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nand flash 访问固态硬盘进阶知识：专业名词篇（二）

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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固态硬盘进阶知识：专业名词篇（二）

前言——

在前段时间小编曾经发布了：固态硬盘知识进阶：专业名词篇。文内介绍了各类固态硬盘中可能会出现的比较晦涩和深入的名词，而很多朋友可能没听说过这些名词。如FTL、LBA、GC等。。。今天我们将剩下的一些名词再来说一下，给大家解读一下。

下面就来为大家解读这些名词。

一、预留空间（Over-provisioning，OP）

二、Trim

三、写入放大（Write amplification，WA）

四、坏块管理（Bad block management，BBM）

五、ECC - 校验和纠错

六、Interleaving - NAND 交叉存取技术

正文开场：

一、预留空间（Over-provisioning，OP）

预留空间一般是指用户不可操作的容量，为实际物理闪存容量减去用户可用容量。这块区域一般被用来做优化，包括磨损均衡，GC和坏块映射。

第一层为固定的7.37%，这个数字是如何得出的哪？我们知道机械硬盘和SSD的厂商容量是这样算的，1GB是1,000,000,000字节（10的9 次方），但是闪存的实际容量是每GB=1,073,741,824，(2的30次方) ，2者相差7.37%。所以说假设1块128GB的SSD，用户得到的容量是128,000,000,000字节，多出来的那个7.37%就被主控固件用做OP了。

第二层来自制造商的设置，通常为0%，7%和28%等，打个比方，对于128G颗粒的SandForce主控SSD,市场上会有120G和100G两种型号卖，这个取决于厂商的固件设置，这个容量不包括之前的第一层7.37%。

第三层是用户在日常使用中可以分配的预留空间，像Fusion-IO公司还给用户工具自己调节大小来满足不同的耐用度和性能，而用户也可以自己在分区的时候，不分到完全的SSD容量来达到同样的目的。

预留空间虽然让SSD的可用容量小了，但是带来了减少写入放大，提高耐久，提高性能的效果。

二、 Trim

TRIM是一个ATA指令，由操作系统发送给SSD主控制器，告诉它哪些数据占的地址是”无效“的。

要明白什么是Trim和为什么它很重要，需要先知道一点文件系统的知识。

当你在电脑里删除一个文件的时候，操作系统并不会真正的去删除它。操作系统只是把这个文件地址标记为“空”，可以被再次使用，这意味着这个文件占的地址已经是“无效”的了。这就会带来一个问题，硬盘并不知道操作系统把这个地址标记为”空“了，机械盘的话无所谓，因为可以直接在这个地址上重新覆盖写入，但是到了SSD上问题就来了。

NAND需要先擦除才能再次写入数据，要得到空闲的NAND空间，SSD必须复制所有的有效页到新的空闲块里，并擦除旧块（垃圾回收）。如果没有Trim，意味着SSD主控制器不知道这个页是”无效“的，除非再次被操作系统要求覆盖上去。

这里要强调下，Trim只是条指令，让操作系统告诉SSD主控制器这个页已经“无效”就算完了，并没有任何其它多余的操作，对Trim后的优化其实是垃圾回收在干活。Trim能够减少写入放大，因为主控制器不需要复制已经被操作系统定义为“无效”的页（没Trim的话，主控就因为不知道，而认为这个页“有效”）到“空白块”里，这同时代表复制的“有效”页变少了，垃圾回收的效率提高了，SSD性能下降的问题也减弱了。

所以说Trim的奥秘在于它能大量减少“有效”页的数量，大大提升垃圾回收的效率。

相对于企业级市场，在消费级的SSD里，Trim显得更为重要，企业级的SSD大部分都带有相当大的OP（备用空间）空间，能够提升一部分的垃圾回收效率。而消费级SSD一般OP都比较小，所以需要Trim来保证垃圾回收的效率。

Trim指令只有在操作系统进行删除、格式化等操作时候才会发送。Trim指令目前还不支持发送给RAID阵列中的SSD。（操作系统下进行的软件RAID可以支持）。

Trim的支持需要3个要素：

1.SSD主控制器和当前搭配的固件需要支持Trim命令接收。

2.当前操作系统需要支持Trim指令发送。（Win7/2008R2及后续版本）

3.当前使用的磁盘驱动程序必须支持Trim命令传输。

只有同时满足以上3个条件，才能做到系统Trim命令发送，驱动传输Trim命令，SSD固件接收到传输来的Trim命令。

Trim目前不支持以下几种情况:（可能还有更多）

1. Trim目前不支持RAID阵列中的SSD。（操作系统下进行软件RAID除外）

2. Trim目前不支持磁盘镜像文件内操作。（VM等虚拟机软件使用的虚拟磁盘文件）

3. Trim目前不支持加密的文件系统。（以防止暴露加密文件系统信息）

三、写入放大（Write amplification，WA）

因为闪存必须先擦除才能写入（我们也叫“编程“），在执行这些操作的时候，移动（或覆盖）用户数据和元数据(metadata)不止一次。这些多次的操作，不但增加了写入数据量，减少了SSD的使用寿命，而且还吃光了闪存的带宽（间接地影响了随机写入性能）。

早在2008年，Intel公司和Silicon Systems公司（2009 年被西部数字收购）第一次提出了写入放大并在公开稿件里用到这个术语。他们当时的说法是，写入算法不可能低于1，但是这种说法在2009年被 SandForce打破，SandForce说他们的写入放大是0.55。

最简单的例子，比如我要写入一个4KB的数据，最坏的情况就是，一个块里已经没有干净空间了，但是有无效数据可以擦除，所以主控就把所有的数据读到缓存，擦除块，缓存里更新整个块的数据，再把新数据写回去，这个操作带来的写入放大就是: 我实际写4K的数据，造成了整个块（1024KB）的写入操作，那就是256倍放大。同时带来了原本只需要简单的写4KB的操作变成闪存读取 (1024KB)，缓存改（4KB)，闪存擦(1024KB)，闪存写(1024KB)，造成了延迟大大增加，速度慢是自然了。所以说写入放大是影响 SSD随机写入性能和寿命的关键因素。

用100%随机4KB来写入SSD，目前的大多数SSD主控，在最坏的情况下写入放大可以达到20以上。如果是100%持续的从低LBA写到高LBA的话，写入放大可以做到1，实际使用中写入放大会介于2者之间。用户还可以设置一定的预留空间来减少写入放大，假设你有个128G的SSD，你只分了64G 的区使用，那么最坏情况下的写入放大就能减少约3倍。

影响写入放大的因素

许多因素影响SSD的写入放大。下面我列出了主要因素，以及它们如何影响写放大。

1. 垃圾回收(GC) Garbage collection ---

虽然增加了写入放大（被动垃圾回收不影响，闲置垃圾回收影响），但是速度有提升。这个比较特殊的算法用来整理，移动，合并，擦除闪存块来提升效率。

2. 预留空间（OP) Over-provisioning ---

减少写入放大，好。(预留空间越大，写入放大越低）在SSD的闪存上划出一部分空间留给主控做优化，用户不能操作的空间。

3. TRIM ---

开启后可以减少写入放大，好。一个ATA指令，由操作系统发送给SSD主控，告诉主控哪些数据是无效的并且可以不用做垃圾回收操作。

4. 可用容量 ---

减少写入放大，好。(可用空间越大，写入放大越低）用户使用中没有用到的空间，需要有Trim支持，不然不会影响写入放大。 (某些主控制器算法只支持对OP区垃圾回收，这样就不会影响）

5. 安全擦除Secure Erase ---

减少写入放大，好。清除所有用户数据和相关元数据，让SSD重置到初始性能。

6. 持续写入Sequential write ---

减少写入放大，好。理论上来说，持续写入的写入放大为1，但是某些因素还是会影响这个数值。

7. 随机写入Random writes ---

提高写入放大，不好。随机写入会写入很多非连续的LBA,将会大大提升写入放大。

8. 磨损平衡（WL） Wear Leveling ---

直接提高写入放大，不好。确保闪存的每个块被写入的次数相等的一种机制。

四、坏块管理（Bad block management，BBM）

不管磨损平衡算法如何聪明，在运作中都会碰到一个头痛的问题，那就是坏块，所以一个SSD必须要有坏块管理机制。何谓坏块？

一个NAND块里包含有不稳定的地址,不能保证读/写/擦的时候数据的准确性。坏块分出厂坏块和使用过程中出现的坏块，和机械盘的坏块表一样（P表和G表)，SSD也有坏块表。

出厂坏块的话，在坏块上会有标记，所以很容易就能被识别，后期使用中出现的坏块就要靠主控制器的能力了，一般来说，越到NAND生命的后期(P/E数开始接近理论最大值），坏块就会开始大量出现了。

一般来说NAND出厂都包含坏块，不过厂商有个最小有效块值(NvB-minimum number of valid blocks)，拿Intel的34nm MLC L63B来说，1个die上4,096个块里至少要有3,936个块是好的，从这上面可以知道，虽然出厂的NAND可能有坏块，但是厂商保证在正常生命周期里，好块数不会低于3936个块。而且每个die的第一个块地址(00h)在出厂时是必须保证好的（ECC后，这个块必须有效）。

NAND出厂前都会被执行擦除操作，厂商会在出货前会把坏块标记出来（厂商会在坏块的第一个页的SA区上打上标记。）这样坏块管理软件就能靠监测SA区标记来制作坏块表。

SA区（页中4096~4319的区域,用户不可访问，主要用来存放ECC算法，坏块信息，文件系统资料等。）由于在使用中会产生坏块，所以SSD的每次编程/擦除/复制等操作后都要检查块的状态。对颗粒的ECC要求也要达到厂商的标准以上（主控强不强，看ECC能力也是一个参考）。坏块管理和平衡磨损算法是必须的。

五、 ECC - 校验和纠错

ECC的全称是Error Checking and Correction，是一种用于Nand的差错检测和修正算法。由于NAND Flash的工艺不能保证NAND在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。

为了检测数据的可靠性，在应用 NAND Flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理机制，而管理坏区的前提是能比较可靠的进行坏区检测。

如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话，NAND Flash出错的时候一般不会造成整个Block或是Page不能读取或是全部出错，而是整个Page中只有一个或几个bit出错，这时候ECC就能发挥作用了。

不同颗粒有不同的基本ECC要求，不同主控制器支持的ECC能力也不同，理论上说主控越强ECC能力越强。

六、 Interleaving - NAND 交叉存取技术

Nand Flash的访问操作过程包括三项：

访问操作 = 命令输入操作+I/O操作+Array传输操作

第一项的操作时间所占比例很小，在性能估算中可以忽略。

所以，通常认为：访问时间 = I/O时间+ Array传输时间

在上一代NANDFlash中，第一项占的比例最大，是第二项的4-5倍。

每一个Plane对应一个Page大小的缓冲（dataregister）和一个Page大小的缓存（cacheregister）。数据写入的顺序是：I/O-> cache register -> data register ->Plane（数据读出的顺序刚好相反）。

缓冲（dataregister）与缓存（cacheregister）之间的数据传输速度很快，dataregister可以把I/O操作和Array操作分隔开，形成I/O操作和Array操作的“两级流水线”。

4个Plane对应4组缓冲与缓存，每一组可以分别操作。2个Plane交替操作，可以实现“乒乓操作”，达到2倍的Array访问带宽。4个Plane交替操作，可以实现“乒乒乓乓操作”，达到4倍的Array访问带宽。

交错操作可以成倍提升NAND的传输率，因为NAND颗粒封装时候可能有多Die,多Plane（每个plane都有4KB寄存器），Plane操作时候可以交叉操作（第一个plane接到指令后，在操作的同时第二个指令已经发送给了第二个plane，以此类推），达到接近双倍甚至4倍的传输能力。

结语：

到这里，名词篇就结束了，后面小编会为大家介绍固态硬盘和机械硬盘的接口这方面的知识，为很多迷糊的小伙伴梳理一下什么是SATA，什么是NVM-e，什么是PCI-E，什么又是ACHI、IDE等等。敬请期待哦~！

对于本文你有什么看法或建议呢？欢迎留言哦~！

NAND Flash与NOR Flash究竟有何不同｜半导体行业观察

来源：内容由微信公众号半导体行业观察（ID：icbank）翻译自「embedded」，作者 Avinash Aravindan，谢谢。

嵌入式系统设计人员在选择闪存时必须考虑许多因素：使用哪种类型的Flash架构，是选择串行接口还是并行接口，是否需要校验码（ECC）等。如果处理器或控制器仅支持一种类型的接口，则会限制选项，因此可以轻松选择内存。但是，情况往往并非如此。例如，一些FPGA支持串行NOR闪存、并行NOR闪存和NAND闪存来存储配置数据，同样，它们也可以用来存储用户数据，这使得选择正确的存储器件更加困难。本文将讨论闪存的不同方面，重点放在NOR闪存和NAND闪存的差异方面。

存储架构

闪存将信息存储在由浮栅晶体管制成的存储单元中。这些技术的名称解释了存储器单元的组织方式。在NOR闪存中，每个存储器单元的一端连接到源极线，另一端直接连接到类似于NOR门的位线。在NAND闪存中，几个存储器单元（通常是8个单元）串联连接，类似于NAND门（参见图1）。

NOR Flash（左）具有类似NOR门的架构。NAND Flash（右）类似于NAN

NOR Flash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势，这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100％已知的零件寿命。缺点包括较大的单元尺寸导致每比特的较高成本和较慢的写入和擦除速度。

相比之下，与NOR闪存相比，NAND闪存具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。缺点包括较慢的读取速度和I / O映射类型或间接接口，这更复杂并且不允许随机访问。值得注意的是，NAND Flash中的代码执行是通过将内容映射到RAM来实现的，这与直接从NOR Flash执行代码不同。另一个主要缺点是存在坏块。NAND闪存通常在部件的整个生命周期内出现额外的位故障时具有98％的良好位，因此，器件内需要ECC功能。

存储容量

与NOR闪存相比，NAND闪存的密度要高得多，主要是因为其每比特成本较低。NAND闪存通常具有1Gb至16Gb的容量。NOR闪存的密度范围从64Mb到2Gb。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储应用。

擦除/读写

在NOR和NAND闪存中，存储器被组织成擦除块。该架构有助于在保持性能的同时保持较低的成本，例如，较小的块尺寸可以实现更快的擦除周期。然而，较小块的缺点是芯片面积和存储器成本增加。由于每比特成本较低，与NOR闪存相比，NAND闪存可以更经济高效地支持更小的擦除块。目前，NAND闪存的典型块大小为8KB至32KB，NOR Flash为64KB至256KB。

NAND闪存中的擦除操作非常简单，而在NOR闪存中，每个字节在擦除之前都需要写入“0”。这使得NOR闪存的擦除操作比NAND闪存慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要3.5ms才能擦除128KB块，而NOR闪存S70GL02GT则需要约520ms来擦除类似的128KB扇区。这相差近150倍。

如前所述，NOR闪存具有足够的地址和数据线来映射整个存储区域，类似于SRAM的工作方式。例如，具有16位数据总线的2Gbit（256MB）NOR闪存将具有27条地址线，可以对任何存储器位置进行随机读取访问。在NAND闪存中，使用多路复用地址和数据总线访问存储器。典型的NAND闪存使用8位或16位多路复用地址/数据总线以及其他信号，如芯片使能，写使能，读使能，地址锁存使能，命令锁存使能和就绪/忙碌。NAND Flash需要提供命令（读，写或擦除），然后是地址和数据。这些额外的操作使NAND闪存的随机读取速度慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要30μS，而NOR闪存S70GL02GT需要120nS。因此，NOR比NAND快250倍。

为了克服或减少较慢读取速度的限制，通常以NAND闪存中的页方式读取数据，每个页是擦除块的较小子部分。仅在每个读取周期开始时使用地址和命令周期顺序读取一页的内容。NAND闪存的顺序访问持续时间通常低于NOR闪存设备中的随机访问持续时间。利用NOR Flash的随机访问架构，需要在每个读取周期切换地址线，从而累积随机访问以进行顺序读取。随着要读取的数据块的大小增加，NOR闪存中的累积延迟变得大于NAND闪存。因此，NAND Flash顺序读取可以更快。但是，由于NAND Flash的初始读取访问持续时间要长得多，两者的性能差异只有在传输大数据块时才是明显的，通常大小要超过1 KB。

在两种Flash技术中，只有在块为空时才能将数据写入块。NOR Flash的慢速擦除操作使写操作更慢。在NAND Flash中，类似于读取，数据通常以页形式编写或编程（通常为2KB）。例如，单独使用NAND闪存S34ML04G2 写入页面需要300μS。

为了加快写入操作，现代NOR Flashes还采用类似于页面写入的缓冲区编程。例如，前文所述的NOR闪存S70GL02GT，支持缓冲器编程，这使其能够实现与单词相似写入超时多字节编程。例如，512字节数据的缓冲区编程可以实现1.14MBps的吞吐量。

能耗

NOR闪存在初始上电期间通常需要比NAND闪存更多的电流。但是，NOR Flash的待机电流远低于NAND Flash。两个闪存的瞬时有功功率相当。因此，有效功率由存储器活动的持续时间决定。NOR Flash在随机读取方面具有优势，而NAND Flash在擦除，写入和顺序读取操作中消耗的功率相对较低。

可靠性

保存数据的可靠性是任何存储设备的重要性能指标。闪存会遭遇称为位翻转的现象，其中一些位可以被反转。这种现象在NAND闪存中比在NOR闪存中更常见。出于产量考虑，NAND闪存随附着散布的坏块，随着擦除和编程周期在NAND闪存的整个生命周期中持续，更多的存储器单元变坏。因此，坏块处理是NAND闪存的强制性功能。另一方面，NOR闪存带有零坏块，在存储器的使用寿命期间具有非常低的坏块累积。因此，当涉及存储数据的可靠性时，NOR Flash具有优于NAND Flash的优势。

可靠性的另一个方面是数据保留，这方面，NOR Flash再次占据优势，例如，NOR Flash闪存S70GL02GT提供20年的数据保留，最高可达1K编程/擦除周期，NAND闪存S34ML04G2提供10年的典型数据保留。

编程和擦除周期的数量曾是一个需要考虑的重要特性。这是因为与NOR闪存相比，NAND闪存用于提供10倍更好的编程和擦除周期。随着技术进步，这已不再适用，因为这两种存储器在这方面的性能已经很接近。例如，S70GL02GT NOR和S34ML04G2 NAND都支持100,000个编程 - 擦除周期。但是，由于NAND闪存中使用的块尺寸较小，因此每次操作都会擦除较小的区域。与NOR Flash相比，其整体寿命更长。

表1提供了本文中讨论的主要内容摘要。

NOR闪存和NAND闪存的主要特性与一般和具体比较数据的比较。

通常，NOR闪存是需要较低容量、快速随机读取访问和更高数据可靠性的应用的理想选择，例如代码执行所需。NAND闪存则非常适用于需要更高内存容量和更快写入和擦除操作的数据存储等应用。

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