1. 什么是SSD
SSD是Solid State Drive，即固态硬盘的缩写。目前主流的SSD是使用半导体闪存（Flash）作为介质的存储设备，SSD有别于HDD(Hard Disk Drive)机械硬盘。
SSD诞生于上世纪70年代，最早的SSD使用RAM，RAM掉电数据就会丢失，价格也特别贵。后来出现了基于闪存的SSD，闪存掉电之后数据不丢失，flash SSD慢慢取代了RAM SSD。此时HDD盘已占据了大部分的存储市场。到本世纪初，由于工艺的不断进步，SSD赢来了大发展，容量和性能不断提升，价格也不断下降。HDD的在工艺和技术上已经很难有突破性的进展，SSD在性能和容量上还在不断突破，相对于HDD市场的萎缩，无论是企业级市场还是消费级市场SSD的快速普及，SSD市场份额一直在扩大。相信不久的将来，SSD在在线存储领域会取代HDD成为主流的存储设备，成为软件定义存储的主流设备。
在工作方式上，HDD使用磁盘，即磁性介质作为数据存储介质，在数据读取和写入上，使用磁头+马达的方式进行机械寻址。因为机械硬盘靠机械驱动读写数据的限制，导致机械硬盘的性能提升遇到了瓶颈。特别是HDD盘的随机读写能力，受其机械特性的限制，是一个巨大的瓶颈。SSD使用Flash作为存储介质，数据读取写入通过SSD控制器进行寻址，不需要机械操作，有着优秀的随机访问能力。
下图分别是HDD和SSD的组成。HDD使用机械SSD由主控、闪存、DRAM（可选）、PCB（电源芯片、电阻、电容等）、接口（SATA、SAS、PCIe等）。
SSD分为前端、中间、后端。前端是接口和相关的协议模块（STAT/SAS/PCIe等），中间是FTL（Flash Transhlation Layer）模块，后端是和闪存通信模块（闪存遵循ONFI或者Toggle协议）。
2. SSD的工作原理
2.1 SSD的存储单元
Flash的基本存储单元是 - 浮栅晶体管。
上图是浮栅晶体管的结构，最下面的是衬底，源极和漏极。衬底之上，有隧道氧化层、Floating Gate(浮栅层)、氧化层、控制栅极。中间的Floating Gate被绝缘层包围着，电子易进难出，通过对Floating Gate充放电子，来对晶体管进行写入和擦除。
在源极（ Source）和漏极（ Drain）之间电流单向传导的半导体上形成存储电子的浮栅，浮栅上下被绝缘层包围，存储在里面的电子不会因为掉电而消失，所以闪存是非易失性存储器。
下图是浮栅晶体管的写和擦除的原理。
写操作如左图，是在上面的控制栅极加正电压Vpp，使电子通过绝缘层进入浮栅。擦除操作正好相反 ，如右图，是在衬底加正电压Vpp，把电子从浮栅中吸出来 。写入的过程是充电子的过程，如果写入的page之前已经写过，在写入之前，必须先对flash进行擦除0，清除浮栅中的电子。
数据是以0和1二进制进行保存的，根据浮栅中有没有电子两种状态，可以表示数据的0和1，这样就可以进行数据的存储。一般把有电子的状态记为0，没有电子的状态记为1。
2.2 闪存的分类
根据制作工艺，闪存存储器可以分为NOR型和NAND型。
NOR型是为了替代EEPROM而设计，可以按位或者按字节进行访问，NOR型闪存芯片具有可靠性高、随机读取速度快的优势，但擦除和编程速度较慢，容量小，主要用于存储可执行的成都代码。
NAND闪存容量大，按页进行读写，容量大，适合进行数据存储。本文介绍都是基于NAND flash。
2.3 NAND flash的擦除、读、写
- 擦除，在衬底施加电压足够长的时间，把电子从浮栅中吸出来，擦除之后，整个block的数据都变成了1。由于一个block共用一个衬底，所以在擦除时，一次擦除一个block，即擦除的单位为block。
- 写，写的过程是对浮栅充电子，也称为编程。写之前需要先进行擦除，由于擦除之后，数据都变成了1，所以需要对要写入0的浮栅进行充电。
- 读，读取的时候，对晶体管施加一个低电压，如果浮栅中没有电子，那么管子就是导通的，读到1；如果浮栅中有电子，管子不导通，读到0。读取数据时，因为是否有电子会影响到管子的导通性，所以可以利用电流感应浮栅里电子捕获量的多寡，靠感应强度转换成二进制的0与1。
2.4 闪存的内部组织架构
如下图的闪存的内部组织架构：
- 1个Chip/Device -> 多个DIE或者LUN
- 1个DIE/LUN -> 多个Planes
- DIE/LUN是接收和执行闪存命令的基本单元
- 1个Plane -> 上千个Blocks
- 每个Plane有独立的register，一个Page register，一个Cache register
- 1个Block -> 上百个Pages
- Block是擦除的基本单位
- 1个Page -> 一般是4KB 或者 8 KB + 几百个字节的隐藏空间
- Page是读或者写的基本单位
- Cells -> flash存储信息的基本单位，根据每个cell可以保存1bit, 2bit, 3bit可以分为SLC, MLC, TLC
2.5 3D NAND FLASH
传统的Flash，是以二维的方式组成的，主要由word line(WL)和bit line(BL)组成，如下图。一条word line代表一个page，在读写的时候，bit line控制word line上的每一个bit。这样的word line和bit line交叉，组成了一个block。block平铺组成了flash。
随着闪存技术制造工艺的发展，二维闪存的尺寸不断缩小，单元间的干扰随尺寸的缩小不断变大。3D Nand Flash技术的出现，有效的解决了单元干扰的问题。
下图是一种3D闪存的立体图，在这种三维闪存中，flash堆叠了起来。如果2D Nand Flash比作平房，那么3D Nand Flash可以看做是楼房，3D Nand Flash可以通过提高flash的层数在单位面积上堆更多的晶体管。3D Nand Flash在单位面积堆更多的存储单元，在降低每bit成本上很有优势。
3. SSD的特性？
3.1 读写不平衡
读的速度很快；写入数据时，因为需要通过加压的方式对存储单元进行电子填充，所以速度略慢；擦除速度最慢，擦除块的时间在ms级。在使用SSD的时，需要考虑到SSD的读写不平衡的特性。
3.2 先擦后写
Nand Flash的写入以page为单位，擦除以block为单位。在Page页写入之前，必须要将page页所在的block块擦除。这个是由Nand Flash的工作原理决定的。
3.3 块擦页写
一个Wordline对应着一个或若干个Page，具体是多少取决于是SLC、 MLC或者TLC。对SLC来说，一个Word line对应一个Page； MLC则对应2个Page，这两个Page是一对（ Lower Page和Upper Page）； TLC对应3个Page（ Lower Page、 Upper Page和Extra Page，不同闪存厂家叫法不一样）。一个Page有多大，那么Wordline上面就有多少个存储单元，就有多少个Bitline。写入以页为单位。
一个Block当中的所有这些存储单元都是共用一个衬底的。当对衬底施加强电压，上面所有浮栅级的电子都会被吸出来。所以擦除是以块为单位的。
3.4 寿命有限
每个NAND Block都有擦写次数的限制，当超过这个次数时，该Block可能就不能用了：浮栅极充不进电子（写失败），或者浮栅极的电子很容易就跑出来（比特翻转，0->1)，或者浮栅极里面的电子跑不出来（擦除失败）。这个最大擦写次数按SLC,MLC,TLC依次递减：SLC的擦写次数可达十万次，MLC一般为几千到几万，TLC降到几百到几千。
3.5 SLC/MLC/TLC
根据一个存储单元可以存储多少bit的数据，闪存单元可以分为SLC(Single Level Cell)、MLC(Multiple Level Cell)、TLC(Triple Level Cell)。
上图是闪存芯片里面存储单元的阈值电压分布函数，横值是阈值电压，纵轴是存储单元数量。
一个存储单元电子划分得越多，那么在写入的时候，控制进入浮栅极的电子个数就要越精细，所以写耗费的时间就越长；同样的，读的时候，需要尝试用不同的参考电压去读取，一定程度上加长了读取时间。在性能上， TLC不如MLC， MLC不如SLC。 在寿命上，SLC > MLC > TLC。在价格上 SLC > MLC > TLC。下表是SLC、MLC、TLC的一些参数比较，数据比较旧了，但是对比趋势不变。现在还出现了一种QLC，一个闪存单元可以储存4个bit的数据。
闪存类型SLCMLCTLC每单元bit数123每单元表示的状态248擦除次数(k)10031读取时间(us)305075写入时间(us)3006001000擦除时间(us)150030004500
4. SSD的FTL
FTL是Flash Translation Layer的缩写，是SSD的一个重要组成部分，实现了以下功能：
- Interface Adapter： 在内部FTL中主要关联eMMC/SCSI/SATA/PCIe/NVMe等接口，而在外部FTL中主要关联Linux Block Device。
- Address Translation： 地址映射，也可以叫做mapping，负责逻辑地址和物理地址之间的映射，多技术模块都以该机制为核心进行。众所周知，Nand Flash具有写时擦除的特性，因此写入数据时不得不异地更新。
- Garbage Collection： 垃圾回收，简称GC，回收异地更新产生的脏数据所占空间的回收工作。
- Wear Leveling： 磨损均衡，简称WL，避免某一个Nand Block很快坏去，使所有Block的PE Cycle均衡发展。因为flash的擦写次数是有限制的，如果不进行磨损均衡，整个SSD的有些block可能擦写次数不平衡很快坏去。
- Power off Recovery： 掉电恢复，简称POR。正常掉电，SSD会把缓存中的数据刷新到闪存，重新加载保存的数据即可。如果是异常掉电，因为某些人为或自然外力的原因导致数据没有成功写入到Nand中，掉电恢复要恢复到掉电前的安全状态，比如恢复RAM中的数据和Address Translation中的映射表。
- Parallelization and Load Balancing： 在前面的2.4小节的闪存的内部组织架构介绍中，可以知道SSD中存在的一定的并发性，利用这些并发性可以提供SSD的并发请求处理能力，提高其性能。
- Cache Manager： Cache不仅可以存放用户数据，也可以存放FTL Metadata，对系统的整体性能有着天然的优势。
- Error Handler： 处理读写操作中遇到的Fatal Error或ECC Error状况，以及Bad Block或Weak Block的管理。
在下一篇文章《带你了解SSD(2)-FTL》中，会详细的介绍FTL的各功能。
Notes
作者：网易存储团队攻城狮 陈威
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5 参考文献
[1] SSDFans.深入浅出SSD:固态存储核心技术、原理与实战[M].北京：机械工业出版社，2018.6.
[2] http://codecapsule.com/2014/02/12/coding-for-ssds-part-1-introduction-and-table-of-contents/
[3] http://www.ssdfans.com/blog/2018/02/02/ftl那些事（0）之写在前面的话/