SSD基础科普：原理、寿命以及什么是连续与随机

【天极网DIY硬件频道】了解存储产品或者时常看固态硬盘评测的读者，应该会了解到两类主要的性能指标：连续读写与随机4K读写。它们既是标注于详情页与包装上的主要宣传点，也是不同消费级固态硬盘间对比的主要项目，在多数评测中我们也主要参考这两项参数的实测结果。

但你也可能产生这样的疑问：什么是连续和随机读写？为什么随机读写测试一定带上一个“4K”？测试软件中的“队列Q”和“线程T”有什么影响？......以及最重要的，对消费级用户而言，SSD真正有意义的性能参数是什么？

可以说，笔者也是从关注纸面上的性能“斗兽棋”，逐渐转而开始考虑这些问题，在体验了各品牌高性能SSD后，有必要关注其中更多能够体现差异的细节。我们先从第一个问题开始，但要回答这个问题，我们需要回到机械硬盘时代，并了解SSD的一些基础知识。

SSD：非对称的写入与擦除

连续与随机读写概念来自机械硬盘时代的文件系统，我们借助磁头在磁盘这一物理空间上写入与读取数据，其中既有对呈现连续物理分布的数据进行的读写操作，也有对不连续分布的数据进行读写操作，这种情况下还需要加入寻道步骤。

而SSD使用的闪存是一种固态的非易失性存储器，它也有自己逐级的结构划分，从我们比较熟悉的一颗flash，到3D堆叠的每个die，再到平面plane、块block、页page，以及作为基本单元的cell。

cell是一种双层浮栅晶体管，向控制栅极或基板施加高电压，能够实现浮动栅极的充放电，分别实现擦除(写1)、写入(写0)操作，此外通过在控制栅极施加基准电压，验证浮动栅极是否带电(源级与漏极是否导通)。在整个过程中，电子通过隧穿效应在浮动栅极与基板间移动，可参考下图示意。

上述的闪存结构与基础单元工作原理概述中，指出了闪存的工作特点是以页Page写入，但由于多个页形成的块共用一个基板，必须以块Block擦除，同时基础单元cell的工作模式只有读、写、擦，而没有覆写。

此外我们还从资料中了解到，电子在浮动栅极与基板间的移动会导致包裹浮动栅极的绝缘层老化，考虑到写入与擦除会带来电子隧穿，读取仅仅是验证源级与漏极的导通性，因此可以认为闪存的寿命与写入和擦除具有更直接的关系。

回到SSD与机械硬盘的区别上来，正是由于SSD无法覆写，同时写入与擦除操作的基本单元并不对称，它需要一套更高效且独特的文件管理系统。

闪存的工作过程中没有机械运动参与的寻址(寻道)，也不存在什么扇区，但为了适应机械硬盘时代延续至今的文件系统，它应用了一套软件中间层，在逻辑区块地址(LBA)与物理区块地址(PBA)之间形成一套映射关系，这就是闪存转换层FTL。

SSD：逻辑上连续物理上随机

那么，FTL为什么要将文件的逻辑地址映射到存储介质中随机的物理地址？这可以说是深入理解SSD工作模式的一个根本性问题。我们前面提到，闪存的工作特点有这样几个：

以页写入、以块擦除

不能覆写，只能读改写(读出-擦除-重写入)

闪存的使用寿命主要以每个块的擦除次数来计

这里也插一个冷知识：我们一般删除的文件并不是真的删除了，而是由硬盘文件系统标记“废弃”，并由主控决定在某个时刻进行垃圾整理，到这一步实质上你的文件依旧存在，直到新文件的写入需要对这些整理、回收后的位置进行读改写。这也是为什么误删文件时不要进行进一步的写入操作，就有机会通过软件恢复。

接着闪存的工作特点来说，当块达到一定擦除次数后，会发生前文提到的绝缘层老化现象，其存储能力可能变得不可靠，由此造成文件完整性错误，或者直接被主控标记为坏块。因此SSD固件需要实现磨损平衡，让数据平均分布在整个存储介质中。

另一方面，SSD中的die是执行闪存命令的基本单元，针对一个die中的块只能同时进行一个读或者写命令，让更多的die同时进行工作，实质上提升了命令的并行度，对SSD而言也就带来带宽的提升。

SSD闪存颗粒中的die，实际上组成了类似RAID阵列的系统。

由此我们不难发现，如果SSD文件系统按照物理顺序逐个或者先使用一部分die，大量读改写或者说其中的擦除操作会快速损耗其中块的寿命，直至其不可用。用户会惊讶地发现，自己只是在正常使用，SSD的性能甚至总容量却在不断降低!这你受得了吗？

为了方便理解这一部分，我们可以作一个近似类比。

假设你是一名汽车厂长，工厂拥有四条总装线，总装车间的供电能力支持四条总装线同时以设计效率的50%运作，此外，单条总装线在以100%效率连续运作半年后(50%效率为一年，依此类推)需要停产整修。

出于某种原因，你决定暂停三条线，将电力集中到一条产线上，它依旧只能保持100%的运作效率，而在半年后，你可用的总装线暂时只剩下三条，并需要付出许多整修资金。

股东们很不满意，认为你的决策莫名其妙且多此一举，这半年里不仅只实现了理论产量的50%，还在比计划整修周期更短的时间内就失去了四分之一的纸面产能，让财报非常难看。

在这里，厂长就是主控、固件与文件系统，四条总装线是SSD的颗粒，电力是主控能够调用的通道速率，产线设计效率是单颗粒的通道速率，计划整修周期是SSD的总寿命，纸面产能是SSD的总容量，是不是想象一下就让人血压升高了？

更令人焦虑的一点在于，并不是所有的闪存颗粒都在通道性能上拥有相对于主控性能的冗余，总有一些SSD方案由于颗粒数量、元件选择等因素，通道数*单颗粒速率刚好等于甚至小于主控速率。如果磨损集中发生在一个颗粒中的die上，你可能会发现在使用一段时间后，固态硬盘总容量从1TB变成750G，最高速率从7000MB/s变成5000多MB/s，你的脸色大概不会好看。

某款SSD的峰值性能随容量有较大变化，可以认为存在颗粒数量导致的通道速率瓶颈

现在，有没有觉得SSD既别扭又独特的FTL映射关系是存储历史上最棒的发明？事实上，平衡磨损并尽可能将整条SSD的完整容量与性能保留到生命周期的最后时刻，带来的好处远不止让人看着舒服。更大容量的SSD在脏盘阶段往往能够为主控的读改写、垃圾回收等操作提供更多空间，有许多SSD由于文件系统算法、策略存在的一些性能问题，在更大容量的版本中居然得到了缓解;在企业级SSD中，自身本就超大的容量，以及规格超群的OP空间，也成为行业级应用所需的高稳定性与稳态性能的基础。

至此我们也初步回答了第一个问题：什么是连续和随机读写？

其实对SSD而言不存在连续与随机。无论大小文件，它们在LBA上的信息总是连续的，因为要适应来自机械硬盘时代的文件系统;在PBA上分布总是随机或者说平均的，SSD的存储原理和性质决定了它不应该逮着其中一个die或者说一些块硬薅，而是要平衡整体的磨损，在整个生命周期中尽可能带来完整的容量、性能以及可靠性表现。