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)硬盤的系列知識，包括閃存的介質(zhì)、原理，以及作為SSD大腦的控制器設(shè)計，本文將詳細介紹SSD架構(gòu)以及功能模塊。

SSD架構(gòu)簡介

◎SSD架構(gòu)示意圖

如上圖所示，典型的SSD架構(gòu)包括主機接口、SSD控制器以及閃存芯片。連接主機的接口包括多種標(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)計要求。SSD控制器處于主機系統(tǒng)以及NAND閃存之間，執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫以及調(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)用的場景不同，形態(tài)也有較大區(qū)別，但SSD控制器整體都會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。

01S.M.A.R.T

S.M.A.R.T (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)，即“自我監(jiān)測、分析與報告技術(shù)”。這是承襲自機械硬盤的功能，便于用戶直觀了解SSD盤的運行情況、健康狀況等信息。NVMe標(biāo)準(zhǔn)對SSD的SMART信息ID進行了統(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）。由于閃存每個塊的P/E周期有限，數(shù)據(jù)若連續(xù)寫入同一個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入操作分散到不同的塊，提升SSD盤的整體使用壽命。

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，具備較快的動態(tài)加/解密速度。較強的加密功能包括256-bit AES（Advanced Encryption Standard，高級加密標(biāo)準(zhǔn)），通常在SSD內(nèi)部設(shè)置AES硬件模塊，用于主機數(shù)據(jù)或者SSD內(nèi)部數(shù)據(jù)的加解密。

04讀寫干擾處理

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

-讀干擾（Read disturb）：在讀取某個頁（Page）時，同一閃存塊上的其他頁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。

- 寫干擾（Program disturb）：在對頁進行寫入操作時，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，緩存可作為臨時區(qū)域快速存儲頻繁訪問的數(shù)據(jù)、優(yōu)化小文件和隨機訪問性能、優(yōu)化NAND數(shù)據(jù)寫入操作、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)部通常包含一個或多個處理器核心，基于RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）架構(gòu)設(shè)計。不同于一般意義上的CPU，控制器內(nèi)的處理器專門針對SSD的特定任務(wù)進行了優(yōu)化，控制器的功能也由處理器的大小和性能所決定。

07ECC

由于閃存存儲單元的工作特性，數(shù)據(jù)的寫入和讀取可能存在干擾。ECC（Error Correction Coding，錯誤校正碼）作為SSD的關(guān)鍵部分，是一種硬件或軟件機制，用于檢測和修正在數(shù)據(jù)傳輸或存儲過程中可能發(fā)生的錯誤。ECC引擎通常可以實現(xiàn)錯誤檢驗、錯誤校正、數(shù)據(jù)完整性保護以及性能優(yōu)化等功能。

08壞塊管理

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

在以上組件或者功能模塊中，除負責(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現(xiàn)。固件是指控制器芯片中預(yù)裝的驅(qū)動程序，借助各類算法實現(xiàn)不同的管理功能。因此，固件是實際的指揮官，也是SSD廠家核心競爭力的體現(xiàn)。

憶聯(lián)SSD控制器的高價值特性

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景，并提供豐富的可維護性。

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)對寫入放大進行優(yōu)化等。

可靠性方面：憶聯(lián)SSD提供獨有智能算法，提升閃存讀電壓一次命中率，提升盤片生命末期可靠性和時延表現(xiàn)，并作為多級數(shù)據(jù)校驗保護機制的一環(huán)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的端到端保護。

可維護性方面：憶聯(lián)支持SMART和健康監(jiān)控，通過標(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、后臺巡檢、在線診斷等可降低維護成本的一系列功能。

Union Memory

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