nand ftl 速度 SSD学习笔记-NOR, NAND, FTL, GC基本概念

发布时间 : 2024-11-25

作者 : 小编

访问数量 : 23

扫码分享至微信

SSD学习笔记-NOR, NAND, FTL, GC基本概念

NOR v.s. NAND

两者都是非易失存储介质。即掉电都不会丢失内容, 在写入前都需要擦除。

NOR有点像内存，支持随机访问，这使它也具有支持XIP（eXecute In Place）的特性，可以像普通ROM一样执行程序。现在几乎所有的BIOS和一些机顶盒上都是使用NOR Flash，它的大小一般在1MB到32MB之间，价格昂贵。

NAND Flash广泛应用在各种存储卡，U盘，SSD，eMMC等等大容量设备中。

NOR VS NAND - 场景

如果以镁光（Micron）自己的NAND和NOR对比的话，详细速度数据如下：

NOR VS NAND - 性能

NAND Flash

NAND Flash目前的用途更为广泛，它的颗粒根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）和 TLC（Triple-Level Cell）三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。现在高端SSD会选取MLC甚至SLC，低端SSD则选取TLC。SD卡一般选取TLC。

SLC，MLC，TLC

NAND Flash的组成

一个典型的Flash芯片由Package, Die, Plane, Block和Page组成，其中die内部可以通过3D 堆叠技术扩展容量，譬如三星的V-NAND每层容量都有128Gb（16GB），通过3D堆叠技术可以实现最多24层堆叠，这意味着24层堆叠的总容量将达到384GB！

NAND Flash组成

写放大

Block是擦除操作的最小单位，Page是写入动作的最小单位，一个Block包含若干个Pages。当我们有了块干净的Flash，我们第一个想干的事就是写些东西上去，无论我们是写一个byte还是很多东西，必须以page为单位，即写一个byte上去也要写一个page。要修改一个字节，必须要擦除，擦除的最小单元是Block。

Flash Translation Layer (FTL)

NAND flash的寿命是由其擦写次数决定的(P/E数 (Program/Erase Count)来衡量的)，频繁的擦除慢慢的会产生坏块。那么我们如何才能平衡整块Flash的整体擦写次数呢？这就要我们的FTL登场了。

Flash Translation Layer原理

FTL简单来说就是系统维护了一个逻辑Block地址（LBA，logical block addresses ）和物理Block地址（PBA, physical block addresses）的对应关系。有了这层映射关系，我们需要修改时就不需要改动原来的物理块，只需要标记原块为废块，同时找一个没用的新物理块对应到原来的逻辑块上就好了。

垃圾回收（GC，Garbage Collection）机制定期回收这些废块, 和Java，GO等语言的GC机制类似，应用不需要像C/C++那样关注内存释放，GC定期扫描，回收释放内存。目标是让Flash最小化擦除次数，最大化使用寿命。

SATA SSD在PCIe 40时代还能生存吗？实战测试来解答

说到SSD，可能现在不少玩家首先想到的就是那些标称速度数千MB/s的NVMe SSD，特别是部分采用PCIe 4.0接口的NVMe SSD，其最大连续传输速度已经突破7000MB/s。不过在生活中还有不少人使用缺少M.2 SSD接口的老电脑，还有不少人的预算非常有限，因此价格低廉，规格看起来“落伍”的SATA SSD仍然是这些用户的首选。而存储厂商不仅没有放弃SATA产品线，还在不断推出各类SATA SSD新品，如本次我们收到的英睿达MX500 1TB、台电稳影512GB。

其中英睿达MX500是定位相对较高的SATA SSD，采用TLC颗粒，不过价格也不贵，1TB售价在699元左右。而台电稳影则定位于入门级，搭配QLC颗粒，512GB产品的售价仅369元，可以说是人人都买得起的SSD。那么这两款SSD在实际使用中是否能满足用户的需求呢？

慧荣主控与美光TLC颗粒的组合

英睿达MX500硬件解析

存储行业上游厂商美光科技旗下的英睿达品牌一直致力于生产基于美光颗粒的内存与SSD产品，MX500 SATA固态硬盘就是其中的典型代表。这款SSD采用传统的2.5英寸设计，厚度只有7mm，可以方便地安装在各类台式机、笔记本电脑中。

英睿达MX500 SSD采用7mm厚度设计，在墨西哥组装。

如果用户安装SSD有一定的厚度要求，这款英睿达MX500还附送了7~9.5 毫米衬垫。

固态硬盘内部的主控芯片则采用了来自慧荣的产品，其型号为SM2259H。这是一款四通道SATA 6Gb/s主控，支持SATA 3.1标准。尽管读写通道数只有四通道，但该主控的每个通道可以支持8CE片选信号，其最终数据吞吐量可以与8通道、4CE配置的主控匹敌，属于SATA SSD中的中高端产品。其标称最高连续读写速度分别为560MB/s、510MB/s。

同时这款SSD也支持NANDXtend纠错码 (ECC) 技术，拥有LDPC硬解码和软解码以及RAID保护功能，可以延长颗粒的使用寿命，并具有诸如端对端数据路径保护能力和SRAM ECC能力等企业功能，以确保数据的完整性和可靠性。SM2259H还提供了高级Direct-to-TLC和SLC Caching算法，使得SSD的性能表现更加稳定。

英睿达MX500由一颗慧荣SM2259H四通道SATA 6Gb/s主控、4颗美光96层堆叠额3D NAND TLC颗粒，以及两颗美光DDR3L内存颗粒组成。

颗粒方面，英睿达MX500选用了来自美光的96层堆叠3D NAND TLC闪存。在我们测试的这款1TB产品上，它板载了4颗FPGA编号为“NW952”的美光3D NAND TLC颗粒，单颗容量为256GB，共四颗组成1024GB的容量，用户可用部分为931GB。同时英睿达MX500 SATA固态硬盘也按1∶1000的比例配置缓存，即1GB容量对应1MB缓存，所以这款SSD板载了两颗共1GB容量的美光DDR3L内存颗粒作缓存。

此外英睿达MX500还拥有不少特别的功能，包括采用符合行业标准（包括 Microsoft eDrive、IEEE 1667 和 TCG Opal 2.0）的 AES 256 位加密，可以保护个人文件和机密数据免遭黑客攻击和失窃；配备集成式断电保护设计，可以避免因意外断电而丢失数据。该功能可迅速有效地保护数据，即使系统突然关闭，也不会丢失任何用户已保存的工作文件。

目前英睿达MX500 SATA固态硬盘总共有250GB、500GB、1TB、2TB四种容量供用户选择。同时英睿达还为MX500提供了5年质保加可写容量的质保政策（以先到为准），其中本次测试的1TB容量产品的质保可写容量为360TB。客观地来看，这个写入寿命规格在TLC SSD中不算太高，一般在定位稍高的1TB TLC SSD中，其质保可写容量大约在600TB左右。

英睿达MX500产品规格

接口：SATA 6Gb/s

主控：慧荣SM2259H

闪存：美光96层3D NAND TLC

缓存：1GB(1TB)

可选容量：250GB、500GB、1TB、2TB

板型：2.5英寸7mm

耐久度：100TBW(250GB)、180TBW(500GB)、360TBW（1TB）、700TBW（2TB）

质保时间：5年

参考价格：699元（1TB）

我们如何测试

测试平台

主板：ROG MAXIMUS XⅢ HERO

处理器：酷睿i9-11900K

内存：芝奇DDR4 3600 8GB×2

硬盘：WD_BLACK SN850 1TB

显卡：GeForce RTX 3060 Ti

电源：ROG THOR 1200W

接下来我们首先采用AS SSD Benchmark、CrystalDiskMark、Anvil's Storage Utilities等基准软件测试了SSD在软件默认设置下的性能，同时我们还会使用软件所能设置的最大测试容量，以测试SSD在大容量文件传输时是否会出现掉速现象。当然我们还会搭配支持PCIe 4.0技术的WD_BLACK SN850 1TB进行文件传输，考察SSD实际的文件读写性能。程序应用性能上，我们则会通过模拟实际应用的PCMark 8存储性能测试，以及三款游戏的启动进行考察。最后，我们还会采用HD TUNE PRO进行全盘读写测试，考察SSD在长时间写入后的性能衰减情况。

达到中高端SATA固态硬盘水准

基准软件性能测试

默认1GB容量测试

测试点评： 从基准软件的默认测试来看，英睿达MX500表现出了作为一款中高端SATA固态硬盘的水准，其AS SSD Benchmark测试分数达到1200分以上，Anvil's Storage Utilities的总分也达到了4755.25分，而一般主流SATA固态硬盘在AS SSD Benchmark测试中的分数不会超过1000分；在CrystalDiskMark测试中，英睿达MX500也达到了其官方标称规格，最高连续读写速度分别达到561.66MB/s、518.25MB/s。随机读写性能方面，英睿达MX500的表现不算差，在AS SSD Benchmark的随机4KB读写测试成绩分别为38.42MB/s、116.38MB/s，与当今主流NVMe SSD相比差距也不算太大，如金士顿NV1这类主流NVMe SSD在该项目的测试成绩为44.97MB/s、127.66MB/s。

基准软件最大容量测试

测试点评： 接下来我们还在基准软件可设置的最大容量下对英睿达MX500进行了测试，在AS SSD Benchmark中测试容量为10GB，在Anvil's Storage Utilities中测试容量为32GB，在CrystalDiskMark中，测试容量为64GB。结果让人满意，在大容量测试环境下，英睿达MX500的测试成绩没有出现大幅衰减，如AS SSD Benchmark在10GB容量测试下仍有1182分，在Anvil's Storage Utilities 32GB容量测试下，4385.22的总分也达到了其1GB测试成绩的92.2%，原因就在于在进行大容量文件传输时，它的读写速度没有出现大幅衰减。

响应速度快！

程序应用性能测试

PCMark8测试成绩细节

测试点评： 在实际应用中，英睿达MX500 SATA固态硬盘也有不错的表现。在模拟实际应用的PCMark 8存储性能测试中，英睿达MX500固态硬盘的总成绩达到4929分，达到了中高端SATA硬盘的水平。与主流NVMe固态硬盘相比，NVMe SSD在大部分应用中也只是领先几秒，甚至不到1秒。当然在传输数据量较大，总共读写6108MB的Adobe Photoshop重载测试中，英睿达MX500 SATA固态硬盘受限于SATA接口带宽，任务执行时间比NVMe SSD还是多了不少时间。在该项测试中，英睿达MX500 SATA固态硬盘的耗时为370.2秒，NVMe SSD的测试成绩一般为350秒左右。

在游戏启动上，由于游戏读写的数据量不是特别大，因此英睿达MX500 SATA固态硬盘在这里还是有不错的表现，能快速地启动各类游戏大作，《奇点灰烬：扩展版》的启动时间为16.83秒，游戏《坦克世界》的启动时间也只有17.17秒，像《全面战争：特洛伊》这类数据量较大的游戏虽然启动时间需耗时40.43秒，但与启动该游戏需一分钟以上的机械硬盘相比，改善也是相当明显的。同时与NVMe SSD相比，它的游戏启动速度也没有慢多少。在相同硬件环境下，高端的PCIe 4.0 NVMe SSD：AORUS Gen4 7000s NVMe在《奇点灰烬：扩展版》《全面战争：特洛伊》《坦克世界》的启动时间分别为15.71s、38.52s、16.38s。

不掉速

实际文件传输测试

测试点评： 接下来我们还搭配支持PCIe 4.0技术的WD_BLACK SN850 1TB进行了文件传输测试。从文件传输速度来看，虽然它与传输速度轻松破千兆每秒的NVMe SSD相比有很大差距，但与低端SATA SSD相比，英睿达MX500 SATA固态硬盘的优势还是很大。如它在写入《英雄联盟》安装文件这类小文件时，其写入速度仍达到了365.2MB/s，而在我们之前的测试中，像三星860 QVO这类QLC SATA SSD写入《英雄联盟》安装文件时的速度还不到200MB/s。

更让人惊喜的是，在写入146GB大容量影音文件时，英睿达MX500没有出现掉速，从写入开始时，其写入速度就保持在438MB/s左右，到写入完成后，它的写入速度也没有下滑，表现非常稳健。

HD TUNE PRO全盘写入测试

那么如果写入更大容量的数据，这款SSD会出现掉速现象吗？为此我们还通过HD TUNE PRO 5.75对英睿达MX500 SATA固态硬盘进行了全盘读写测试。首先测试结果显示英睿达MX500 SATA固态硬盘的全盘读取性能表现不错，平均读取速度可达531.2MB/s。

HD TUNE PRO 5.75全盘写入测试，写入曲线波动很小，全程保持在450MB/s以上。

而在全盘写入测试中，其写入性能也不会出现大幅掉速，全程保持在450MB/s以上，写入曲线波动很小。我们推测这很可能是其SLC缓存写入机制较为灵活，可以及时清空已写入在TLC颗粒上的数据，从而让SLC缓存一直拥有可写入的空间，所以固态硬盘能保持较高的写入性能。

性价比较高的SATA固态硬盘

综合以上测试，我们认为，如果在SATA SSD时代来看，英睿达MX500的表现显然是比较耀眼的—AS SSD Benchmark突破1200分，长时间写入测试后也不会出现掉速，游戏载入速度较快，程序应用表现较好。虽然现在早已进入NVMe SSD时代，但如果你使用的还只是一台较老的笔记本或台式机电脑或者需要一款廉价的固态硬盘，那么英睿达MX500还是值得考虑的。毕竟它的售价也相当低廉，1TB产品售价仅699元，1GB价格不到7毛钱，唯一需要注意的是其TBW写入寿命只有360TB，不适合有大量写入需求的用户。

慧荣主控+SK海力士原厂颗粒

台电稳影512GB SSD解析

尽管DIY经过几十年的发展，不少品牌或兴盛或消亡，比如曾经的精英、承启、斯巴达克、硕泰克等早已在市场上不见踪影，但有几个品牌却一直在坚持不懈地发展，如七彩虹、广州商科旗下的铭瑄、台电、梅捷。他们不仅继续在板卡市场上发力，还把触角延伸到了整机与存储市场。此次台电就带来了其最新的台电稳影固态硬盘，这是一款瞄准入门级市场的SATA固态硬盘，所以它的硬件配置不会有多惊艳。

其外观仍采用超薄的7mm设计，实测只有6.8mm，但盘体还是基于全金属打造，令SSD主控芯片与闪存芯片所产生的热量可以借助金属快速地传导出去。SSD的内部结构比较简单，它采用了一颗同样来自慧荣的SM2258XT SATA主控芯片，当然与SM2259H相比，其定位要稍低一些。SM2258XT实质上是一颗32bit RISC CPU，支持SATA 3.1标准，主要面向低功耗、低成本市场，采用单芯片设计。这款主控芯片的读写通道数同样为四通道，由于定位更低，所以该主控的每个通道只支持4CE片选信号，因此它的数据吞吐量与SM2259H这样的4通道、8CE配置的产品相比要低一些。不过台电仍为稳影系列SSD给出了最高520MB/s连续读取速度，最高480MB/s连续写入速度的官标规格。

台电稳影固态硬盘也采用超薄设计，实测厚度仅6.8mm。

从指标上看，它的规格并没有低多少。此外需要注意的是，SM2258XT是一款DRAMLESS主控芯片，所谓DRAMLESS主控即不需要外置内存作缓存的主控，SSD PCB上只有主控与NAND闪存两种芯片。与传统主控相比，记录数据位置的FTL映射表将不再保存在DRAM内存颗粒里，SM2258XT会把这张映射表存储在闪存颗粒中。这样的设计可以降低SSD的成本，当然由于闪存的读写性能比内存差，因此SSD的性能也会受到小幅影响。

此外SM2258XT也拥有NANDXtend纠错技术，并支持一系列数据保护技术，如ATA8安全指令集，内部数据成形技术、StaticDataRefresh（静态数据刷新）技术，以及全区均衡磨损技术，可有效地延长SSD的使用寿命。

由于采用SM2258XT无缓存型主控，台电稳影固态硬盘的结果比较简单。PCB正面由四颗QLC闪存颗粒与一颗主控芯片组成，背面没有任何芯片。

闪存方面，鉴于定位主流，因此本次我们测试的这款台电稳影512GB固态硬盘采用的是编号为“H25QFT8B3A8R”的SK海力士96层堆叠的QLC颗粒。与TLC颗粒相比，QLC颗粒每单元可以存储4bit数据。换句话来说，在使用相同数量、价格的原材料情况下，QLC颗粒的存储能力比TLC大了33%，是MLC的2倍，是SLC的4倍。因此QLC颗粒可以有效提升固态硬盘的存储容量或者降低在相同容量下SSD的生产成本与售价。不过有得必有失，与TLC闪存相比，QLC闪存的写入寿命、写入速度都要低一些。

台电稳影采用了SK海力士的原厂QLC颗粒。

目前台电稳影系列固态硬盘总共有128GB、256GB、512GB、1TB四种容量可供用户选择，同时台电还为稳影系列固态硬盘提供了3年质保加可写容量的质保政策（以先到为准），其中它的1TB产品拥有400TB的质保可写容量，本次测试的512GB容量产品的质保可写容量为200TB，在QLC SSD算比较突出的，目前市面上流行的三星870 QVO QLC SSD 1TB的质保可写容量也只有360TB。

台电稳影产品规格

接口：SATA 6Gb/s

主控：慧荣SM2258XT

闪存：SK海力士96层3D NAND QLC

缓存：N/A

可选容量：128GB、250GB、500GB、1TB

板型：2.5英寸7mm

耐久度：50TBW(128GB)、100TBW(256GB)、200TBW（512GB）、400TBW（1TB）

质保时间：3年

参考价格：369元（512GB）

我们如何测试

测试平台

主板：ROG MAXIMUS XⅢ HERO

处理器：酷睿i9-11900K

内存：芝奇DDR4 3600 8GB×2

硬盘：WD_BLACK SN850 1TB

显卡：GeForce RTX 3060 Ti

电源：ROG THOR 1200W

连续读写速度衰减不明显

基准性能测试

默认1GB容量测试

测试点评： 从性能测试来看，台电稳影的表现符合一款主流SATA固态硬盘的水准，其AS SSD Benchmark测试分数在1000分以内。与中高端SATA固态硬盘相比，它在连续读写速度上差别不大，在CrystalDiskMark中的最大连续读取速度达到556.39MB/s，最大连续写入速度也有近500MB/s。其与中高端产品的主要差距在于随机4K性能要稍弱一些，如它的AS SSD Benchmark随机4K读取性能只有23.63MB/s，在随机4K-64Thrd多线程性能测试中也有明显差距。同时在Anvil's Storage Utilities测试中也有类似的结果，与英睿达MX300这样的中高端SATA SSD相比的主要差距在随机4K读写性能上。

基准软件最大容量测试

测试点评： 从各基准软件的最大容量测试上来看，在大容量测试环境下，台电稳影的连续读写性能没有受到太大影响，其连续写入速度几乎都保持在430MB/s以上，但随机4K写入性能有明显的下降。特别是在CrystalDiskMark中，它的随机4K写入性能衰减到仅仅40.08MB/s。我们分析这有可能是在大容量随机写入时，厂商为SSD设置的SLC Cache容量并不大，也有可能是在灵活的随机写入测试上，主控不能迅速地准备大容量的SLC Cache，导致主控直接将数据写在颗粒上所致。当然在实际应用中，像基准软件中这类环境苛刻的随机读写测试并不常见，接下来还是让我们看看台电稳影在实际应用中的表现。

游戏启动速度较快！

程序应用性能测试

PCMark8测试成绩细节。

测试点评： 从程序应用性能测试来看，台电稳影的表现还算不错，与英睿达MX500这样的中高端产品并没有太大的差距—在PCMark 8存储性能测试中的分数也突破了4900分，在各项应用测试中彼此的差距不大，各自的成绩有胜有负，在一些测试中，如总共读写6108MB的Adobe Photoshop重载测试中，台电稳影512GB SSD还有明显的优势，其361.8秒的耗时比英睿达MX500少了约8.4秒。

而在游戏测试中，台电稳影512GB SSD也能较快地启动这三款游戏，其中在《全面战争：特洛伊》《坦克世界》中，台电稳影512GB SSD的启动耗时只是略多于英睿达MX500，不过在《奇点灰烬：扩展版》游戏启动上，英睿达MX500这类中高端SATA产品展现出了它的优势，其耗时比台电稳影512GB SSD少了约3.8秒。

也没有出现掉速

实际文件传输测试

测试点评： 接下来我们也搭配支持PCIe 4.0技术的WD_BLACK SN850 1TB进行了文件传输测试。从文件传输速度来看，台电稳影512GB SSD有些让人惊喜，其表现完全没有很多QLC SSD速度缓慢的特征，特别是在传输146GB大容量影音文件时，其表现与英睿达MX500这样基于TLC颗粒的中高端SATA SSD相比毫不逊色。首先在读取速度上，它只比英睿达MX500慢了约5MB/s，在写入性能上，尽管写入了如此大的容量，但台电稳影没有出现掉速，其439MB/s的写入速度甚至略优于英睿达MX500。

当然在传输由众多小文件组成的17.1GB《英雄联盟》安装文件时，由于这类文件传输工作主要依赖固态硬盘的随机读写性能，因此台电稳影的表现要略差于英睿达MX500。如其读取《英雄联盟》安装文件的速度为303.3MB/s，而英睿达MX500读取《英雄联盟》安装文件的速度为352.3MB/s；在写入《英雄联盟》安装文件时，它的写入速度为347.8MB/s，而英睿达MX500的速度为365.2MB/s，后者都有一定的优势。

拥有较大的SLC Cache容量

HD TUNE全盘写入测试

台电稳影512GB拥有一个大约177GB的大容量SLC Cache，不过在缓存耗尽后，写入速度会大幅下降。

测试点评： 作为一款QLC SSD，在大容量写入时都没有出现大幅掉速，这是为什么呢？首先从HD TUNE PRO 5.75的全盘读写测试来看，台电稳影512GB在读取测试时比较稳健，其全盘读取平均速度可达529.7MB/s。而在全盘写入测试中，测试软件也为我们揭开了为什么这款SSD在文件传输时表现比较稳健的秘密。原来这款512GB SSD拥有一个较大的SLC Cache，容量约177GB，在这个容量范围内写入的话，其连续写入速度可保持在400MB/s以上。但如果写入容量大于SLC Cache，那么在缓存耗尽后，数据会直接写入到QLC闪存颗粒上，写入速度就会大幅下降到45～50MB/s。

适合一次性写入量不大的主流用户

因此从HD TUNE PRO 5.75的全盘写入测试来看，台电稳影的QLC SSD属性还是很明显的，在SLC Cache缓存耗尽后，写入速度还是会跌落到100MB/s以内。不过在日常生活中，主流用户一般不会一次性写入如此大容量的数据，因此也就难以遇到大幅掉速的现象。

此外，主流用户的日常应用还有很大一部分依赖于存储设备的读取性能，所以从程序应用测试、游戏启动测试、文件传输测试来看，台电稳影QLC SSD的表现与英睿达MX500这类中高端SATA固态硬盘并没有太大的差异。如果你的预算有限，平时使用也很难一次性写入超过170GB容量的文件的话，那么这款售价仅369元的台电稳影就是用户打造高性价比入门级PC的“好帮手”。