硬盘经历半个多世纪的技术积累，从容量以及速度再到接口方面在不断的科技进步中快速提升。从早期的PATA变成SATA，SCSI变到SAS以及PMR(垂直记录)、充氦封装、SMR(叠瓦式磁记录)等存储技术在硬盘容量上有突破，但这些进步亦未能改变磁盘的记录方式。

历史的经验告诉我们磁带、磁盘、闪存，这些存储技术和介质各有所长，都有自己适用的场景。但是时代在持续演进，每个时代都有自己的特征和主流技术发展方向。随着人们对数据需求增多，存储系统的瓶颈越来越明显。传统硬盘机械结构已经无法满足要求，而所有这一切随着固态存储(SSD)的到来而发生了改变。

深入了解SSD可发现

其实闪存并不是大家所想的“阳春白雪”，“曲高和寡”

而毫无疑问的是，存储的未来是属于闪存的

那我们先从一颗SSD硬盘解说： 

图1

闪存'要塞'—FTL转换层

FTL是 SSD 固态硬盘的软件核心技术

闪存中最为关键的是FTL闪存转换层(Flash Translation Layer)他的工作是：完成主机逻辑地址空间到闪存(Flash)物理地址空间的翻译转换或者说是映射(Mapping)。

SSD每把一笔用户逻辑数据写入到闪存地址空间，便记录下该逻辑地址到物理地址的映射关系，下次主机想读取该数据，SSD根据这个映射，便能从闪存上把这笔数据读上来然后返回给用户。  FTL是 SSD 固态硬盘的软件核心技术。正因为有了FTL ， NAND Flash 才能被当成硬盘来使用；文件系统才可以直接把 SSD 当成普通块设备来使用。

FTL算法直接决定SSD性能好坏

FTL是SSD固件的核心组成，FTL算法的好坏，直接决定了SSD在性能(Performance)、可靠性(Reliability)、耐用性(Endurance)等方面的好坏。

 

以'客房'角度谈SSD基本概念

以”酒店开房“的角度讲解，不能不秒懂啊！

图1的概念基本上就是SSD的全部原理，这些专业名称生涩，头疼吧？没有关系小伙伴，我们换一个方式聊聊，聊聊酒店、客房，你一定秒懂的!

我们可以理解：星级酒店的前台=FTL,它负责接待住在的客户(数据)并且安排到恰当的客房(闪存空间)中，随时可以提供各类服务。

SSD“预留空间”

=酒店“预留房间”

SSD“磨损平衡”

=酒店“合理安排楼层、房间”

SSD“垃圾回收”

=酒店“退房后清理”

SSD“坏块管理”

=酒店“发现某间客房有严重故障”

如果有客户就更换房间，暂时屏蔽不对外提供客房服务”

好理解吧！企业级SSD产品的FTL提供还有很多功能，不一一对比描述了。

聊聊SSD的分类

“五星酒店与客栈”—没有谁更牛逼，只有谁更合适

SSD包含企业级和消费级

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企业级=星级宾馆

管理：

服务：

星级酒店：配套设施齐全(管理、服务非常到位)

→企业级产品能提供更加安全可靠的服务和保障

消费级=家庭旅馆

管理：

服务：

家庭旅馆：讲究经济实惠(管理、服务相对欠缺)

→消费级产品能提供亲民的价格具备基本功能

我们比喻 “宾客”入住宾馆客房到床位

就像“数据”存放入SSD盘内一样

那么SSD中NAND颗粒怎么区分？

2D/3D SSD

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2D SSD=平层别墅

3D SSD=高层公寓

2D3D 成本孰低？

同等占地面积评估：高层公寓自然比平层别墅造价低。小伙伴现在明白了吧，这就是说 3D TLC SSD成本低的原因。

如果宾客(数据)入住多层公寓，睡在3人小通间！ 可能不太舒服，但是节省地皮(地皮就是芯片原材料硅片，基本成本)

小伙伴现在明白了吧，我们先从SLC，MLC，TLC，QLC的NAND Flash开始讲吧！

3D SLC，MLC，TLC，QLC颗粒：

同样以酒店房间举例：

SLC 颗粒=单人间

(房间豪华、房价不菲)

相当于SLC 1bit

MLC颗粒=2人间 

(房间适中、房价适中)

相当于 MLC 2bit

TLC 颗粒=3人间 

(房间拥挤、房价便宜)

相当于TLC 3bit

QLC 颗粒=4人间 

(房间特挤、房价廉价)

相当于 QLC 4bit

总结：所谓3D SSD，就是在硅片上立体建立存储数据的单元，比2D平面方式节约了芯片硅片空间，所以成本低。

 存储数据单元

同样面积的一个存储单元，SLC存储1bit，MLC存储2bit，TLC存储 3bit，QLC 存储4bit的单元设计是有发展过程的(2006—2019年逐步演进)；所以在同样面积的芯片上，闪存容量依次变大，能存放3bit，4bit的TLC/QLC颗粒设计更节约成本。但一个存储单元电子划分的越多，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，一定程度上加长读取时间。

所以我们会看到在性能上

SLC优于MLC

MLC优于TLC

随着原厂制造工艺不断的发展，NAND Flash擦写寿命及成本降低的同时，但对控制芯片的ECC纠错能力也越来越高。最初SLC NAND Flash擦写寿命可达10万次，仅需使用1-4bit ECC;20nm工艺MLC擦写寿命降低到3000--10000次，所需的ECC提高到16-40bit;到TLC擦写寿命仅500--1000次，却需72bit甚至更高的ECC。SLC时期控制芯片只需要采用纠错能力不强的汉明码算法，MLC需要纠错能力更高的BCH码，TLC或QLC纠错技术开始由BCH向低密度奇偶校验码LDPC过渡来强化延长使用寿命。

下表所示是SLC，MLC和TLC在性能和寿命(Endurance)上的一个直观对比

企业级存储eMLC

怎么能漏掉这个企业级存储常用的SSD

一定有小伙伴说：“你漏掉一个企业级存储常用的SSD了”，不是漏掉了,是要单独介绍：eMLC企业级存储介质。

eMLC(enterprise MLC)颗粒，先来看看NAND的生产过程：晶圆是制造半导体芯片的基本材料，晶圆经过激光切割成很多小片，这些小片被称为“Die”(Detect it Easy)。每一个Die就是一个具有独立功能而尚未封装的芯片，它可由一个或多个电路组成，最终被作为一个单位而封装起来成为我们常见的NAND FLASH颗粒。由于生产工艺等居多因素，在一个晶圆中并非每个Die都是完好的，因此在封装之前工厂需要测试这晶圆中每一个Die。好的那些被称为Good Die，不好的那些被称为Ink Die。

而Good Die还不是最终的成品，Good Die还需要经过严格的测试和筛选分出等级。厂商用企业级的标准来检测Good Die的数据完整性和耐久度。当这些Good Die通过测试后，就被定义为eMLC级别，剩下相对低的晶片被定义MLC级别了。

eMLC在寿命和稳定性上表现更加出色。因为企业级MLC闪存介质拥有比普通MLC闪存更多的擦写(P/E)次数，所以它有更大的承受力，能够承担企业应用程序要求的工作负载。

eMLC在使用优质的存储介质的基础上，通过更好的算法提UBER、实现磨损均衡、提供超大OP空间(预留空间)、降低写入放大等很多技术使eMLC闪存拥有SLC闪存一样的可靠性和长寿命。

eMLC和MLC的主要区别：(34nm镁光NAND)

1．P/E：闪存完全擦写一次叫做1次P/E(注意是全盘写入，写满算一次)

2．UBER：不可修复的错误比特率

1片eMlC 30000次擦写

=6片MlC 5000次擦写

=30片TlC 1000次擦写

因此，eMLC主要面向于企业级市场,相对在的企业级应用下，使用eMLC的稳定性比MLC要高得多，也就是出错的概率更小。

SSD寿命=DWPD

“那我们怎么评估SSD寿命？”

很多人以为Flash颗粒的擦写次数就是SSD的寿命。如：Flash可以擦除1万次，SSD就可以反复写满1万次了。小伙伴，你理解错误了。“反复写满”这个概念，我们有个专业名词“DWPD”(Drive Write Per Day)，每日整盘写入次数，指在预期寿命内可每日完整写入SSD固态硬盘所有容量的次数。

SSD寿命=DWPD

相当于宾馆每天能换几批客人

也就是说宾馆每天能轮换几批客户(怎么感觉都是钟点房客人)，不但取决于房间的能承受打扫清洁次数(质量)；而且还取决于房间“打扫策略”。(客人入住，搬出的方式)。

容易想通吧，再怎么好的房间质量(最好颗粒)，也可能被频繁入住换房间的客人(改写数据)，无统筹计划的管理员(差的FTL设计)快速弄坏。

DWPD是用来标示SSD产品寿命的

比如400GB SSD产品说自己能做到10 DWPD*5年，意思就是每天整盘写入10次，可以使用寿命为5年。

规格定义是持续5年，以400GB 容量SSD为例解释DWPD：

 10 DWPD 1年=10*0.4TB*365天=1460GB

 10 DWPD 5年=10*0.4TB*5*365天=7300GB

通常行业内给寿命命名:

 读多型:DWPD 0.3~1     (消费级)

 中等型:DWPD 1~3       (中等磨损型)

 写密集型：DWPD 3~10    (企业级增强型)

1片eMLC 10 DWPD

＞3片MLC 3 DWPD

＞10片TLC 1 DWPD

由此可见，晶圆上质量比较好的Die做了特殊优化eMLC的寿命比MLC的数倍还要长很多，完全符合企业级市场的苛刻要求。

 

贵的400GBor便宜的480GB

NAND颗粒的类型、FTL、DWPD和OP预留空间

在我们采购SSD时，您有没有发现一个有趣的现象？怎么容量相近的SSD这么多, 这些容量点很接近，几乎相同，为什么有这么多奇怪的容量SSD在销售呢？如：

256GB,240GB,200GB

500GB,480GB,400GB

1000GB,960GB, 800GB

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因为消费级市场在意性价比

企业级市场重点考虑寿命和可靠性

小伙伴，消费市场选择SSD考虑更多的是最佳性价比、其次才是寿命和可靠性；企业级市场选择SSD重点考虑寿命和可靠性。容量数字变化背后有我们需要理解的道理，关系到应用的寿命和可靠性。小哥今天必须给小伙伴讲一下:固态硬盘“OP”预留空间,这个功能很重要。

 OP预留空间—提高可靠性

小固态硬盘内部存在的，主控芯片控制，用户不可操作的隐藏空间

op预留空间：英文名称Over-provisioning，是指固态硬盘内部存在的，由主控芯片控制的，用户不可操作的隐藏空间，这部分空间就是用于主控各种优化机制的操作，诸如GC回收，磨损均衡等；减少写入放大，提高耐久和可靠性，提高SSD的读写性能和可靠性。通常在0-28%之间，根据自己的闪存颗粒品质，质保年限，或者是针对市场定位进行设置。

我们还是用宾馆比喻SSD盘，SSD各种奇怪的容量,等同宾馆预留的房间后的接待量。 亲，一定知道SSD结构完全不同于HDD(机械硬盘)。固态硬盘中FLASH NAND的特性决定了只能顺序新写，不能覆盖写；因此SSD必须有保留空间，用于写入数据的交换空间。

我们一直用宾馆(宿舍)比喻SSD，预留房间多，入住就快(无需等待清洁房间、不需要反复腾挪房间)；另外，如果某一间房出现问题(无热水、空调故障。。。)可以快速更换房间。预留房间多，入住体验好，但相对入住成本高。

同理：

SSD预留OP空间越多写入就越顺畅

有可随时替代的空间也就越安全

OP高低是影响寿命的一个因素

但不能绝对反映SSD的可靠性和寿命

OP高低一般可以从容量判断，但也不绝对，因为物理容量也可能各个厂家设计不同，颗粒寿命调校也不同，OP比例是一个因素，可以反映部分寿命的设计，但不能全面反映SSD的可靠性和寿命。多维度评估就会纠结颗粒、P/E、OP、DWPD是否符合要求!

选择贵的400GB eMLC

了解NAND颗粒的类型、FTL、DWPD和OP预留空间，企业级eMLC写密集型SSD能提供极致性能，同时预留不少于28%的OP空间和5 DWPD寿命，完全能满足各类业务对闪存介质极限要求。您一定不会再纠结是选择贵的400GB还是便宜的480GB！选择贵的400GB eMLC也一定是对的！

eMLC的“三高”

性能高、可靠性高、价格高

时至今日，eMLC仍然给人一种阳春白雪、曲高和寡的感觉。闪存成败似乎都因为这一个字——高。性能“高”，可靠性“高”，这是它迅速蹿红的重要原因；但是它的价格“高”，这又是阻碍它快速普及的不利因素。我们深究原因还是闪存NAND Flash成本太高。SSD主要由存储芯片(NAND Flash)、控制芯片(Controller)构成。存储芯片NAND Flash作为SSD最重要的部分大约占SSD总成本的70-80%。其制造厂商主要是英特尔(intel)、三星(Samsung)、美光(Micron)、SK海力士(SK Hynix)、东芝(Toshiba) 、闪迪(SanDisk)等6家大厂。

小伙伴：“看出问题了？” 怎么都是国外的？没错！全球的NAND Flash产能都控制在上述的6个大佬的手中。我们目前还没有自主可控的NAND Flash价格能好到哪去？

闪存颗粒自主可控开始行动

未来价格不再“高不可攀”

不要着急，闪存颗粒自主可控已经有大动作了，随着中国三大存储基地长江存储、合肥长鑫、福建晋华的新厂试产，3D工艺的快速成熟，在不远的将来SSD 容量在不断攀高的同时价格也将创新低。