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導(dǎo)讀：SSD固態(tài)硬盤(pán)是由控制單元和固態(tài)存儲(chǔ)單元（DRAM或FLASH芯片）組成的存儲(chǔ)設(shè)備，目前支持SATA、FC、SAS接口，可以替代普通的機(jī)械硬盤(pán)。

1.什么是SSD

SSD即固態(tài)硬盤(pán)（Solid State Disk或Solid State Drive），也稱(chēng)作電子硬盤(pán)或者固態(tài)電子盤(pán)，是由控制單元和固態(tài)存儲(chǔ)單元（DRAM或FLASH芯片）組成的存儲(chǔ)設(shè)備，目前支持SATA、FC、SAS接口，可以替代普通的機(jī)械硬盤(pán)。

SSD盤(pán)根據(jù)容量、可靠性和性能的要求分為SLC SSD和MLC SSD，SLC主要應(yīng)用于服務(wù)器、工作站、存儲(chǔ)等高可行性環(huán)境中，MLC主要應(yīng)用于桌面PC可靠性要求不高的環(huán)境中。

SSD盤(pán)和傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)的內(nèi)部構(gòu)造圖對(duì)比如下：

SSD盤(pán)內(nèi)部構(gòu)造圖                     機(jī)械硬盤(pán)內(nèi)部構(gòu)造圖

相比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)，SSD硬盤(pán)擁有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、數(shù)據(jù)存取速度快。因?yàn)槿坎捎昧碎W存芯片，所以SSD固態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，SSD在密集的IO讀寫(xiě)和低延遲方面與傳統(tǒng)硬盤(pán)對(duì)比性能優(yōu)異。

2、故障率低。防震抗摔是SSD的一個(gè)特點(diǎn)之一，因?yàn)槿坎捎昧碎W存芯片，所以SSD固態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，這樣即使在高速移動(dòng)甚至伴隨翻轉(zhuǎn)傾斜的情況下也不會(huì)影響到正常使用，而且在筆記本電腦發(fā)生意外掉落或與硬物碰撞時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)丟失的可能性降到小。

3、綠色環(huán)保。固態(tài)存儲(chǔ)器工作時(shí)靜音（固態(tài)存儲(chǔ)器因?yàn)闆](méi)有機(jī)械馬達(dá)和風(fēng)扇，工作時(shí)噪音值為0分貝）、發(fā)熱量小、散熱快。

4、重量更輕。固態(tài)存儲(chǔ)器在重量方面更輕，有利于移動(dòng)設(shè)備的攜帶。

在目前HDD機(jī)械硬盤(pán)容量每年增速較慢，讀寫(xiě)速度10年來(lái)基本上沒(méi)有增加，而處理器的速度已經(jīng)是按莫爾定律成倍的增加，HDD硬盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)已經(jīng)成為計(jì)算系統(tǒng)的瓶頸，而SSD隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，F(xiàn)lash集成度愈來(lái)愈高，成本不斷下降，在采用多通道并行等技術(shù)下，SSD盤(pán)以其讀寫(xiě)速度快、綠色省電和無(wú)機(jī)械部件可靠性高，在高端服務(wù)器、存儲(chǔ)和便攜機(jī)中愈來(lái)愈廣泛使用。

2.SSD的分類(lèi)

SSD主流的產(chǎn)品目前有SLC和MLC兩種，兩種產(chǎn)品的主要差別在于擦寫(xiě)次數(shù)和性能。

SLC全稱(chēng)單層式儲(chǔ)存(Single Level Cell)，是指一個(gè)Block(塊，F(xiàn)lash的基本存儲(chǔ)單元，也可稱(chēng)為Cell)只有兩種電荷值，高低不同的電荷值表明0或者1，因?yàn)橹恍枰唤M高低電壓就可以區(qū)分出0或者1信號(hào)，所以SLC大的驅(qū)動(dòng)電壓可以做到很低，傳統(tǒng)的雙電壓卡或者低電壓版本卡片肯定采用SLC類(lèi)型的NAND Flash芯片。

SLC因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)電壓變化的區(qū)間小，所以壽命較長(zhǎng)，傳統(tǒng)的SLC Flash可以經(jīng)受10萬(wàn)次的讀寫(xiě)，因此出現(xiàn)壞Block的幾率較小，因?yàn)榇鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，一組電壓即可驅(qū)動(dòng)，所以其速度表現(xiàn)更好，目前所有的超高速卡都采用SLC類(lèi)型的Flash芯片。

MLC(多層式儲(chǔ)存—Multi Leveled Cell)是種充分利用Block的技術(shù)，它采用較高的電壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)不同級(jí)別的電壓在一個(gè)Block中記錄兩組位信息(00、01、11、10)，這樣就可以將原本SLC的記錄密度理論提升一倍。不過(guò)MLC除了同制程、同晶圓面積時(shí)理論大一倍的記錄空間外，存在一些先天的弊端，比如說(shuō)電壓區(qū)間更小，F(xiàn)lash就需要更多的CRC校驗(yàn)空間，這會(huì)大概占據(jù)Block中10%的空間，因此實(shí)際使用中同制程同晶圓面積的MLC的容量不到SLC的一倍。

因?yàn)殡妷鹤兓l繁，所以MLC技術(shù)的Flash在壽命方面遠(yuǎn)劣于SLC，官方給出的可擦寫(xiě)次數(shù)僅為1萬(wàn)次，這是MLC要命的一個(gè)缺點(diǎn)。

MLC技術(shù)的Flash還有一個(gè)缺點(diǎn)，它的讀寫(xiě)速度先天不如SLC，一個(gè)Block存儲(chǔ)兩組位數(shù)據(jù)，自然需要更長(zhǎng)的時(shí)間，這里面還有電壓控制、CRC寫(xiě)入方式等因素需要考慮。

3. SSD技術(shù)解析

NAND FLASH 損耗均衡算法（Wear Leveling）

因?yàn)殚W存的寫(xiě)操作的次數(shù)是有限制的，如果針對(duì)某些單元進(jìn)行過(guò)10萬(wàn)次寫(xiě)操作，那么后續(xù)這些單元的寫(xiě)入可靠性則無(wú)法保證，有些單元?jiǎng)t可能會(huì)失效，例如有些管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)日志等改寫(xiě)頻繁,而某些靜態(tài)文件數(shù)據(jù)卻幾乎從不改寫(xiě).如不加控制，部分塊就會(huì)因反復(fù)多次擦除而提前損壞,而部分塊還未被改寫(xiě)過(guò)，以至影響SSD盤(pán)的使用壽命，為解決此問(wèn)題，使用寫(xiě)操作均勻分布到各閃存單元上，從整體上做一個(gè)平衡，以避免個(gè)別單元失效，損耗均衡算法（Wear Leveling）就是為解決此問(wèn)題而廣泛采用的算法。

Wear Leveling就是提供一個(gè)塊映射機(jī)制, 把寫(xiě)入損耗分散在不同的塊上, 不會(huì)導(dǎo)致某些塊先被寫(xiě)壞而使整個(gè)SSD盤(pán)失效，而是把在預(yù)期壽命前失效的塊, 會(huì)有一些保留塊來(lái)替代, 這個(gè)算法使得整個(gè)設(shè)備的壽命跟Flash的大壽命在同一量級(jí)。

一般為實(shí)現(xiàn)損耗均衡算法（Wear Leveling）會(huì)采用一種基于頁(yè)的文件存儲(chǔ)算法，閃存物理地址和邏輯地址之間并沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)固態(tài)硬盤(pán)收到數(shù)據(jù)寫(xiě)入請(qǐng)求時(shí)，并不會(huì)循規(guī)蹈矩的按順序進(jìn)行寫(xiě)入，而是找到少寫(xiě)入的單元寫(xiě)入。因而，在為寫(xiě)入數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分配物理塊時(shí),會(huì)根據(jù)各塊的使用情況不同分配相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，從而均衡整個(gè)存儲(chǔ)器各單元的使用壽命。

SSD多通道并發(fā)技術(shù)

由于目前Nand Flash的數(shù)據(jù)總線(xiàn)為8bit，大能提供25MB/s的讀速度和3MB/s的寫(xiě)速度，顯然SSD如果提供此速度是用戶(hù)無(wú)法接受的，目前SSD控制器普遍采用多個(gè)通道同時(shí)并行操作多片F(xiàn)lash，類(lèi)似RAID0，這樣讀寫(xiě)速度得到了極大地提高，如下圖所示：

糾錯(cuò)管理與映射機(jī)制

SSD控制器會(huì)監(jiān)測(cè)和校驗(yàn)讀寫(xiě)Flash的數(shù)據(jù)，以確保對(duì)數(shù)據(jù)操作的成功，并內(nèi)置糾錯(cuò)冗余數(shù)據(jù)，防止基于閃存設(shè)備的個(gè)別單元數(shù)據(jù)丟失造成整個(gè)數(shù)據(jù)塊丟失。

SSD的映射機(jī)制一般采用基于頁(yè)的文件存儲(chǔ)算法，閃存物理地址和邏輯地址之間并沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)固態(tài)硬盤(pán)收到數(shù)據(jù)寫(xiě)入請(qǐng)求時(shí)，并不會(huì)循規(guī)蹈矩的按順序進(jìn)行寫(xiě)入，而是找到方便寫(xiě)入快的位置進(jìn)行寫(xiě)入，以提高寫(xiě)入速度。

通常檢測(cè)工作通過(guò)片上狀態(tài)寄存器和特定的硬件部件來(lái)校驗(yàn)寫(xiě)操作和擦除操作是否成功，校驗(yàn)工作通過(guò)回讀寫(xiě)入數(shù)據(jù)與用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)完成。當(dāng)寫(xiě)操作失敗時(shí)，系統(tǒng)并不將錯(cuò)誤簡(jiǎn)單的反饋給用戶(hù)，而是通過(guò)塊重映射機(jī)制，另外分配一個(gè)空閑塊重新執(zhí)行寫(xiě)操作，由于SSD在設(shè)計(jì)的時(shí)候，已經(jīng)預(yù)留了一部分Flash用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和壞塊替換使用，再加上Flash芯片對(duì)擦寫(xiě)次數(shù)有限制，讀沒(méi)有次數(shù)限制，這樣即使某些塊被寫(xiě)壞了，也不會(huì)影響到整個(gè)SSD的使用壽命。因此，SSD通過(guò)自動(dòng)校驗(yàn)來(lái)預(yù)防錯(cuò)誤發(fā)生，個(gè)別單元讀錯(cuò)誤可以通過(guò)糾錯(cuò)來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性，邏輯地址與物理地址的映射機(jī)制，解決了寫(xiě)物理區(qū)塊錯(cuò)誤問(wèn)題，同時(shí)在損耗均衡算法中也需要邏輯地址與物理地址的映射機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。 

4. SSD應(yīng)用環(huán)境

SSD盤(pán)相對(duì)于普通機(jī)械硬盤(pán)的特點(diǎn)是順序和隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)性能一樣，且響應(yīng)時(shí)間小于1毫秒，無(wú)機(jī)械部件，可靠性高。通過(guò)仔細(xì)研究分析測(cè)試多個(gè)廠家的SSD盤(pán)后，H3C為與萬(wàn)兆存儲(chǔ)配合使用和發(fā)揮好的性能，選用了高可靠性和高性能的SLC SSD盤(pán)，每個(gè)盤(pán)讀性能能達(dá)到250MB/s，每個(gè)磁盤(pán)的寫(xiě)性能能達(dá)到170MB/s，在4 KB塊讀的情況下，每個(gè)盤(pán)可以達(dá)到35KIOPS, 在4 KB塊寫(xiě)的情況下，每個(gè)盤(pán)可以達(dá)到3.3KIOPS。

SSD盤(pán)性能和可靠性都很高，但價(jià)格相對(duì)也較高，而且容量偏小。這就決定了SSD比較適合隨機(jī)讀比例較高，響應(yīng)時(shí)間有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合，主要包括如下：

數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境。數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)盤(pán)一般是小數(shù)據(jù)塊的隨機(jī)讀寫(xiě)，響應(yīng)時(shí)間要求較高，容量在2TB以下的占絕大多數(shù)，采用SSD盤(pán)組成的RAID5既可以提供很高的IOPS又大限度地利用其容量。

高性能集群系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)盤(pán)。在集群系統(tǒng)中需要共享大量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)需要被各節(jié)點(diǎn)頻繁訪問(wèn)，要求響應(yīng)速度快，在此系統(tǒng)中通過(guò)采用SSD盤(pán)后，可以極大地減少各節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)共享盤(pán)的待定時(shí)間，提高其性能。