【FLASH存储器系列十四】固态硬盘结构和FTL初探

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固态硬盘是一种典型的nand flash产品应用。与传统硬盘相化，固态硬盘内部没有移动的机械磁头，而是由固态电子存储芯片（闪存芯片）阵列级联组成，下图给出了固态硬盘的内部组成。现阶段，几乎所有基于闪存的固态硬盘都具有与此图类似的硬件逻辑结构，具有较强的普适性。

从上图可以看到一个典型的固态硬盘由主机接口逻辑单元（Host Interface Logic）、RAM（缓存）、主控芯片（SSD Controller）和多个闪存芯片组成。主机接口屏蔽了固态硬盘内部对闪存芯片的操作，并帮助存储系统无缝地对固态硬盘进行读写操作。主控制器中提供了各种处理操作、内存管理及组织和管理闪存芯片的方法（如地址映射、损耗均衡、垃圾回收、坏块管理等）；闪存芯片通过总线并行级联组成，该组织方式可提供并行访问。固态硬盘内部的RAM则起到了缓存和加速的作用（有的SSD没有这个RAM）。主控芯片和闪存芯片是SSD中最为重要的两个元器件，也是影响SSD性能的主要因素。如果说主控芯片是SSD的大脑，则闪存芯片就是SSD的数据仓库。

下图给出了固态硬盘的体系结构。前三层主要功能是接口驱动，提供缓冲区存放读写请求的数据，并且提供请求队列，保存没有处理的请求和已经完成的请求，实现对固态硬盘的高效管理。通道控制层主要是控制数据的并行存储，将写数据分发到各个闪存控制器上。闪存转换层（Flash Translation Layer, FTL），是为了使固态盘存储系统对NANDFlash更好地支持，充分发挥NAND Flash存储介质的优势，主要实现逻辑/物理地址映射、坏块管理、垃圾回收和损耗均衡等功能。最底层是闪存接口层，即传统意义上的硬件抽象层（Hardware Abstract Layer,HAL）。

下图为三星某型号SSD的图片：

从上面的结构分析可知，在控制器和nand flash之间的FTL主要提供了四种功能，地址映射、垃圾回收、坏块管理和损耗均衡机制，是nandflash管理控制的重中之重。

为什么要有这个FTL来做这些事情呢？主要是由nand flash的物理特性决定的。相对于传统磁盘，nand flash具有如下独特的物理性质：

1）不能重复写（write-once）。闪存编程操作和擦除操作的最小单位不一致，闪存读、写操作的基本单位是页，而擦除操作的基本单位是块。且只能从1写为0，不能从0写为1，要写1必须通过擦除操作，编程操作是无法写1的，所以在写操作之前必须先执行擦除操作（erase-before-write）。

2）不可原地更新（out-of-place update）。由于闪存在编程之前必须擦除的物理特性，闪存中的数据若要实现原位置更新（in-place update）必须先将整个块内的有效页的数据读出，擦除此块后，再将有效页的数据与更新后的数据写回此块，这将导致写放大（Write Amplification），意思就是原本只要写一页中的部分位置，结果整个page都要写一遍。因此闪存中的数据采用非原位更新，即更新数据时，只是将新数据写到一个新的空闲页中，然后将原数据所在的物理页标记为无效页（invalid page）。这个无效页被称为“垃圾”，需要做“垃圾回收”，把这些无效页恢复成可写的空闲页。

3）闪存内的每一个块的擦写寿命（program/erase cycle）都是有限的。通常SLC类型的闪存中块的擦写寿命是十万次，而MLC类型的闪存中块的擦写寿命一般只有一万次。所以不能一直朝一个物理位置反复擦写，容易把这块区域擦坏。

4）闪存的数据保存与电荷息息相关。电荷会流失，虽然这个流失的时间在常温下可以长达十年，也可以短至几年或几个月，如果是在高温环境下，电荷流失的速度会加快，电荷流失会导致存储在闪存上的数据丢失。所以需要对闪存进行数据保持检测，若检测到有问题，则进行数据搬运回刷。

5）nand flash的一个page是一根字线上的所有存储单元，当对这一页进行读操作时，有可能影响当前的存储数据，造成读干扰问题。原因是读操作过程中，可能会给浮栅中充入部分电子，导致存储单元的阈值偏移，这个问题在MLC、TLC这种阈值越精细的存储单元中更容易出现。所以不能对某一个page多次读而不处理，应在当某个闪存块读的次数即将到预定的阈值时，便将这些数据从该物理位置搬走，挪到其他安全的闪存块上，从而避免数据出错。

6）nandflash运行中可能出现存储单元失效，需要尽可能减小失效的概率，出现了失效还需要做坏块管理。

7）在MLC或TLC闪存颗粒中，对Upper Page/ExtraPage（和Lower Page共享存储单元的闪存页）写入时，倘若发生异常掉电，那么可能会把之前LowerPage上成功写入的数据破坏，因此需要加入相应的处理机制来尽量避免发生这样的问题。

8）nandflash的类型分为SLC、MLC、TLC、QLC等，目前消费级的固态硬盘主流是TLC，TLC或MLC的读写速度比不上SLC，而通常硬盘在使用时并不是全部存满数据的，所以可以将部分TLC或MLC模拟成SLC模式来使用，来提升TLC或MLC固态硬盘的性能和可靠性。

上面说的这些特性是闪存的共性，不同的闪存间还会有各自的问题。FTL除了完成基本的地址映射，还需要处理垃圾回收（GC）、磨损平衡（Wear Leveling）、坏块管理、读干扰（ReadDisturb）处理、数据保持（Data Retention）处理等事情。随着闪存质量变差，FTL除了完成上述常规处理，还需要针对具体闪存特性，去做一些特殊处理以获得好的性能和高的可靠性。

FTL分为Host Based（基于主机）和DeviceBased（基于设备）。Host Based表示的是，FTL是在Host（主机）端实现的，用的是你自己计算机的CPU和内存资源，如下图：

相反，Device Based表示的是，FTL是在Device（设备）端实现的，用的是SSD上的控制器和RAM资源，如下图：

目前主流SSD都是Device Based FTL，就像上面那张三星的内存条那样。今天的分享就到这里，接下来主要分享FTL的几项关键技术。文章参考自《固态存储：原理、架构与数据安全 夏鲁宁 贾世杰 陈波》、《深入浅出SSD：固态存储核心技术、原理与实战 SSDFans》。

本文标签： 固态存储器硬盘结构系列