固态硬盘专业知识：名词篇（二）
前言——
在前段时间小编曾经发布了：固态硬盘知识进阶：专业名词篇。文内介绍了各类固态硬盘中可能会出现的比较晦涩和深入的名词，而很多朋友可能没听说过这些名词。如ftl、lba、gc等。。。今天我们将剩下的一些名词再来说一下，给大家解读一下。
下面就来为大家解读这些名词。
目录：
一、预留空间（over-provisioning，op）
二、trim
三、写入放大（write amplification，wa）
四、坏块管理（bad block management，bbm）
五、ecc - 校验和纠错
六、interleaving - nand 交叉存取技术
正文开场：
一、 预留空间（over-provisioning，op）
预留空间一般是指用户不可操作的容量，为实际物理闪存容量减去用户可用容量。这块区域一般被用来做优化，包括磨损均衡，gc和坏块映射。
第一层为固定的7.37%，这个数字是如何得出的哪？我们知道机械硬盘和ssd的厂商容量是这样算的，1gb是1,000,000,000字节（10的9 次方），但是闪存的实际容量是每gb=1,073,741,824，(2的30次方) ，2者相差7.37%。所以说假设1块128gb的ssd，用户得到的容量是128,000,000,000字节，多出来的那个7.37%就被主控固件用做op了。
第二层来自制造商的设置，通常为0%，7%和28%等，打个比方，对于128g颗粒的sandforce主控ssd,市场上会有120g和100g两种型号卖，这个取决于厂商的固件设置，这个容量不包括之前的第一层7.37%。
第三层是用户在日常使用中可以分配的预留空间，像fusion-io公司还给用户工具自己调节大小来满足不同的耐用度和性能，而用户也可以自己在分区的时候，不分到完全的ssd容量来达到同样的目的。
预留空间虽然让ssd的可用容量小了，但是带来了减少写入放大，提高耐久，提高性能的效果。
二、 trim
trim是一个ata指令，由操作系统发送给ssd主控制器，告诉它哪些数据占的地址是”无效“的。
要明白什么是trim和为什么它很重要，需要先知道一点文件系统的知识。
当你在电脑里删除一个文件的时候，操作系统并不会真正的去删除它。操作系统只是把这个文件地址标记为“空”，可以被再次使用，这意味着这个文件占的地址已经是“无效”的了。这就会带来一个问题，硬盘并不知道操作系统把这个地址标记为”空“了，机械盘的话无所谓，因为可以直接在这个地址上重新覆盖写入，但是到了ssd上问题就来了。
nand需要先擦除才能再次写入数据，要得到空闲的nand空间，ssd必须复制所有的有效页到新的空闲块里，并擦除旧块（垃圾回收）。如果没有trim，意味着ssd主控制器不知道这个页是”无效“的，除非再次被操作系统要求覆盖上去。
这里要强调下，trim只是条指令，让操作系统告诉ssd主控制器这个页已经“无效”就算完了，并没有任何其它多余的操作，对trim后的优化其实是垃圾回收在干活。trim能够减少写入放大，因为主控制器不需要复制已经被操作系统定义为“无效”的页（没trim的话，主控就因为不知道，而认为这个页“有效”）到“空白块”里，这同时代表复制的“有效”页变少了，垃圾回收的效率提高了，ssd性能下降的问题也减弱了。
所以说trim的奥秘在于它能大量减少“有效”页的数量，大大提升垃圾回收的效率。
相对于企业级市场，在消费级的ssd里，trim显得更为重要，企业级的ssd大部分都带有相当大的op（备用空间）空间，能够提升一部分的垃圾回收效率。而消费级ssd一般op都比较小，所以需要trim来保证垃圾回收的效率。
trim指令只有在操作系统进行删除、格式化等操作时候才会发送。trim指令目前还不支持发送给raid阵列中的ssd。（操作系统下进行的软件raid可以支持）。
trim的支持需要3个要素：
1.ssd主控制器和当前搭配的固件需要支持trim命令接收。
2.当前操作系统需要支持trim指令发送。（win7/2008r2及后续版本）
3.当前使用的磁盘驱动程序必须支持trim命令传输。
只有同时满足以上3个条件，才能做到系统trim命令发送，驱动传输trim命令，ssd固件接收到传输来的trim命令。
trim目前不支持以下几种情况:（可能还有更多）
1. trim目前不支持raid阵列中的ssd。（操作系统下进行软件raid除外）
2. trim目前不支持磁盘镜像文件内操作。（vm等虚拟机软件使用的虚拟磁盘文件）
3. trim目前不支持加密的文件系统。（以防止暴露加密文件系统信息）
三、 写入放大（write amplification，wa）
因为闪存必须先擦除才能写入（我们也叫“编程“），在执行这些操作的时候，移动（或覆盖）用户数据和元数据(metadata)不止一次。这些多次的操作，不但增加了写入数据量，减少了ssd的使用寿命，而且还吃光了闪存的带宽（间接地影响了随机写入性能）。
早在2008年，intel公司和silicon systems公司（2009 年被西部数字收购）第一次提出了写入放大并在公开稿件里用到这个术语。他们当时的说法是，写入算法不可能低于1，但是这种说法在2009年被 sandforce打破，sandforce说他们的写入放大是0.55。
最简单的例子，比如我要写入一个4kb的数据，最坏的情况就是，一个块里已经没有干净空间了，但是有无效数据可以擦除，所以主控就把所有的数据读到缓存，擦除块，缓存里更新整个块的数据，再把新数据写回去，这个操作带来的写入放大就是: 我实际写4k的数据，造成了整个块（1024kb）的写入操作，那就是256倍放大。同时带来了原本只需要简单的写4kb的操作变成闪存读取 (1024kb)，缓存改（4kb)，闪存擦(1024kb)，闪存写(1024kb)，造成了延迟大大增加，速度慢是自然了。所以说写入放大是影响 ssd随机写入性能和寿命的关键因素。
用100%随机4kb来写入ssd，目前的大多数ssd主控，在最坏的情况下写入放大可以达到20以上。如果是100%持续的从低lba写到高lba的话，写入放大可以做到1，实际使用中写入放大会介于2者之间。用户还可以设置一定的预留空间来减少写入放大，假设你有个128g的ssd，你只分了64g 的区使用，那么最坏情况下的写入放大就能减少约3倍。
影响写入放大的因素
许多因素影响ssd的写入放大。下面我列出了主要因素，以及它们如何影响写放大。
1. 垃圾回收(gc) garbage collection ---
虽然增加了写入放大（被动垃圾回收不影响，闲置垃圾回收影响），但是速度有提升。这个比较特殊的算法用来整理，移动，合并，擦除闪存块来提升效率。
2. 预留空间（op) over-provisioning ---
减少写入放大，好。(预留空间越大，写入放大越低）在ssd的闪存上划出一部分空间留给主控做优化，用户不能操作的空间。
3. trim ---
开启后可以减少写入放大，好。一个ata指令，由操作系统发送给ssd主控，告诉主控哪些数据是无效的并且可以不用做垃圾回收操作。
4. 可用容量 ---
减少写入放大，好。(可用空间越大，写入放大越低）用户使用中没有用到的空间，需要有trim支持，不然不会影响写入放大。 (某些主控制器算法只支持对op区垃圾回收，这样就不会影响）
5. 安全擦除secure erase ---
减少写入放大，好。清除所有用户数据和相关元数据，让ssd重置到初始性能。
6. 持续写入sequential write ---
减少写入放大，好。理论上来说，持续写入的写入放大为1，但是某些因素还是会影响这个数值。
7. 随机写入random writes ---
提高写入放大，不好。随机写入会写入很多非连续的lba,将会大大提升写入放大。
8. 磨损平衡（wl） wear leveling ---
直接提高写入放大，不好。确保闪存的每个块被写入的次数相等的一种机制。
四、 坏块管理（bad block management，bbm）
不管磨损平衡算法如何聪明，在运作中都会碰到一个头痛的问题，那就是坏块，所以一个ssd必须要有坏块管理机制。何谓坏块？
一个nand块里包含有不稳定的地址,不能保证读/写/擦的时候数据的准确性。坏块分出厂坏块和使用过程中出现的坏块，和机械盘的坏块表一样（p表和g表)，ssd也有坏块表。
出厂坏块的话，在坏块上会有标记，所以很容易就能被识别，后期使用中出现的坏块就要靠主控制器的能力了，一般来说，越到nand生命的后期(p/e数开始接近理论最大值），坏块就会开始大量出现了。
一般来说nand出厂都包含坏块，不过厂商有个最小有效块值(nvb-minimum number of valid blocks)，拿intel的34nm mlc l63b来说，1个die上4,096个块里至少要有3,936个块是好的，从这上面可以知道，虽然出厂的nand可能有坏块，但是厂商保证在正常生命周期里，好块数不会低于3936个块。而且每个die的第一个块地址(00h)在出厂时是必须保证好的（ecc后，这个块必须有效）。
nand出厂前都会被执行擦除操作，厂商会在出货前会把坏块标记出来（厂商会在坏块的第一个页的sa区上打上标记。） 这样坏块管理软件就能靠监测sa区标记来制作坏块表。
sa区（页中4096~4319的区域,用户不可访问，主要用来存放ecc算法，坏块信息，文件系统资料等。）由于在使用中会产生坏块，所以ssd的每次编程/擦除/复制等操作后都要检查块的状态。对颗粒的ecc要求也要达到厂商的标准以上（主控强不强，看ecc能力也是一个参考）。坏块管理和平衡磨损算法是必须的。
五、 ecc - 校验和纠错
ecc的全称是error checking and correction，是一种用于nand的差错检测和修正算法。由于nand flash的工艺不能保证nand在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在nand的生产中及使用过程中会产生坏块。
为了检测数据的可靠性，在应用 nand flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理机制，而管理坏区的前提是能比较可靠的进行坏区检测。
如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话，nand flash出错的时候一般不会造成整个block或是page不能读取或是全部出错，而是整个page中只有一个或几个bit出错，这时候ecc就能发挥作用了。
不同颗粒有不同的基本ecc要求，不同主控制器支持的ecc能力也不同，理论上说主控越强ecc能力越强。
六、 interleaving - nand 交叉存取技术
nand flash的访问操作过程包括三项：
访问操作 = 命令输入操作+i/o操作+array传输操作
第一项的操作时间所占比例很小，在性能估算中可以忽略。
所以，通常认为：访问时间 = i/o时间+ array传输时间
在上一代nandflash中，第一项占的比例最大，是第二项的4-5倍。
每一个plane对应一个page大小的缓冲（dataregister）和一个page大小的缓存（cacheregister）。数据写入的顺序是：i/o-> cache register -> data register ->plane（数据读出的顺序刚好相反）。
缓冲（dataregister）与缓存（cacheregister）之间的数据传输速度很快，dataregister可以把i/o操作和array操作分隔开，形成i/o操作和array操作的“两级流水线”。
4个plane对应4组缓冲与缓存，每一组可以分别操作。2个plane交替操作，可以实现“乒乓操作”，达到2倍的array访问带宽。4个plane交替操作，可以实现“乒乒乓乓操作”，达到4倍的array访问带宽。
交错操作可以成倍提升nand的传输率，因为nand颗粒封装时候可能有多die,多plane（每个plane都有4kb寄存器），plane操作时候可以交叉操作（第一个plane接到指令后，在操作的同时第二个指令已经发送给了第二个plane，以此类推），达到接近双倍甚至4倍的传输能力。
结语：
这里小编介绍了一部分的专有名词解释，后面小编还会为大家介绍更多的专业名词，敬请期待哦~！
对于本文你有什么看法或建议呢？欢迎留言哦~！
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一、预留空间（over-provisioning，op）
二、trim
三、写入放大（write amplification，wa）
四、坏块管理（bad block management，bbm）
五、ecc - 校验和纠错
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一、 预留空间（over-provisioning，op）
预留空间一般是指用户不可操作的容量，为实际物理闪存容量减去用户可用容量。这块区域一般被用来做优化，包括磨损均衡，gc和坏块映射。
第一层为固定的7.37%，这个数字是如何得出的哪？我们知道机械硬盘和ssd的厂商容量是这样算的，1gb是1,000,000,000字节（10的9 次方），但是闪存的实际容量是每gb=1,073,741,824，(2的30次方) ，2者相差7.37%。所以说假设1块128gb的ssd，用户得到的容量是128,000,000,000字节，多出来的那个7.37%就被主控固件用做op了。
第二层来自制造商的设置，通常为0%，7%和28%等，打个比方，对于128g颗粒的sandforce主控ssd,市场上会有120g和100g两种型号卖，这个取决于厂商的固件设置，这个容量不包括之前的第一层7.37%。
第三层是用户在日常使用中可以分配的预留空间，像fusion-io公司还给用户工具自己调节大小来满足不同的耐用度和性能，而用户也可以自己在分区的时候，不分到完全的ssd容量来达到同样的目的。
预留空间虽然让ssd的可用容量小了，但是带来了减少写入放大，提高耐久，提高性能的效果。
二、 trim
trim是一个ata指令，由操作系统发送给ssd主控制器，告诉它哪些数据占的地址是”无效“的。
要明白什么是trim和为什么它很重要，需要先知道一点文件系统的知识。
当你在电脑里删除一个文件的时候，操作系统并不会真正的去删除它。操作系统只是把这个文件地址标记为“空”，可以被再次使用，这意味着这个文件占的地址已经是“无效”的了。这就会带来一个问题，硬盘并不知道操作系统把这个地址标记为”空“了，机械盘的话无所谓，因为可以直接在这个地址上重新覆盖写入，但是到了ssd上问题就来了。
nand需要先擦除才能再次写入数据，要得到空闲的nand空间，ssd必须复制所有的有效页到新的空闲块里，并擦除旧块（垃圾回收）。如果没有trim，意味着ssd主控制器不知道这个页是”无效“的，除非再次被操作系统要求覆盖上去。
这里要强调下，trim只是条指令，让操作系统告诉ssd主控制器这个页已经“无效”就算完了，并没有任何其它多余的操作，对trim后的优化其实是垃圾回收在干活。trim能够减少写入放大，因为主控制器不需要复制已经被操作系统定义为“无效”的页（没trim的话，主控就因为不知道，而认为这个页“有效”）到“空白块”里，这同时代表复制的“有效”页变少了，垃圾回收的效率提高了，ssd性能下降的问题也减弱了。
所以说trim的奥秘在于它能大量减少“有效”页的数量，大大提升垃圾回收的效率。
相对于企业级市场，在消费级的ssd里，trim显得更为重要，企业级的ssd大部分都带有相当大的op（备用空间）空间，能够提升一部分的垃圾回收效率。而消费级ssd一般op都比较小，所以需要trim来保证垃圾回收的效率。
trim指令只有在操作系统进行删除、格式化等操作时候才会发送。trim指令目前还不支持发送给raid阵列中的ssd。（操作系统下进行的软件raid可以支持）。
trim的支持需要3个要素：
1.ssd主控制器和当前搭配的固件需要支持trim命令接收。
2.当前操作系统需要支持trim指令发送。（win7/2008r2及后续版本）
3.当前使用的磁盘驱动程序必须支持trim命令传输。
只有同时满足以上3个条件，才能做到系统trim命令发送，驱动传输trim命令，ssd固件接收到传输来的trim命令。
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1. trim目前不支持raid阵列中的ssd。（操作系统下进行软件raid除外）
2. trim目前不支持磁盘镜像文件内操作。（vm等虚拟机软件使用的虚拟磁盘文件）
3. trim目前不支持加密的文件系统。（以防止暴露加密文件系统信息）
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因为闪存必须先擦除才能写入（我们也叫“编程“），在执行这些操作的时候，移动（或覆盖）用户数据和元数据(metadata)不止一次。这些多次的操作，不但增加了写入数据量，减少了ssd的使用寿命，而且还吃光了闪存的带宽（间接地影响了随机写入性能）。
早在2008年，intel公司和silicon systems公司（2009 年被西部数字收购）第一次提出了写入放大并在公开稿件里用到这个术语。他们当时的说法是，写入算法不可能低于1，但是这种说法在2009年被 sandforce打破，sandforce说他们的写入放大是0.55。
最简单的例子，比如我要写入一个4kb的数据，最坏的情况就是，一个块里已经没有干净空间了，但是有无效数据可以擦除，所以主控就把所有的数据读到缓存，擦除块，缓存里更新整个块的数据，再把新数据写回去，这个操作带来的写入放大就是: 我实际写4k的数据，造成了整个块（1024kb）的写入操作，那就是256倍放大。同时带来了原本只需要简单的写4kb的操作变成闪存读取 (1024kb)，缓存改（4kb)，闪存擦(1024kb)，闪存写(1024kb)，造成了延迟大大增加，速度慢是自然了。所以说写入放大是影响 ssd随机写入性能和寿命的关键因素。
用100%随机4kb来写入ssd，目前的大多数ssd主控，在最坏的情况下写入放大可以达到20以上。如果是100%持续的从低lba写到高lba的话，写入放大可以做到1，实际使用中写入放大会介于2者之间。用户还可以设置一定的预留空间来减少写入放大，假设你有个128g的ssd，你只分了64g 的区使用，那么最坏情况下的写入放大就能减少约3倍。
影响写入放大的因素
许多因素影响ssd的写入放大。下面我列出了主要因素，以及它们如何影响写放大。
1. 垃圾回收(gc) garbage collection ---
虽然增加了写入放大（被动垃圾回收不影响，闲置垃圾回收影响），但是速度有提升。这个比较特殊的算法用来整理，移动，合并，擦除闪存块来提升效率。
2. 预留空间（op) over-provisioning ---
减少写入放大，好。(预留空间越大，写入放大越低）在ssd的闪存上划出一部分空间留给主控做优化，用户不能操作的空间。
3. trim ---
开启后可以减少写入放大，好。一个ata指令，由操作系统发送给ssd主控，告诉主控哪些数据是无效的并且可以不用做垃圾回收操作。
4. 可用容量 ---
减少写入放大，好。(可用空间越大，写入放大越低）用户使用中没有用到的空间，需要有trim支持，不然不会影响写入放大。 (某些主控制器算法只支持对op区垃圾回收，这样就不会影响）
5. 安全擦除secure erase ---
减少写入放大，好。清除所有用户数据和相关元数据，让ssd重置到初始性能。
6. 持续写入sequential write ---
减少写入放大，好。理论上来说，持续写入的写入放大为1，但是某些因素还是会影响这个数值。
7. 随机写入random writes ---
提高写入放大，不好。随机写入会写入很多非连续的lba,将会大大提升写入放大。
8. 磨损平衡（wl） wear leveling ---
直接提高写入放大，不好。确保闪存的每个块被写入的次数相等的一种机制。
四、 坏块管理（bad block management，bbm）
不管磨损平衡算法如何聪明，在运作中都会碰到一个头痛的问题，那就是坏块，所以一个ssd必须要有坏块管理机制。何谓坏块？
一个nand块里包含有不稳定的地址,不能保证读/写/擦的时候数据的准确性。坏块分出厂坏块和使用过程中出现的坏块，和机械盘的坏块表一样（p表和g表)，ssd也有坏块表。
出厂坏块的话，在坏块上会有标记，所以很容易就能被识别，后期使用中出现的坏块就要靠主控制器的能力了，一般来说，越到nand生命的后期(p/e数开始接近理论最大值），坏块就会开始大量出现了。
一般来说nand出厂都包含坏块，不过厂商有个最小有效块值(nvb-minimum number of valid blocks)，拿intel的34nm mlc l63b来说，1个die上4,096个块里至少要有3,936个块是好的，从这上面可以知道，虽然出厂的nand可能有坏块，但是厂商保证在正常生命周期里，好块数不会低于3936个块。而且每个die的第一个块地址(00h)在出厂时是必须保证好的（ecc后，这个块必须有效）。
nand出厂前都会被执行擦除操作，厂商会在出货前会把坏块标记出来（厂商会在坏块的第一个页的sa区上打上标记。） 这样坏块管理软件就能靠监测sa区标记来制作坏块表。
sa区（页中4096~4319的区域,用户不可访问，主要用来存放ecc算法，坏块信息，文件系统资料等。）由于在使用中会产生坏块，所以ssd的每次编程/擦除/复制等操作后都要检查块的状态。对颗粒的ecc要求也要达到厂商的标准以上（主控强不强，看ecc能力也是一个参考）。坏块管理和平衡磨损算法是必须的。
五、 ecc - 校验和纠错
ecc的全称是error checking and correction，是一种用于nand的差错检测和修正算法。由于nand flash的工艺不能保证nand在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在nand的生产中及使用过程中会产生坏块。
为了检测数据的可靠性，在应用 nand flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理机制，而管理坏区的前提是能比较可靠的进行坏区检测。
如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话，nand flash出错的时候一般不会造成整个block或是page不能读取或是全部出错，而是整个page中只有一个或几个bit出错，这时候ecc就能发挥作用了。
不同颗粒有不同的基本ecc要求，不同主控制器支持的ecc能力也不同，理论上说主控越强ecc能力越强。
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访问操作 = 命令输入操作+i/o操作+array传输操作
第一项的操作时间所占比例很小，在性能估算中可以忽略。
所以，通常认为：访问时间 = i/o时间+ array传输时间
在上一代nandflash中，第一项占的比例最大，是第二项的4-5倍。
每一个plane对应一个page大小的缓冲（dataregister）和一个page大小的缓存（cacheregister）。数据写入的顺序是：i/o-> cache register -> data register ->plane（数据读出的顺序刚好相反）。
缓冲（dataregister）与缓存（cacheregister）之间的数据传输速度很快，dataregister可以把i/o操作和array操作分隔开，形成i/o操作和array操作的“两级流水线”。
4个plane对应4组缓冲与缓存，每一组可以分别操作。2个plane交替操作，可以实现“乒乓操作”，达到2倍的array访问带宽。4个plane交替操作，可以实现“乒乒乓乓操作”，达到4倍的array访问带宽。
交错操作可以成倍提升nand的传输率，因为nand颗粒封装时候可能有多die,多plane（每个plane都有4kb寄存器），plane操作时候可以交叉操作（第一个plane接到指令后，在操作的同时第二个指令已经发送给了第二个plane，以此类推），达到接近双倍甚至4倍的传输能力。
结语：
这里小编介绍了一部分的专有名词解释，后面小编还会为大家介绍更多的专业名词，敬请期待哦~！
对于本文你有什么看法或建议呢？欢迎留言哦~！
可靠性基础知识第二期
为什么用电脑USB充电，手机掉电特别快？
IC产业2019年IPO第一股，博通集成正式过会！
8月国家发布多项政策鼓励新能源汽车产业发展
高光谱、多光谱、超光谱成像技术的区别
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CMOS图像传感器在ALEXA数码摄影机设计中的应用
小米6最新消息：小米6出现各种问题，官方坦诚回应，华为无奈中枪！
【笔记】自己用的16种代码规范
谐振密度传感器的应用利用谐振进行密度测量的原理
OLED大规模取代液晶是板上钉钉的事？
RTOS相比裸机有什么优点？RTOS相比裸机更方便吗？
对象存储和块存储区别介绍
魅族电视盒子涨价100元至399，官方：BOM成本增加
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