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。

芯片知识小科普：存储器主要分为哪几类？

大家通常对运行速度更快、能够运行更大应用软件的电子产品有着更多的偏好，而决定这些电子设备性能高低的核心部件，除了我们所熟悉的处理器以外，存储芯片提供的读取速度能力也是重要影响因素之一。我们通常会看到eMMC、UFS、LPDDR、SSD等这些名词，它们都属于存储芯片吗？有什么区别？

存储芯片可简单分为闪存和内存，闪存包括NAND FLASH和NOR FLASH，内存主要为DRAM。为了更加方便的理解存储芯片的作用，如果把执行一段完整的程序比喻成制造一个产品，那么存储芯片相当于仓库，而处理器相当于加工车间。

为了提高产品制造的速度，提升加工车间的效率是一个方法，也就是提高处理器的性能；还有一个方法就是缩短原材料从仓库到加工车间的时间，设置一个临时的小仓库，堆放目前专门生产的产品的原材料，可以大大缩短制造时间。大仓库相当于存储芯片中的闪存，而小仓库则相当于存储芯片中的内存，对于电子产品的运行都不可或缺，因此它们在产品的应用范围上有着很高的重合度。

众多半导体存储器中，市场规模最大的是DRAM和NAND Flash，市场规模均在数百亿美元，其中DRAM 2018年的市场规模已达到1000亿美元。在智能手机时代，各类软件的应用增大了对存储空间的要求，手机的存储空间迅速的增加。NAND Flash的凭借其高密度存储的优势成为手机存储新的宠儿，智能手机使用的eMMC/eMCP等均为封装了NAND Flash和控制芯片的存储方案。从应用形态上看，NAND Flash的具体产品包括USB（U盘）、闪存卡、SSD（固态硬盘），以及嵌入式存储（eMMC、eMCP、UFS）等。

DRAM按照产品分类分为DDR/LPDDR/GDDR和传统型（Legacy/SDR）DRAM，其特点分别如下：DDR是Double Data Rate SDRAM的缩写，即双倍速率同步动态随机存储器，主要应用在个人计算机、服务器上。现主流的DDR标准是DDR4，但DDR5已经发布，预计未来渗透率会越来越高LPDDR即Low Power DDR，又称为mDDR（Mobile DDR），主要应用于移动端电子产品；GDDR指的是GraphicsDDR，主要应用于图像处理领域。

LPDDR 内存全称是Low Power Double Data Rate SDRAM，中文意为低功耗双倍数据速率内存，又称为mDDR（Mobile DDR SDRM），是美国JEDEC固态协会面向低功耗内存制定的通信标准，主要针对于移动端电子产品。相比于DDR来说，LPDDR最大的特点就是功耗更低。

目前市面上主流旗舰手机内存使用的都是LPDDR4X和LPDDR4，由于二者经常同时出现，名字也十分相似，所以很容易让人混淆。其实LPDDR4X并非是LPDDR4的下一代版本内存，可以看作是LPDDR4的省电优化版本。

相比于LPDDR4，LPDDR4X优化了内存的功耗，提高了内存速度。目前，宏旺半导体已经量产容量8GB的LPDDR4X内存，并且在大容量加持下，存储速度上更具有优势，在运行超大游戏，或是录制4K视频的时候作用非常明显，功耗更低，运行更快也更省电。

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