SSD架構(gòu)與功能模塊詳解

在之前的系列文章中，我們介紹了固態(tài)硬盤(pán)的系列知識(shí)，包括閃存的介質(zhì)、原理，以及作為SSD大腦的控制器設(shè)計(jì)，本文將詳細(xì)介紹SSD架構(gòu)以及功能模塊。

SSD架構(gòu)簡(jiǎn)介

◎SSD架構(gòu)示意圖

如上圖所示，典型的SSD架構(gòu)包括主機(jī)接口、SSD控制器以及閃存芯片。連接主機(jī)的接口包括多種標(biāo)準(zhǔn)類型，例如串行ATA（SATA）、并行ATA（PATA，又稱IDE）、以及PCIe等，以滿足不同的系統(tǒng)和設(shè)計(jì)要求。SSD控制器處于主機(jī)系統(tǒng)以及NAND閃存之間，執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)以及調(diào)節(jié)閃存芯片的損耗平衡等。

SSD控制器組件和功能模塊

SSD產(chǎn)品應(yīng)用的場(chǎng)景不同，形態(tài)也有較大區(qū)別，但SSD控制器整體都會(huì)由一些必不可少的組件或功能模塊構(gòu)成，包括且不限于如下各項(xiàng)。

01S.M.A.R.T

S.M.A.R.T (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)，即“自我監(jiān)測(cè)、分析與報(bào)告技術(shù)”。這是承襲自機(jī)械硬盤(pán)的功能，便于用戶直觀了解SSD盤(pán)的運(yùn)行情況、健康狀況等信息。NVMe標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SSD的SMART信息ID進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)范定義，各廠商也可自定義一些信息，例如監(jiān)控與盤(pán)壽命相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，包括剩余耐久度等數(shù)據(jù)。

02磨損均衡

磨損均衡是指SSD在所有可用NAND閃存塊（block）上平均分配擦除周期（或P/E周期）。由于閃存每個(gè)塊的P/E周期有限，數(shù)據(jù)若連續(xù)寫(xiě)入同一個(gè)塊將迅速耗盡其耐久度，因此控制器要采用磨損均衡算法將寫(xiě)入操作分散到不同的塊，提升SSD盤(pán)的整體使用壽命。

03加密和解密引擎

出于高安全性的考慮，SSD可提供盤(pán)內(nèi)加密功能。SSD將硬件加密和解密引擎內(nèi)置于控制器的芯片中，具備較快的動(dòng)態(tài)加/解密速度。較強(qiáng)的加密功能包括256-bit AES（Advanced Encryption Standard，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)），通常在SSD內(nèi)部設(shè)置AES硬件模塊，用于主機(jī)數(shù)據(jù)或者SSD內(nèi)部數(shù)據(jù)的加解密。

04讀寫(xiě)干擾處理

NAND閃存因受到電磁隧道效應(yīng)影響，在讀寫(xiě)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。具體包括：

-讀干擾（Read disturb）：在讀取某個(gè)頁(yè)（Page）時(shí)，同一閃存塊上的其他頁(yè)可能由于被施加電壓而將電子吸入浮柵極，形成分布電壓的偏移。

- 寫(xiě)干擾（Program disturb）：在對(duì)頁(yè)進(jìn)行寫(xiě)入操作時(shí)，原本不需要被編程卻被注入了電荷，形成了從1到0的比特翻轉(zhuǎn)。

對(duì)于此類干擾，控制器都需要具備相應(yīng)的糾正算法或者數(shù)據(jù)管理策略。

05緩存

控制器可配備緩存以提高SSD的整體性能和使用壽命。例如，緩存可作為臨時(shí)區(qū)域快速存儲(chǔ)頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)、優(yōu)化小文件和隨機(jī)訪問(wèn)性能、優(yōu)化NAND數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作、提升系統(tǒng)響應(yīng)速度等。一般采用DRAM緩存。

06處理器

SSD控制器內(nèi)部通常包含一個(gè)或多個(gè)處理器核心，基于RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）架構(gòu)設(shè)計(jì)。不同于一般意義上的CPU，控制器內(nèi)的處理器專門(mén)針對(duì)SSD的特定任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化，控制器的功能也由處理器的大小和性能所決定。

07ECC

由于閃存存儲(chǔ)單元的工作特性，數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取可能存在干擾。ECC（Error Correction Coding，錯(cuò)誤校正碼）作為SSD的關(guān)鍵部分，是一種硬件或軟件機(jī)制，用于檢測(cè)和修正在數(shù)據(jù)傳輸或存儲(chǔ)過(guò)程中可能發(fā)生的錯(cuò)誤。ECC引擎通?？梢詫?shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢驗(yàn)、錯(cuò)誤校正、數(shù)據(jù)完整性保護(hù)以及性能優(yōu)化等功能。

08壞塊管理

壞塊管理（Bad Block Management，簡(jiǎn)稱BBM）用于處理無(wú)法正常讀寫(xiě)的存儲(chǔ)單元。壞塊管理主要包括壞塊檢測(cè)、壞塊替換、壞塊映射、壞塊壓縮等處理機(jī)制和功能，用于確保數(shù)據(jù)的可靠性和持久性，使SSD在遇到壞塊時(shí)仍然能夠提供可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)服務(wù)。

在以上組件或者功能模塊中，除負(fù)責(zé)執(zhí)行各種指令和算法的處理器以及用于緩存數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的內(nèi)存，其余各種功能要靠固件實(shí)現(xiàn)。固件是指控制器芯片中預(yù)裝的驅(qū)動(dòng)程序，借助各類算法實(shí)現(xiàn)不同的管理功能。因此，固件是實(shí)際的指揮官，也是SSD廠家核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。

憶聯(lián)SSD控制器的高價(jià)值特性

憶聯(lián)SSD產(chǎn)品在固件中集成多種智能算法以及硬件加速能力，滿足高速數(shù)據(jù)處理和高可靠性要求場(chǎng)景，并提供豐富的可維護(hù)性。

加速處理性能方面：憶聯(lián)SSD產(chǎn)品支持TRIM操作提高垃圾回收效率，提供SR-IOV with QoS提高I/O性能，并用智能多流技術(shù)對(duì)寫(xiě)入放大進(jìn)行優(yōu)化等。

可靠性方面：憶聯(lián)SSD提供獨(dú)有智能算法，提升閃存讀電壓一次命中率，提升盤(pán)片生命末期可靠性和時(shí)延表現(xiàn)，并作為多級(jí)數(shù)據(jù)校驗(yàn)保護(hù)機(jī)制的一環(huán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的端到端保護(hù)。

可維護(hù)性方面：憶聯(lián)支持SMART和健康監(jiān)控，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的管理接口獲取健康監(jiān)控信息并提供智能預(yù)警以及建議，另外也提供OOB帶外管理、后臺(tái)巡檢、在線診斷等可降低維護(hù)成本的一系列功能。

Union Memory

在當(dāng)前AI場(chǎng)景快速發(fā)展并落地到普通消費(fèi)者的這一進(jìn)程中，憶聯(lián)SSD產(chǎn)品搭載新代際的控制器，并實(shí)現(xiàn)性能、安全性、定制功能、功耗等多個(gè)層面的全面優(yōu)化，為產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展筑就堅(jiān)實(shí)的存力基石。