本文是《深入浅出SSD 固态存储核心技术、原理与实战》的学习笔记
一、SSD 介绍
SSD(Solid State Drive) 固态硬盘，主要以半导体闪存为介质的存储设备，属于 ROM 的一种。
SSD 硬件包括几大组成部分:主控、闪存、缓存芯片DRAM（可选，有些SSD上可能只有 SRAM，并没有配置 DRAM）、PCB（电源芯片、电阻、电容等）、接口（SATA、SAS、PCle等），其主体就是一块 PCB。
软件角度，SSD 内部运行固件（Firmware, FW）负责调度数据从接口端到介质端的读写，还包括嵌入核心的闪存介质寿命和可靠性管理调度算法，以及其他 SSD 的算法。
SSD 控制器，闪存和固件是 SSD 三大技术核心。
SSD 的容量，性能，可靠性，寿命，尺寸，功耗，噪声，重量，抗震，温度都优于机械硬盘，目前价格也逐渐接近机械硬盘。
二、SSD 基本工作原理
SSD 的输入是命令(Command)，输出是数据(Data)和命令状态(Command Status)。SSD 前端(Front End)接收用户命令请求，经过内部计算和处理逻辑，输出用户所需要的数据或状态。
SSD 的三大功能模块：
- 前端接口和相关的协议模块;
- 中间的 FTL 层（Flash Translation Layer，闪存转换层）模块;
- 后端和闪存通信模块
FTL 算法决定了性能、可靠性、功耗等 SSD 的核心参数。
三、SSD 系统架构
SSD 作为数据存储设备，其实是一种典型的(System on Chip)单机系统，有主控CPU、RAM、操作加速器、总线、数据编码译码等模块(见图2-1)，操作对象为协议、数据命令、介质，操作目的是写入和读取用户数据。
SSD 系统架构分为前端（Host Interface Controller，主机接口控制器）和后端（Flash Controller，闪存控制器），前端和主机接口打交道，包含 SATA、PCIe、SAS 接口等，后端和闪存打交道，完成数据编解码和 ECC。
1. 前端
SATA 的全称是 Serial Advanced Technology Attachment（串行高级技术附件），是一种串行硬件驱动器接口。
SAS（Serial Attached SCSI）即串行连接 SCSI，是新一代的 SCSI 技术。
PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是一种高速串行计算机扩展总线标准，原来被称为 3GIO
2. 主控 CPU
3. 后端
后端两大模块分别为 ECC 和闪存控制器。
ECC 模块是数据编解码单元，由于闪存存储天生的误码率，要在数据写入是加上 ECC 检验保护，同样读取的时候要通过 ECC 进行解码。
SSD 中的 ECC 算法主要有 BCH 和 LDPC，后者逐渐成为主流。
四、闪存物理结构
现在固态硬盘采用 NAND 闪存作为存储介质。闪存在写之前必须先擦除，不能覆盖写，因此 SSD 需要有垃圾回收，一个块读写次数超过一定限度就会损坏，因此要有磨损均衡。
闪存是一种非易失性存储器，基本存储单元是一种类 NMOS 的双层浮栅 MOS 管，电子被上下绝缘层包围，因此掉电不会消失。
施敏发明浮栅晶体管的来源是奶酪蛋糕~~
SLC、MLC、TCL
一个存储单元存储 1bit 的数据的闪存，叫做 SLC（Single Level Cell），存储 2bit 数据的闪存叫 MLC（Multiple Level Cell），存储 3bit 数据的闪存为 TLC（Triple Level Cell）。
存储单元存储的值是按照存储单元里的电子相对个数来判断的，电子相对个数通过电压的区间范围来判断。
但同时，一个存储单元电子划分得越多，那么在写入的时候，控制进入浮栅极的电子个数就要越精细，所以写耗费的时间就越长;同样的，读的时候，需要尝试用不同的参考电压去读取，一定程度上加长了读取时间。所以我们会看到在性能上，TLC 不如 MLC，MLC 不如 SLC。
一个闪存内部的存储组织结构如下图所示:
一个闪存芯片有若干个 DIE（或者叫LUN），每个 DIE 有若干个 Plane，每个 Plane 有若干个 Block，每个 Block 有若干个 Page,每个 Page 对应着一个 Wordline，Wordline 由成千上万个存储单元构成。
DIE/LUN 是接收和执行闪存命令的最基本单元，在一个 LUN 中，不能对某个 Page 写的同时，又对其他 Page 进行读访问。
一个 LUN 又分为若干个 Plane，市面上常见的是 1 个或者 2 个 Plane，现在也有 4 个 Plane 的闪存了。每个 Plane 都有自己独立的 Cache Register 和 Page Register，其大小等于一个 Page 的大小。
固态硬盘主控在写某个 Page 的时候，先把数据从主控传输到该 Page 所对应 Plane 的 Cache Register 中，然后把整个 Cache Register 写到闪存阵列，读的时候相反，先把这个 Page 中的数据从闪存介质读取到 Cache Register 中，然后按需传给主控。
同时有 Cache Register 和 Page Register 的目的是优化闪存的访问速度（类似于二级缓存）。
我们通常所说的闪存读写时间，并不包含数据从闪存到主控之间的数据传输时间，也不包括数据在 Cache Register 和 Page Register 之间的传输时间。闪存写人时间是指一个 Page 的数据从 Page Register 当中写人闪存介质的时间，闪存读取时间是指一个 Page 的数据从闪存介质读取到 Page Register 的时间。
闪存一般都支持 Multi-Plane（或者Dual-Plane）操作，就是将同一个 LUN 中多个 Plane 中 Cache Register 写入数据后同时写入闪存介质，这样可以节省 Page 写入时间。
闪存的擦除是以 block 为单位的，因为在物理结构上，一个 block 中的存储单元共用一个衬底（Substrate）。
读、写、擦原理
量子隧道效应
三维闪存
3D XPoint
相变存储器：PRAM，PCM
PCM 通过一种微小的电阻作用使得玻璃融化，相变为晶体，现在 PCM 读取时间已经可以到皮秒级别。
PCM 特点：
- 掉电数据不丢失
- 可以按照字节访问
- 软件简单
- 写之前不需要擦除操作
- 功耗低，和闪存差不多
- 读写速度快
- 寿命远长于闪存
