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導讀：SSD固態(tài)硬盤(pán)是由控制單元和固態(tài)存儲單元（DRAM或FLASH芯片）組成的存儲設備，目前支持SATA、FC、SAS接口，可以替代普通的機械硬盤(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)存儲單元（DRAM或FLASH芯片）組成的存儲設備，目前支持SATA、FC、SAS接口，可以替代普通的機械硬盤(pán)。

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

SSD盤(pán)和傳統的機械硬盤(pán)的內部構造圖對比如下：

SSD盤(pán)內部構造圖                     機械硬盤(pán)內部構造圖

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

1、數據存取速度快。因為全部采用了閃存芯片，所以SSD固態(tài)存儲器內部不存在任何機械部件，SSD在密集的IO讀寫(xiě)和低延遲方面與傳統硬盤(pán)對比性能優(yōu)異。

2、故障率低。防震抗摔是SSD的一個(gè)特點(diǎn)之一，因為全部采用了閃存芯片，所以SSD固態(tài)存儲器內部不存在任何機械部件，這樣即使在高速移動(dòng)甚至伴隨翻轉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)能夠將數據丟失的可能性降到小。

3、綠色環(huán)保。固態(tài)存儲器工作時(shí)靜音（固態(tài)存儲器因為沒(méi)有機械馬達和風(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)存儲器在重量方面更輕，有利于移動(dòng)設備的攜帶。

在目前HDD機械硬盤(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)存儲介質(zhì)已經(jīng)成為計算系統的瓶頸，而SSD隨著(zhù)半導體工業(yè)的發(fā)展，Flash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)機械部件可靠性高，在高端服務(wù)器、存儲和便攜機中愈來(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)次數和性能。

SLC全稱(chēng)單層式儲存(Single Level Cell)，是指一個(gè)Block(塊，Flash的基本存儲單元，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，因為只需要一組高低電壓就可以區分出0或者1信號，所以SLC大的驅動(dòng)電壓可以做到很低，傳統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因為結構簡(jiǎn)單，在寫(xiě)入數據時(shí)電壓變化的區間小，所以壽命較長(cháng)，傳統的SLC Flash可以經(jīng)受10萬(wàn)次的讀寫(xiě)，因此出現壞Block的幾率較小，因為存儲結構非常簡(jiǎn)單，一組電壓即可驅動(dòng)，所以其速度表現更好，目前所有的超高速卡都采用SLC類(lèi)型的Flash芯片。

MLC(多層式儲存—Multi Leveled Cell)是種充分利用Block的技術(shù)，它采用較高的電壓驅動(dòng)，通過(guò)不同級別的電壓在一個(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)電壓區間更小，Flash就需要更多的CRC校驗空間，這會(huì )大概占據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。

因為電壓變化更頻繁，所以MLC技術(shù)的Flash在壽命方面遠劣于SLC，官方給出的可擦寫(xiě)次數僅為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存儲兩組位數據，自然需要更長(cháng)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）

因為閃存的寫(xiě)操作的次數是有限制的，如果針對某些單元進(jìn)行過(guò)10萬(wàn)次寫(xiě)操作，那么后續這些單元的寫(xiě)入可靠性則無(wú)法保證，有些單元則可能會(huì )失效，例如有些管理數據系統日志等改寫(xiě)頻繁,而某些靜態(tài)文件數據卻幾乎從不改寫(xiě).如不加控制，部分塊就會(huì )因反復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)塊映射機制, 把寫(xiě)入損耗分散在不同的塊上, 不會(huì )導致某些塊先被寫(xiě)壞而使整個(gè)SSD盤(pán)失效，而是把在預期壽命前失效的塊, 會(huì )有一些保留塊來(lái)替代, 這個(gè)算法使得整個(gè)設備的壽命跟Flash的大壽命在同一量級。

一般為實(shí)現損耗均衡算法（Wear Leveling）會(huì )采用一種基于頁(yè)的文件存儲算法，閃存物理地址和邏輯地址之間并沒(méi)有一一對應的關(guān)系。當固態(tài)硬盤(pán)收到數據寫(xiě)入請求時(shí)，并不會(huì )循規蹈矩的按順序進(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)入數據動(dòng)態(tài)分配物理塊時(shí),會(huì )根據各塊的使用情況不同分配相應的優(yōu)先級，從而均衡整個(gè)存儲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的數據總線(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Flash，類(lèi)似RAID0，這樣讀寫(xiě)速度得到了極大地提高，如下圖所示：

糾錯管理與映射機制

SSD控制器會(huì )監測和校驗讀寫(xiě)Flash的數據，以確保對數據操作的成功，并內置糾錯冗余數據，防止基于閃存設備的個(gè)別單元數據丟失造成整個(gè)數據塊丟失。

SSD的映射機制一般采用基于頁(yè)的文件存儲算法，閃存物理地址和邏輯地址之間并沒(méi)有一一對應的關(guān)系。當固態(tài)硬盤(pán)收到數據寫(xiě)入請求時(shí)，并不會(huì )循規蹈矩的按順序進(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)校驗寫(xiě)操作和擦除操作是否成功，校驗工作通過(guò)回讀寫(xiě)入數據與用戶(hù)數據進(jìn)行比較來(lái)完成。當寫(xiě)操作失敗時(shí)，系統并不將錯誤簡(jiǎn)單的反饋給用戶(hù)，而是通過(guò)塊重映射機制，另外分配一個(gè)空閑塊重新執行寫(xiě)操作，由于SSD在設計的時(shí)候，已經(jīng)預留了一部分Flash用于臨時(shí)存儲數據和壞塊替換使用，再加上Flash芯片對擦寫(xiě)次數有限制，讀沒(méi)有次數限制，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)校驗來(lái)預防錯誤發(fā)生，個(gè)別單元讀錯誤可以通過(guò)糾錯來(lái)恢復數據，確保數據的完整性，邏輯地址與物理地址的映射機制，解決了寫(xiě)物理區塊錯誤問(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制來(lái)實(shí)現。 

4. SSD應用環(huán)境

SSD盤(pán)相對于普通機械硬盤(pán)的特點(diǎn)是順序和隨機讀取數據性能一樣，且響應時(shí)間小于1毫秒，無(wú)機械部件，可靠性高。通過(guò)仔細研究分析測試多個(gè)廠(chǎng)家的SSD盤(pán)后，H3C為與萬(wàn)兆存儲配合使用和發(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)讀性能能達到250MB/s，每個(gè)磁盤(pán)的寫(xiě)性能能達到170MB/s，在4 KB塊讀的情況下，每個(gè)盤(pán)可以達到35KIOPS, 在4 KB塊寫(xiě)的情況下，每個(gè)盤(pán)可以達到3.3KIOPS。

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

數據庫環(huán)境。數據庫的數據盤(pán)一般是小數據塊的隨機讀寫(xiě)，響應時(shí)間要求較高，容量在2TB以下的占絕大多數，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。

高性能集群系統的共享數據盤(pán)。在集群系統中需要共享大量數據，且數據需要被各節點(diǎn)頻繁訪(fǎng)問(wèn)，要求響應速度快，在此系統中通過(guò)采用SSD盤(pán)后，可以極大地減少各節點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)共享盤(pán)的待定時(shí)間，提高其性能。