架構(gòu)/顆粒/接口/可靠性全面解析：最全面的閃存技術(shù)大普及

閃存最明顯特點就是穩(wěn)定性能，低時延和高隨機IOPS。對于閃存，在評估性能時，我們一般主要關(guān)注90% IO落入規(guī)定的時延范圍（性能是一個線性范圍，而不是某一個點）。數(shù)據(jù)保護等追求所有軟件特性都基于Inline實現(xiàn)，如Inline重刪、壓縮、Thin-Provisioning（尤其是重刪，一方面SSD價格還是偏高，重刪壓縮可以節(jié)約投入成本；另一方面也減少了IO下盤次數(shù)提高SSD壽命）。但對于閃存，我們所關(guān)注的特性和技術(shù)指標遠遠不止這些。

閃存架構(gòu)

閃存的Scale out能力：橫向擴展能力是應(yīng)對并發(fā)訪問和提升性能容量的最基本特性，所以閃存是必須具備的功能。目前XtremIO支持16控，solidfire已經(jīng)支持但100個控制器節(jié)點。

控制器對稱A/A 能力：閃存的主要應(yīng)用場景如OLTP等，傳統(tǒng)的A/P、ALUA陣列在主控制器故障切換時都需要時間切換，并導致IO歸零；并且在閃存陣列下，一般系統(tǒng)CPU是瓶頸，所以只有無歸屬、性能均衡的A/A對稱架構(gòu)才能更好應(yīng)對。目前傳統(tǒng)存儲（如EMC VMAX/VNX，HP 3PAR， HDS USP/VSP）都已經(jīng)支持，但是閃存陣列還沒看見宣傳；好多閃存產(chǎn)品，如 PureStorage還是 A/P模式。

元數(shù)據(jù)管理

閃存的設(shè)計主要是考慮如何發(fā)揮出SSD的隨機訪問性能，不像HDD那樣，需要通過預取、IO聚合技術(shù)來提高下盤的順序性，減少對機械盤的操作來提升性能。所以閃存在設(shè)計上要考慮如何優(yōu)化元數(shù)據(jù)（系統(tǒng)元數(shù)據(jù)、重刪壓縮指紋、FTL映射等）管理，IO調(diào)度策略，垃圾回收和磨損均衡等設(shè)計。

兩層元數(shù)據(jù)管理架構(gòu)是實現(xiàn)元數(shù)據(jù)管理的趨勢，其基本思想是元數(shù)據(jù)映射基于LBA-》塊ID-》Block位置的Map形式，卷的數(shù)據(jù)LBA映射到塊ID，而不是磁盤上的物理Block地址；數(shù)據(jù)變化后只需改變對應(yīng)塊ID映射關(guān)系，塊ID就可以映射到新的物理空間，這樣相比單層方式就簡化重刪壓縮實現(xiàn)和效率。

SolidFire采用兩層元數(shù)據(jù)管理架構(gòu)實現(xiàn)元數(shù)管理，元數(shù)據(jù)管理采用Key-Value方式；元數(shù)據(jù)映射基于LBA-》塊ID-》位置的Map形式，卷的數(shù)據(jù)LBA對應(yīng)塊ID，而不是磁盤上的物理地址；所以數(shù)據(jù)變化后計算指紋只需改變對應(yīng)塊ID映射關(guān)系，天然就支持重刪。在垃圾回收時，是采用塊標記法實現(xiàn)對未使用塊的清除。

GFTL功能

GFTL稱作Global FTL，閃存陣列可以配合SSD控制器（需要SSD開放內(nèi)部接口給陣列），通過陣列完成一些如ROW寫滿條帶下盤，全局負載均衡，整塊對齊擦除、垃圾回收等高級優(yōu)化功能。另外，GFLT也可記錄重刪壓縮數(shù)據(jù)庫，指紋元數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)RAID功能，進行IO聚合，通過元數(shù)據(jù)記錄實現(xiàn)RAID滿條帶下盤，從而規(guī)避讀、修改、寫放大操作，解決Write-Hole問題等。

SSD自身的FTL只能完成數(shù)據(jù)LAB/重刪后數(shù)據(jù)塊、到真實顆粒塊（block）的影射，只能實現(xiàn)簡單的垃圾回收和ROW數(shù)據(jù)寫，內(nèi)部把不同Block組織在一起組成RAID。很多外購SSD磁盤的閃存廠商都還不支持GFTL技術(shù)，但是該技術(shù)是提高閃存效率和競爭力的有力武器。

重刪特性

重刪是閃存最基本特性之一，分為Inline和Postline，但對閃存Inline才能體現(xiàn)真正價值。重刪一般分為HASH指紋算法（以SHA-1為例說明，存在碰撞問題）和按字節(jié)對比法兩種，逐字節(jié)對比可靠性高，但會嚴重影響閃存性能，所以很少使用，只在數(shù)據(jù)一致性要求非常嚴格的場景下使用。

SHA-1算法會有Hash沖突的概率，Hash輸出長度一般為160字節(jié)的數(shù)字，對不同數(shù)據(jù)塊（大小可設(shè)置）其輸出是隨機的，在0-2^（160-1）間分布，不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生相同Hash值的概率2^（-160），只有數(shù)據(jù)量（固定數(shù)據(jù)塊大小）超過這些數(shù)字能表示的值時，才會發(fā)生Hash沖突，但到目前位置，所有產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量總和都不至于產(chǎn)生Hash沖突。

所以Hash方式在產(chǎn)品中最為常見。場見的強Hash算法有SHA-1， SHA-256等；常見的弱Hash算法有Murmur3， CRC， MD5等；強Hash發(fā)生沖突的概率低。

但是在某些場景，如在8K業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊大小的數(shù)據(jù)庫場景下，Key值基本上是唯一的，如果重刪粒度也是8K則根本起不到重刪的效果，可以讓客戶選擇關(guān)閉該功能（XtremIO的Inline重刪功能是無法關(guān)閉的），只開啟壓縮。

IO基本流程

數(shù)據(jù)從主機下發(fā)到閃存陣列控制器，對于非A/A架構(gòu)的閃存來說，首先盤判斷IO對應(yīng)LUN的歸屬，如果LUN歸屬在在本地控制器，IO就寫到到對應(yīng)Cache并鏡像，否則轉(zhuǎn)發(fā)給LUN歸屬控制器處理。Cache到水位時再切分塊LBA為相應(yīng)大小后，交給增值模塊（如重刪壓縮模塊）處理，計算出指紋后，將指紋和數(shù)據(jù)（重復數(shù)據(jù)只保留指紋）交給歸屬控制器來完成下盤，相關(guān)模塊下盤時分配分條，湊滿條帶后順序?qū)懭氪疟P，記錄真實地址和指紋關(guān)系，保存指紋到指紋數(shù)據(jù)庫。

Block磨損均衡

Block磨損均衡是為了讓數(shù)據(jù)均勻分布在SSD的所有Block中，從而能達到冷熱點均勻分布提高SSD壽命的目的。閃存必須提供磨損均衡來實現(xiàn)，磨損均衡分為動態(tài)磨損均衡和靜態(tài)磨損均衡；動態(tài)磨損均衡是由主機更新數(shù)據(jù)觸發(fā)的，通過主機讀寫保證數(shù)據(jù)的擦寫平均分布到所有的Block上，因為每種應(yīng)用都有冷熱數(shù)據(jù)，所以靜態(tài)磨損均衡并不能保證冷熱度均勻分布。

靜態(tài)磨損均衡是由SSD內(nèi)部機制實現(xiàn)，將冷Block上的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)移（不同于垃圾回收），擦寫冷Block上面的數(shù)據(jù)來接受經(jīng)常變化的熱點數(shù)據(jù)，使冷Block有機會成為熱Block，從而使SSD中所有Block的冷熱度達到平衡。

SSD掉電保護

為了防止SSD磁盤中緩存數(shù)據(jù)由于掉電丟失，SSD還需要提供掉電保護功能。一般SSD會設(shè)計電壓檢測模塊來實時檢測電壓值，當電壓低于設(shè)置閾值時，SSD電壓檢測模塊會通知SSD控制器進入掉電數(shù)據(jù)刷寫流程，此時會有超級電容作為備電源供電，把磁盤緩存數(shù)據(jù)刷到Flash顆粒中，防止數(shù)據(jù)丟失。

另一方面，閃存陣列也應(yīng)該提供一種機制，當陣列主動下電或升級維護時，下發(fā)命令給SSD，讓SSD進入掉電緩存數(shù)據(jù)刷新流程，保證數(shù)據(jù)一致性。

閃存（Flash）是相對于HDD而言的一種非易失性存儲器，F(xiàn)lash分為NOR Flash和NANDFlash，NOR Flash可以當作內(nèi)存使用直接執(zhí)行程序，相比DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM具有掉電數(shù)據(jù)不丟失等特點，所以在嵌入式設(shè)備（ARM/MIPS等體系架構(gòu)）中，一般采用NOR Flash存儲BootLoader和OS程序。但今天我們的重點是NAND Flash。

Flash顆粒解析

學習過模擬電路的同學都知道，在模電原理里三極管分兩種，一種是雙極性三極管，主要基于載流子用來做電流放大，另一種叫做CMOS場效應(yīng)三極管，通過電場控制的金屬氧化物半導體。NAND Flash就是基于場效應(yīng)P/N溝道和漏極、柵極技術(shù)通過浮柵Mosfet對柵極充電實現(xiàn)數(shù)非易失據(jù)儲存的。一個晶體單元稱作一個Cell，向Cell中充電就是編程或?qū)懭霐?shù)據(jù)，通過電平的高低來判斷數(shù)據(jù)是0還是1。在SLC顆粒類型的Flash中，沖入電荷讀取到閾值電平為高電平，一般表示數(shù)據(jù)0。

NAND Flash SSD和HDD的最大區(qū)別，其一是SSD通過Flash控制電路選通原理來讀/寫對應(yīng)地址數(shù)據(jù)，不必采用笨拙的機械磁頭定位數(shù)據(jù)外；其二是SSD在充電寫入數(shù)據(jù)前，必需要擦除原有的數(shù)據(jù)，每次充電和放電稱為一次P/E（編程/擦出），一塊SSD的壽命和可以執(zhí)行P/E操作的次數(shù)強相關(guān)。每種Flash顆粒的P/E操作次數(shù)是不同的，P/E操作次數(shù)越多，對應(yīng)Flash顆粒的SSD壽命越長，可靠性越好，價格也越高。

NAND Flash顆粒分類

NAND Flash可根據(jù)Cell儲存bit數(shù)據(jù)位的不同分為SLC，MLC，TLC，其中MLC還分為eMLC，MLC和cMLC。由于不同類型顆粒結(jié)構(gòu)不同，所有導致了不同顆粒間數(shù)據(jù)儲存能力，性能和可靠性存在差異。

SLC（single level Cell） 是單層存儲單元，一個Cell中只存儲1bit數(shù)據(jù)（0/1），在寫入數(shù)據(jù)后就高低2為電平，由于判定寫入數(shù)據(jù)值電壓的區(qū)間小，所以可擦寫次數(shù)和可靠性也是最好的，一般在5W-10W之間，但是存儲容量相對較少，成本也最高。

MLC（multi-level Cell） 多層式儲存單元，存儲密度較大，一個Cell中可以存儲2bit數(shù)據(jù)（00/01/10/11），相比SLC，判定寫入Cell中電壓值區(qū)間比2bit數(shù)據(jù)就比較復雜了，由于NAND Flash的物理屬性（擦寫會對顆粒的絕緣層造成損壞），也使得隨著擦寫次數(shù)增多，很難判斷出寫入的數(shù)據(jù)具體代表的bit位。其擦寫次數(shù)一般3K左右，另外，2bit數(shù)據(jù)讀寫使得MLC速度比SLC慢，但容量較大，價格比較便宜。

eMLC（enterprise MLC）和cMLC（consumer MLC）都是采用MLC技術(shù)，主要差別就是NAND Flash顆粒篩選參數(shù)，制作工藝和測試方法不同。通過不同標準來界定顆粒，eMLC是經(jīng)過嚴格測試和企業(yè)級標準篩選，所以可靠性和壽命最高；MLC次之；把挑選完eMLC/MLC之后顆粒成為 cMLC，可靠性和壽命都要稍差一些，但成本低，一般總在個人消費和企業(yè)非關(guān)鍵應(yīng)用中。

TLC（Triple level Cell）三層式存儲單元，一個Cell中存放3bit數(shù)據(jù)（000-111），數(shù)據(jù)密度更大，通過判定電壓確定寫入Cell數(shù)據(jù)的難度更大，所以SLC的擦寫次數(shù)（P/E）操作只有幾百次到上千次；可靠性和性能很低，具有成本優(yōu)勢，一般用在個人消費產(chǎn)品中（不能滿足企業(yè)產(chǎn)品要求）。

SSD的可靠性問題

為了進一步提高SSD磁盤的壽命，一方面，存儲（SSD/HDD）廠商還會在顆粒之上通過ECC（隨用戶數(shù)據(jù)生成一起寫入磁盤）糾錯技術(shù)糾正靜默錯誤。在數(shù)據(jù)寫入時采用ECC編碼寫入檢驗位，當數(shù)據(jù)由于位翻轉(zhuǎn)導致靜默錯誤，讀取數(shù)據(jù)時可以利用ECC檢驗位校正數(shù)據(jù)，并把正確數(shù)據(jù)返回主機。常用的ECC校正機制有8bit/512bit， 32bit/2KB，分別可以實現(xiàn)512bit中8bit數(shù)據(jù)檢驗和2KB中32bit數(shù)據(jù)錯誤的檢驗，如果錯誤的bit位數(shù)超過8/32bit（稱為Uncorrectable bit error），ECC是無法檢驗恢復的，必須采用RIAD機制來恢復。

另一方面，SSD廠商采用Over-provisioning技術(shù)提高閃存壽命。SSD的寫入單位是Page， 擦除單位是Block，對某一塊Block擦寫達到一定次數(shù)就會導致Block失效（寫入的數(shù)據(jù)無法判定識別）作廢，所以SSD也提供了額外的容量（稱為 Over- provisioning），以便替換壞塊提高整個SSD壽命，當失效Block的容量超過Over-provisioning容量（MLC的Over-provisioning一般為SSD總?cè)萘康?8%，不同介質(zhì)和廠商有所不同），使得整個SSD容量小于其宣稱容量時，該SSD就失效了。

顆粒的發(fā)展和未來

雖然NAND Flash目前處于絕對的王者地位，但是傳統(tǒng)的NAND Flash是一種線性串列的Mosfet存儲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)果限制其容量很難做大。一個可行的方式就是增加存儲密度，目前NAND Flash的存儲密度已經(jīng)可以做到微米、甚至到納米級別；但是隨著密度增高，存儲單元Cell的浮柵周圍產(chǎn)生電容耦合，存儲數(shù)據(jù)能力和可靠性極速降低。

所以，3D Flash技術(shù)的出現(xiàn)給閃存的發(fā)展指明了方向，3D-Flash技術(shù)主要有下面三個方向。

憶阻Memristor存儲技術(shù)

憶阻器本質(zhì)上是一種有記憶功能的非線性電阻，通過控制電流的變化可改變其阻值，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，通過這種電阻變化實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的功能。

美光/英特爾聯(lián)合推出3D XPoint憶阻器存儲技術(shù)，SanDisk/惠普也達成合作協(xié)議，此次合作以惠普憶阻器技術(shù)和SanDisk的非易失性存儲器技術(shù)創(chuàng)造一個新的企業(yè)級憶阻器存儲方案。憶阻器存儲在訪問速度上Flash存儲快1000倍。

3D XPoint是一種立體化的存儲技術(shù)，它看起來與同為3D設(shè)計的NAND技術(shù)相似，但本質(zhì)卻不同，3D XPoint并不單純是NAND，而是一種新的非易失性存儲技術(shù)。3D XPoint技術(shù)還允許存儲單元被堆疊到多個層中，這樣就可以有效提升存儲介質(zhì)的容量。

3D-水平NAND Flash堆疊技術(shù)

基本思路實現(xiàn)對現(xiàn)有的NAND浮柵結(jié)構(gòu)進行堆疊，獲得與普通 NAND 浮柵相同的橫向可擴展性和存儲密度，另外采用氮化硅串接技術(shù)來代替浮柵的電荷捕獲閃存方法。

串聯(lián)存儲器的存取可通過在低級非存儲器中形成一個反型溝道來避免Cell的浮柵電容耦合。這種反型溝道及其相關(guān)耗盡區(qū)為存儲介質(zhì)中所捕獲的電荷提供了高水平電荷保護，免受應(yīng)用于這些底部存取器的傳輸電壓的干擾。

此外，這種雙柵結(jié)構(gòu)是公認的良好橫向可微縮性方法，它通過使頂部和底部設(shè)備之間實現(xiàn)密切的靜電相互作用來消除短通道效應(yīng)。

3D-垂直NAND Flash堆疊技術(shù)

三星電子推出獨家專利3D V-NAND閃存技術(shù)，提升了產(chǎn)品的容量、速度和可靠性。3D V-NAND不是使用新工藝來縮小Cell單元和提供存儲密度，而是選擇了堆疊更多層數(shù)。

傳統(tǒng)NAND Flash使用的是浮柵極Mosfet技術(shù)，充電/放電容易損壞柵極；三星采用控制柵極和絕緣層將Mosfet環(huán)形包裹起來提升了儲存電荷的的物理區(qū)域，從而提高性能和可靠性。

3D V-NAND技術(shù)把Cell3D化，使得在垂直方向無限堆疊擴展，三星放棄了傳統(tǒng)的浮柵極Mosfet，降低了寫入時的電荷消耗，閃存壽命得到大幅提升，為未來SSD的發(fā)展開辟非常廣闊的空間。

SSD接口技術(shù)

我們知道閃存磁盤是在HDD以后出現(xiàn)的，由于SSD優(yōu)異的隨機性能、越來越大的容量和越來越低的成本等優(yōu)勢，使得閃存熱度上升、乃至替換HDD的趨勢。由于歷史繼承性等原因，SSD在設(shè)計是也是借鑒了部分HDD技術(shù)，包含接口技術(shù)，現(xiàn)在絕大多數(shù)SSD都是采用SATA/SAS接口。SATA接口和AHCI（基于SATA接口和ATA數(shù)據(jù)指令）已是存儲的性能瓶頸凸顯，SCSI/SAS/FC接口（SCSI數(shù)據(jù)指令）組合在閃存中也是昨日黃花， NVMe指令和PCIe的組合將是未來趨勢。

PCIe SSD存儲接口

到目前為止，大部分存儲廠商都推出了對應(yīng)的PCIe閃存卡（如 EMC XtremSF PCIe SSD卡 ）和磁盤。

Fusion-io開發(fā)的專利PCIe閃存卡（IO-Drive），可以加入到服務(wù)器中進而實現(xiàn)對應(yīng)用的加速，并達到微秒級的低訪問延遲。SATA/SAS則無論如何無法達到這個水平。因此，閃存浪潮下接口規(guī)范的重大變革勢所難免。

NVM Express標準

NVM Express是硬盤的新傳輸標準，是來取代為機械盤設(shè)計AHCI（高級主機控制器接口）的接口標準，AHCI無法發(fā)揮固態(tài)磁盤的優(yōu)勢，每條指令都需要讀取4次寄存器，而VNMe不需要讀取。從下面圖上可以看出NVM Express的優(yōu)勢。

NVM Express是一個針對使用PCI Express SSD的企業(yè)和普通客戶端系統(tǒng)開發(fā)的可擴展的主機控制芯片接口標準。該標準針對PCIe SSD定義了最優(yōu)化的寄存器接口、指令集和功能集，并提供可擴展接口以實現(xiàn)SSD 技術(shù)現(xiàn)在和將來的性能潛力。NVMe走的是PCIE通道性能高，并且是統(tǒng)一的通信規(guī)范，只要服務(wù)器和PCIE接口卡都遵循NVMe規(guī)范， PCIE接口卡可以安裝在任何服務(wù)器上而不用擔心兼容性問題。

NVMe標準的也解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動適用性問題。此前的PCIe SSD，均需要安裝驅(qū)動程序后才能正常使用，而不同的廠商又各自為政，每個廠商產(chǎn)品都有自己的驅(qū)動，SSD也不能作為引導使用。但支持NVMe標準之后，PCIe SSD就可適用于多個不同平臺，也不需要廠商獨立提供驅(qū)動支持。目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對NVMe SSD的支持。

針對PCIe接口提出了NVMe標準（但NVMe的使用不僅限于PCIe）。該標準由包括IDT、Dell、Intel、EMC、NetApp、Oracle以及Cisco在內(nèi)的13家發(fā)起企業(yè)主導，并由80余家業(yè)界領(lǐng)軍公司合作開發(fā)。NVM Express是一個針對使用PCI Express SSD的企業(yè)和普通客戶端系統(tǒng)開發(fā)的可擴展的主機控制芯片接口標準。該標準針對PCIe SSD定義了最優(yōu)化的寄存器接口、指令集和功能集，并提供可擴展接口以實現(xiàn)SSD 技術(shù)現(xiàn)在和將來的性能潛力。這讓原始設(shè)備制造商無需標準化多個SSD驅(qū)動器，從而加速PCIe SSD 的推廣使用。

但是NVMe作為針對下一代存儲設(shè)備提出的指令和協(xié)議規(guī)范，除了支持PCIe接口，VNMe規(guī)范可以應(yīng)用到不同的硬件接口規(guī)范上。如支持U.2接口（即SFF-8639接口，包含4組PCIeLanes和2組SAS/SATA Lanes），SATA Express和M.2接口等等。另外，PCIe SSD并不一定支持NVMe規(guī)范，但是NVMe PCIe 是需要考慮符合NVMe規(guī)范。

東芝集團下存儲解決方案提供商OCZ，推出了全新的基于NVMe技術(shù)的Z-Drive 6000系列SSD，結(jié)合了第三代PCIe和非易失性存儲器專用（NVMe）技術(shù)，提供給系統(tǒng)集成商和存儲供應(yīng)商一個流線型的存儲器接口、命令集、隊列設(shè)計，用于快速訪問關(guān)鍵性數(shù)據(jù)和獲取高彈性的能力。

OCZ推出的Z-Drive 6000 SSD的產(chǎn)品有三種型號。它們包括帶有2.5英寸的機箱大小和高達3.2TB的可用容量的Z-Drive 6000 SFF系列、性能略低但是可用容量高達6.4TB的Z-Drive 6300 SFF系列和帶有半高、半長的插卡式外形，同時可用容量可以達到6.4TB的Z-Drive 6300 AIC系列。

NOR flash接口技術(shù)

傳統(tǒng)NOR閃存帶有SRAM接口（相比NAND Flash并行接口管腳多、需要統(tǒng)一編址，支持代碼本地執(zhí)行XIP，但容量比較?。梢栽陔S意地址存入任意字節(jié)數(shù)據(jù)。

美光也開始探索串行NOR閃存接口。美光技術(shù)公司對傳統(tǒng)NOR 閃存進行優(yōu)化，推出全新XTREMFlash 串行NOR Flash存儲器方案，具有每秒3.2 Gb的強大的數(shù)據(jù)讀寫能力，而且能夠兼容目前所廣泛使用的串行NOR閃存接口。在性能表現(xiàn)上超越除超大規(guī)模NAND閃存陣列之外的全部閃存存儲方案類型。

XTRMFlash將提供并行、串行以及Quad-SPI型NOR閃存產(chǎn)品，且其針腳數(shù)量較現(xiàn)有并行NOR閃存將下降75%。兼容目前串行NOR閃存所普遍使用的Quad SPI閃存針腳設(shè)計。XTRMFlash能夠以針腳兼容形式運行，而且只需對電路板稍加調(diào)整即可達成上述性能參數(shù)。