SSD固態(tài)硬盤(pán)設(shè)計(jì)圖文詳解

在2004年的時(shí)候本人采用Nand Flash作為存儲(chǔ)器對(duì)收費(fèi)站的客運(yùn)記錄進(jìn)行記錄保存。當(dāng)時(shí)采用的是三星的Nand Flash芯片，通過(guò)Philips（后來(lái)的NXP）的LPC2000系列ARM控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)Nand Flash的操作。Nand Flash采用的是標(biāo)準(zhǔn)IO接口，所以開(kāi)發(fā)操作Flash的Firmware并不是十分困難的事情。由于信息記錄采用的是日志方式，因此，不會(huì)涉及到SSD遇到的寫(xiě)平衡和寫(xiě)放大等問(wèn)題。我開(kāi)發(fā)的第一塊Nand Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡如下圖所示：

Nor Flash具有較高的讀性能，但是寫(xiě)性能極差（在寫(xiě)入的時(shí)候需要擦除，擦除的時(shí)候需要對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行清1操作，所以擦除時(shí)間比較長(zhǎng)），并且容量較小，因此，常被用作程序存儲(chǔ)器，采用標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器總線接口。現(xiàn)在，很多嵌入式開(kāi)發(fā)中經(jīng)常采用Nor Flash保存U-Boot、Linux Kernel以及Initrd。Nand Flash是另外一類(lèi)Flash，其寫(xiě)性能要遠(yuǎn)高于Nor Flash，并且集成度很高，特別當(dāng)Intel引入MLC技術(shù)之后，Nand Flash容量增長(zhǎng)迅速，具有很高的單芯片容量。Nand Flash的大容量特性以及不錯(cuò)的讀寫(xiě)性能正好滿足了大容量存儲(chǔ)的需求，可以替代磁盤(pán)應(yīng)用，因此，Nand Flash采用IO接口方式。

Nand Flash單芯片容量這幾年增長(zhǎng)的非常迅速，在2008年的時(shí)候，一個(gè)Intel SSD（X25）的容量只能達(dá)到64GB。但是，今天單芯片容量已經(jīng)達(dá)到了1Tb（128GB），單芯片容量超過(guò)了幾年前的一個(gè)SSD固態(tài)硬盤(pán)。這種容量的劇增，主要還是存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)�Nand Flash容量需求導(dǎo)致的。通常，Nand Flash內(nèi)部分成若干Block、Page和LUN，一個(gè)LUN的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

這是Micron的Nand Flash（MT29E512G08CUCAB型號(hào)）內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一個(gè)Page頁(yè)大小為8KB（有的 Flash page頁(yè)大小為4KB），一個(gè)block塊擁有256頁(yè)，一個(gè)LUN有4096個(gè)塊。因此，一個(gè)LUN的總大小為8GB。一個(gè)芯片可以封裝多個(gè)LUN，如果封裝了8個(gè)LUN，那么整個(gè)Nand Flash芯片容量可以達(dá)到64GB。

從上圖可以看出，每個(gè)Nand Flash芯片提供了多組讀寫(xiě)接口（傳統(tǒng)的Nand Flash芯片只擁有一個(gè)讀寫(xiě)接口），每個(gè)Target擁有一個(gè)讀寫(xiě)接口，每個(gè)接口都可以采用同步或者異步操作方式。讀寫(xiě)操作可以針對(duì)一個(gè)Page頁(yè)或者單字節(jié)進(jìn)行操作；寫(xiě)操作前需要將整個(gè)Block塊擦除，然后才能進(jìn)行寫(xiě)入操作。Nand Flash的問(wèn)題也就在于Block擦除，如果上層軟件想要更新Block塊中的一個(gè)Page頁(yè)，那么首先需要擦除整個(gè)Block，然后才能寫(xiě)入最新的Page數(shù)據(jù)，這就是典型的寫(xiě)放大問(wèn)題。另外，每個(gè)Block的擦除次數(shù)是有限的，所以這種頻繁的擦除操作會(huì)導(dǎo)致Nand Flash塊損壞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要在Nand Flash控制器中的Firmware做很多工作。

Nand Flash控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不是十分復(fù)雜，其芯片（JMicro）內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其內(nèi)部核心模塊分為：多路Flash控制器、SATA控制器、內(nèi)存控制器以及CPU處理器。如上圖所示的JMF605擁有四個(gè)Flash接口控制器，因此，可以與四片傳統(tǒng)的Nand Flash接口芯片相連（采用JMF605構(gòu)成的SSD如下圖所示）。如果采用Micron的MT29E512G08CUCAB芯片，JMF605只能連接一片MT29E512。

從硬件的角度看，采用現(xiàn)有的控制器和Nand Flash構(gòu)建SSD并不是什么問(wèn)題，其最大的問(wèn)題還是在于如何解決Nand Flash與生俱來(lái)的問(wèn)題。所以，很多SSD廠商的技術(shù)核心也就在于Firmware的算法，該算法采用了很多存儲(chǔ)虛擬化的方法。