲与缓存，每一组可以分别操作。2个Plane交替操作，可以实现“乒乓操作”，达到2倍的Array访问带宽。4个Plane交替操作，可以实现“乒乒乓乓操作”，达到4倍的Array访问带宽。

交错操作可以成倍提升NAND的传输率，因为NAND颗粒封装时候可能有多Die,多Plane（每个plane都有4KB寄存器），Plane操作时候可以交叉操作（第一个plane接到指令后，在操作的同时第二个指令已经发送给了第二个plane，以此类推），达到接近双倍甚至4倍的传输能力。

结语：

这里小编介绍了一部分的专有名词解释，后面小编还会为大家介绍更多的专业名词，敬请期待哦~！

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