好记性不如烂笔头o(^▽^)o

固态硬盘（Solid State Disk）用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。 一块SSD，核心部件是一颗控制器和多颗Flash颗粒，一般还会有一些内存和超级电容。

而Flash颗粒是SSD最重要的器件，其相关特性决定了SSD的实现方式。

闪存是一种不挥发性（ Non-Volatile ）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

Flash颗粒是SSD最重要的器件，其相关特性决定了SSD的实现方式。目前业界主要有两种类型的Flash技术：NOR（Intel开发）和NAND（东芝开发）。由于这两种技术在如下方面的一些差异：

导致1~16M的闪存市场主要采用NOR颗粒（主要用于保存嵌入式设备的程序），而更大容量的数据存储（例如SSD）则主要选择NAND颗粒。

NAND FLASH芯片，flash颗粒有两种类型：SLC和MLC

SLC：Single Level Cell，每个存储单元均只能存储1个bit的数据。只包含0和1两个电压符。 MLC：Multi Level Cell，每个存储单元能够存储2个bit或者更多bit的数据。包含四个电压符（00,01,10,11）。

SLC和MLC的比较： MLC容量比SLC大，且价格便宜。 但在性能、使用寿命和稳定性上： 1、SLC更简单可靠； 2、SLC读取和写入的速度都比MLC更快； 3、SLC比MLC更耐用，MLC每单元可擦除1w次，而SLC可擦除10w次。

一般而言，SLC主要用于企业级市场，MLC主要用于消费级市场。下表显示了SLC和MLC两种Flash颗粒的一些性能指标：

一颗NAND Flash颗粒，其内部被划分为若干block，每个block又包含若干page。page的大小一般为2k/4k/8k（同一颗Flash颗粒内的page大小是固定且相同的）。

Flash的一个特点是：不能对任意bit位进行0/1互转，只能按照一定的颗粒度进行擦除和编程操作；

因此，对SSD进行写的操作实际上对需要写的Page所在的Block全部完成“擦除”(全部bit位置1)后，才能对指定的Page进行“编程”(部分bit位置0)。PS：实际上SSD硬盘在出厂时，厂商都会把所有Block完成擦除操作。

  每一个IO读写都是下发给一个地址，这个地址称为LBA(Logic Block Address)，其真正对应在磁盘上的地址称为PBA(Physical Block Address)，和传统机械硬盘中LBA到PBA的映射通过磁轨、磁道、扇区来进行唯一对应不同的是，SSD的LBA到PBA的映射通过一张映射表来记录。   LBA的粒度是扇区，而Flash颗粒的擦粒度是block，写粒度是page，均为扇区的若干倍，在这种条件下，如果仍以扇区为粒度进行映射，虽然理论上可行，但是显然是增加实现难度和性能的.   同时，如果强制以扇区为粒度进行映射，会导致所需要的映射表空间超过物理内存的限制，这就直接决定了不可能以扇区为粒度进行映射。   即使以page为粒度进行映射，也可能存在物理内存不够用的情况（现在正在使用的SSD盘即属于这种情况），所以需要以更大一些的粒度进行管理。   这个粒度成为”小块(Sub Block)“,是SSD进行擦除和编程的最小单位。每个block中，均包含多个sub block；每个sub block，由多个page组成；每个sub block，可能的状态包括：有效、垃圾、空白：

  SSD的写要先进行整个Block的擦除，然后才能对指定的Sub Block进行编程。实际上，如果某一个写操作需要修改一个Sub Block的内容，是无法直接进行修改的，而是写到一个新的Sub Block中，把该LBA的映射指向新的这个Sub Block，同时把原来数据所在的Sub Block标记为“垃圾”。   这样，随着SSD使用时间的越来越长，新的未被编程过的Sub Block越来越少，后面新的写请求则只能重新擦除所有Sub Block均为垃圾的Block才能再次写入，这样必然会造成写操作的性能降低，因此，在SSD内部引入了一个重要的机制——垃圾回收（Garbage Collection），用以提升SSD长期写入操作的性能。

垃圾回收的工作：

  所谓“最合适进行回收的block”，是指这个block的垃圾小块足够多、有效/空白小块足够少。   垃圾回收算法是否高效，与该SSD的性能有很强的联系。

  上面说过，每个Flash颗粒中Block的可擦除次数是有限制的，如果颗粒中的某些Block很快达到了擦除次数上限，而其他大部分都几乎没有被擦除过，则会很快的造成整个SSD失效。而磨损均衡（Wear Leveling）则是通过各种手段，保证整个SSD所有的block的擦除次数是相近的从而延长SSD的使用寿命。

磨损均衡分为 动态磨损均衡 和 静态磨损均衡：

动态磨损均衡，是指在外部力量的驱动下，自然完成磨损均衡。这里外部力量，包括写IO和垃圾回收。 静态磨损均衡，是指磨损均衡功能模块主动地查找那些长时间没有变化的数据，将这些数据搬移到其他位置，以便释放出擦除次数较少的block，使其投入到擦除/编程的循环之中。

  虽然一个block擦写次数只有100k（SLC），但是因为动态映射、磨损均衡等机制的存在，使得SSD的寿命远不止写入100k个IO。 计算SSD寿命的方式，一般是先确认一个block在其生命周期内能够写入多少数据量，再乘以该SSD具有的block数量，再除以一个估计的写入带宽，最后得到寿命值。   以我司（你们猜o(^▽^)o）自研的100G SLC SSD为例，16片Flash颗粒，每片颗粒拥有32k个block，每个block拥有64个4k的page，每个block可以被擦除100k次：

  12500 TB，这是当所有block同时达到擦除次数上限时，可以写入的数据总量。 按照用户平均每秒钟写入10MB的数据进行计算：

  41.5年，这是在10MB/s的压力下、持续不断地向SSD写入数据的使用寿命。   考虑到其他一些因素的影响，一块SLC SSD的使用寿命，10年是可以保证的。

  SSD与传统磁盘相比:   第一是没有机械装置;   第二是由磁介质改为了电介质。   在SSD内部有一个FTL(Flash Transalation Layer)，它相当于磁盘中的控制器，主要功能就是作地址映射，将flash memory的物理地址映射为磁盘的LBA逻辑地址，并提供给OS作透明访问。

随机读   SSD没有传统磁盘的寻道时间和延迟时间，所以SSD可以提供非常高的随机读取能力。

连续读   SSD连续读的能力相比普通磁盘优势并不明显。传统磁盘连续读，并不需要寻道时间：

  Page为最小的读写单位，Block为最小的擦除/编程单位，其中1个Page为4KB，1个Block由256个Page组成，1个Plane由2048个Block组成，2个Plane组成1个Die，也就是最小的芯片(4GB)

  向一个空白的page写入信息时，可以直接写入而无需擦除，但是如果需要改写某个存储单元（page）的数据，必须首先将整个block读入缓存，然后修改数据，并擦除整个block的数据，最后将整个block写入。SSD改写数据的代价很高，SSD的这个特性，我们称之为erase-before-write。因为这个特性，引入“写放大”的概念。

  比如你想改写4K的数据，必须首先将整个擦除块（1024KB）中的数据读出到缓存中，改写后，将整个块一起写入，这时你实际写入了1024KB的数据，写入放大系数是256。写入放大最好的情况是1，就是不存在放大的情况。

  在长时间写入后，MLC随机写IO下降得非常厉害，而SLC表现则比较稳定，可以稳定在3000 IOPS，而MLC随机写IOPS甚至降低到300。

  当某个单元长时间被反复擦写时（比如Oracle redo），不仅会造成写入的性能问题，而且会大大缩短SSD的使用寿命。所以，引入磨损均衡算法（wear leveling）。