SSD主要由控制單元和存儲單元組成，控制單元包括SSD控制器、主機接口、DRAM等，存儲單元主要是NAND FLASH顆粒。NAND FLASH內(nèi)部存儲讀寫的基本單元為Block和Page。

● Block：能夠執(zhí)行擦除操作的最小單元，通常由多個Page組成；

● Page：能夠執(zhí)行編程和讀操作的最小單元，通常大小為16KB。

對NAND FLASH讀寫數(shù)據(jù)的操作主要涉及擦除（Erase）、編程（Program）和讀（Read），其中編程和讀的基本操作單位是Page，擦除的基本操作單位是Block。在寫入一個Page之前，必須要擦除這個Page所在的整個Block。因此在寫入某個Page時，需要把Block中其他有效的數(shù)據(jù)拷貝到新的存儲空間，從而把原先的整個Block擦除，這一過程稱為垃圾回收（Garbage Collection，簡稱GC）。每一次對Block的編程寫入和擦除稱為一次P/E（Program/Erase）。不同于機械硬盤HDD，SSD盤中對每個Block的擦寫次數(shù)是有限制的。如果某些Block的擦寫次數(shù)太多，將會導致該Block不可用。

SSD領(lǐng)域涉及到較多的專業(yè)術(shù)語，為了更深入地了解SSD技術(shù)，本文對常用SSD術(shù)語進行簡要的說明和介紹。

盤內(nèi)磨損均衡

磨損均衡是指SSD控制器通過對NAND Flash中Block的P/E次數(shù)進行監(jiān)控，通過一定的軟件算法使所有Block的P/E次數(shù)比較平均，防止單個Block因過度擦寫而導致失效，延長NAND FLASH整體的使用壽命。

動態(tài)磨損均衡是指在主機數(shù)據(jù)寫入的時候，優(yōu)先挑選磨損較小的Block使用，這樣保證P/E消耗平均分布；靜態(tài)磨損均衡是指盤片定期在整個盤片的范圍內(nèi)尋找P/E消耗較少的Block并回收其上的有效數(shù)據(jù)，從而使得保存冷數(shù)據(jù)的Block也參與到磨損均衡的循環(huán)中。HSSD通過這2種方案的結(jié)合來保證全盤磨損均衡。

壞塊管理

NAND FLASH芯片在制造和使用過程中會逐漸出現(xiàn)一些不符合要求的存儲單元，此類Block將被標志為壞塊。如果出現(xiàn)壞塊，則通過NAND FLASH間XOR冗余校驗數(shù)據(jù)來計算出壞塊上的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)恢復到新的可用Block上。在一個SSD生命周期內(nèi)，盤片會出現(xiàn)壞塊，SSD在盤片內(nèi)部預留了空間用作壞塊替換，確保在生命周期內(nèi)可能出現(xiàn)的壞塊可以及時被替換，保障SSD上的數(shù)據(jù)安全可靠。

數(shù)據(jù)冗余保護

由于SSD在使用過程中可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)和跳變，數(shù)據(jù)在SSD的DRAM中使用了ECC和CRC校驗來防止數(shù)據(jù)跳變和篡改；數(shù)據(jù)在NAND FLASH中使用了LDPC和CRC校驗來保護Page上的數(shù)據(jù)；而在不同的NAND FLASH之間則采用了XOR冗余進行保護以防止顆粒失效導致的數(shù)據(jù)丟失。

LDPC即低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code），是通過校驗矩陣定義的一類線性碼，主要用于數(shù)據(jù)校驗和糾錯，廣泛應(yīng)用于無線通信、衛(wèi)星數(shù)字傳輸?shù)阮I(lǐng)域。在數(shù)據(jù)寫入NAND FLASH的Page時，計算出數(shù)據(jù)的LDPC校驗信息一起寫入到Page中；在從Page中讀取數(shù)據(jù)的時候通過LDPC進行校驗和糾錯。

后臺巡檢

NAND FLASH上的數(shù)據(jù)會由于存放時間過長，讀干擾、寫干擾、隨機失效等原因?qū)е聰?shù)據(jù)發(fā)生錯誤。HSSD會周期性的讀取NAND FLASH上的數(shù)據(jù)，識別數(shù)據(jù)跳變情況，對于出現(xiàn)高比特位跳變的數(shù)據(jù)及時讀取并寫入到新的Page。通過這一后臺巡檢過程可以提前識別出現(xiàn)的風險并進行處理，能有效防止這些錯誤導致的數(shù)據(jù)丟失，提高數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

Namespace

命名空間，是 NVMe 協(xié)議中一個基本的邏輯空間的概念。簡單地說，命名空間將 NVMe SSD 的用戶空間進行邏輯劃分，每個命名空間擁有自身的 NAND 顆粒，可以獨立地進行格式化和加密等操作。

OP

Over-provisioning，一般稱為預留空間，它是指 SSD 保留一部分閃存空間留作他用，這部分空間用戶不可操作，容量大小一般是由主控決定的，一般不建議用戶自行修改。OP 空間在垃圾回收（Garbage Collection, GC）、耗損平衡（Wear Leveling, WL）、減少寫入放大（Write Amplification, WA）等多個方面都有作用，具體如何應(yīng)用要取決于 SSD 主控算法。OP 的使用情況對于磁盤的健康狀態(tài)是有影響的。

DWPD

Diskful Writes Per Day，每日整盤寫入次數(shù)，是指在預期壽命內(nèi)可每日完整寫入 SSD 固態(tài)硬盤所有容量的次數(shù)。這個參數(shù)一般會作為參考 NMVe SSD 壽命和性能的重要評測數(shù)據(jù)。由于 SSD 的實現(xiàn)是基于電氣原理的，每個 NAND 顆粒的擦寫（P/E）次數(shù)是有限制的，一般廠家都會標定一個壽命期限。OP 所實現(xiàn)的 WL 對于維護磁盤的使用壽命具有很重要的意義。

MTBF

Mean Time Between Failures，平均無故障工作時間，或相鄰兩次故障之間的平均工作時間，是衡量一個產(chǎn)品的可靠性指標，單位為“小時”。MTBF主要通過實證法采用加速應(yīng)力方式來證明產(chǎn)品長期可靠度，主要通過高溫加速測試計算評估，從測試深度、廣度、持久度三個方向進行測驗。

PI

Protection Information，保護信息。完整的端到端數(shù)據(jù)保護支持由Host端生成PI，提供從Host直至SSD內(nèi)部的完整端到端數(shù)據(jù)路徑保護。在數(shù)據(jù)生成時，通過對數(shù)據(jù)添加PI，并將其作為元數(shù)據(jù)始終伴隨用戶數(shù)據(jù)一同傳輸和校驗，借此降低靜默錯誤的發(fā)生；同時，借助ECC（如BCH、LDPC）、Die間RAID5等手段，對檢測到的錯誤數(shù)據(jù)加以修正，提升整個端到端數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性。PI也可以通過SSD Controller生成，提供SSD盤內(nèi)的數(shù)據(jù)保護，通常，后者稱為“數(shù)據(jù)路徑保護”技術(shù)。

PI與用戶數(shù)據(jù)通常是連續(xù)存放。這要求SSD在提供標準的用戶數(shù)據(jù)存儲空間（如512字節(jié)或4096字節(jié)）之外，額外提供PI作為元數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域。

VSS

Viable Sector Size，可變Sector Size，也叫活性扇區(qū)大小。它允許SSD在保存用戶數(shù)據(jù)的同時，保存該數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，也就是對PI的存儲。它是全閃存陣列實現(xiàn)NVMe端到端數(shù)據(jù)保護，降低靜默錯誤發(fā)生的必要前提。在保證一致性能前提下，進一步保證存儲系統(tǒng)和分布式文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)可靠性的高要求。

DIF/DIX

PI 的具體實現(xiàn)包括 DIF 和 DIX 兩種方式，這兩種數(shù)據(jù)保護機制的主要區(qū)別是 PI 信息的位置不同。具體選擇哪種格式，要根據(jù)應(yīng)用場景的需求。

Data Integrity Field (DIF)，即元數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)（LBA Data）連續(xù)存放。

Data Integrity Extension (DIX)，元數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)單獨存放。

SR-IOV

Single-Root I/O Virtualization，單根 I/O虛擬化。是一種基于硬件的虛擬化解決方案，通過利用PF和VF的屬性，將一個設(shè)備虛擬出多個PCIe設(shè)備，利于虛擬機操作，從而大大減輕宿主機的CPU負荷，提高性能和可伸縮性，幫助系統(tǒng)解決虛擬機SSD盤的QoS問題，可支持更多數(shù)量的虛擬機業(yè)務(wù)。VM可直接與VF通信，不需要Hypervisor接入IO處理，節(jié)約 vCPU資源，實現(xiàn)性能隔離。

SR-IOV可實現(xiàn)多個虛擬機共享物理資源，且bypass Hypervisor（或者VMM）軟件層，使得虛擬機可使用到NVMe SSD的高性能。

PRP

Physical Region Page，物理（內(nèi)存）區(qū)域頁，主機側(cè)用于通知SSD數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存位置的一種方式。NVMe把Host的內(nèi)存分為頁的集合，頁的大小在CC寄存器中配置，可以是4K、8K…128MB，PRP Entry是一個64位的內(nèi)存物理地址指針，描述的是一段連續(xù)的物理內(nèi)存的起始地址，PRP list中每個PRP Entry都描述一個物理頁。每個NVME 命令有兩個域，PRP1和PRP2，Host通過這兩個域告訴SSD數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置或數(shù)據(jù)需要寫入的地址。

SGL

Scatter Gather List，散列聚集列表，是另一種索引內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。用以描述一段數(shù)據(jù)空間，該空間可以是數(shù)據(jù)源所在空間，也可以是數(shù)據(jù)目標空間，SGL由若干個SGL segment組成，每個segment又由若干個SGL descriptor組成。與PRP描述物理頁不同，SGL可以描述任意大小的內(nèi)存空間，更為靈活。

Multi-stream write

多流寫，該技術(shù)可以使SSD根據(jù)主機端提供的Stream ID，將具有相同或相似生命周期的數(shù)據(jù)寫入到相同的擦除單元中去，大大提高GC時的效率，減少寫放大，使得SSD的性能和壽命都有較大的提升。

ZNS

Zoned Name Spaces，分區(qū)命名空間。ZNS將一個Namespace的邏輯地址空間切分成單個zone（一種固定大小的子區(qū)間），每個zone都有一段LBA（Logical Block Address, 邏輯地址空間）區(qū)間，這段區(qū)間只能順序?qū)懀胰绻采w寫，則必須進行一次擦除操作。這樣，namespace就可以把NAND內(nèi)部結(jié)構(gòu)的邊界透露給外界。NVMe SSD也就能夠?qū)⒌刂酚成浔淼葍?nèi)部管理工作交由host去處理，從而減少寫放大、選擇合適的GC時機。ZNS驅(qū)動器減少了用于過度配置的額外閃存，因為它們不希望頻繁寫入，因此成本更低。

通過了解這些術(shù)語，我們可以更好地理解SSD技術(shù)的原理和性能特點，并在選擇、使用和優(yōu)化SSD時做出更明智的決策。

審核編輯：湯梓紅