毁三观？你所不知道的那些SSD的事 • 三

第一回 http://bbs.pceva.com.cn/thread-96059-1-1.html （补档）
第二回 http://bbs.pceva.com.cn/thread-96063-1-1.html （补档）
既然有人要求来点新鲜货，那么就满足你们。
这也是论坛回档以后，咱的第一个新帖。补档的12篇帖子多少都有一些修改，大部分是帖子之间的内容关联更密切了，有空不妨再看一遍。链接就从我的空间里找就是了，点我头像上方的名字，拉到下面找“主题”就全有了。

下面进入正题

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SSD主控也有步进升级

大家都习惯听CPU和芯片组升级步进，但SSD主控的步进就很少听说了。就像CPU和芯片组以样，SSD主控步进升级也会修复一些BUG、改进稳定性或者提供一些新特性，就比如我们熟悉的SF-2281主控。

作为一款长寿的主控，SF-2281从最初的高端到如今的烂大街，几乎所有SSD厂商都出过SF-2281主控的产品，其中不乏Intel和KST这样的大厂，而那些听说过或者没听说过名字的中小厂商就更多了。SF-2281如此受欢迎，其自身强大的能力当然是最主要的，它的某些指标即使今天来看依然很先进。而且提供公版方案，也可以让刚入门的厂家不至于抓瞎，但这也直接导致这颗主控被某些无良商家给搞臭了，也让很多人误解了它。

毕竟SF-2281是2011年的主控了，想想当年的NAND颗粒还是34nm，而现在已经是1xnm了。3年间颗粒制程进步了3代，算上初版，SF-2281也有3个主要步进版本。

首先是最早的正式版步进，SF-2281VB1（以下简称VB1），随着当年OCZ Vertex 3等一系列产品登场，被人熟知的还有Intel 520系列和KST V300系列。

（图为Intel 520）

但很快人们就发现VB1有个很大的BUG，就是虽然标称支持AES-256加密，但实际上只有AES-128，这也导致包括Intel在内的一些厂商被坑。而要使SF-2281重新支持AES-256加密，就是第二个步进，VB2的任务了。

（图为ADATA SX300。小知识，有两行等大等长数字的颗粒，就是威刚的白片，非常容易辨认，可以在西数的真•混合硬盘上见到它）

现在在售所有标称支持AES-256加密的都是VB2步进的了。但VB2普及已经是2013年了，这时候20nm颗粒已经有了。由于Intel的猪队友Micron不给力，20nm的L85颗粒对ECC要求太高，直接秒杀所有老主控。为了能支持L85颗粒，SF-2281重新流片数次。本来VB2就要支持L85的，后来的VB3也是失败，直到VB4才成功。

（图为KST MS200 240G。MS200是个挺老的系列，之前有60G和120G版本，搭配的是SF2241这个4通道节能/缩水主控）

即使靠步进升级，ECC能力能跟上新颗粒的要求，主控自身的一些性能指标还是落后了。这也使得本来用来拯救烂颗粒的主控，反而需要颗粒来拯救它了。（例子就是KST V300换颗粒前后）

现在麻烦的问题在于下一代SF-3700系列难产，现在还只有跑分都不利索的样品。虽然规划的很美好，但在新产品上线之前，SF系的大旗还得靠SF-2281来扛。

除了SF-2281以外，另一款经典主控 Marvell 88SS9187也经历过A2 A3 A4几个步进升级，但跟其他主控一样，这些升级都不太声张。不像CPU和芯片组的步进升级，铺天盖地地宣传，怕你不知道。


设计影响颗粒速度

NAND颗粒可以通过接口速度来分级，比如我们知道ONFI标准有同步和异步之分，那些参数上达不到同步要求的就被刷下来做为异步颗粒。就跟无法在CL=11的要求下跑到800MHz的内存条就不能标PC3-12800，而只能降级作为PC3-10700类似。这并不是说异步的品质就比同步的差，只是等级较低，只要不强开同步（超频）的话，二者的寿命是一样长的。

封装形式同样会影响颗粒速度。拿Toggle标准颗粒来说，如果用TSOP封装，颗粒速度就被限制在100MHz左右，而换用BGA封装，就可达到200MHz甚至更高。这跟现在DDR3内存就没有TSOP封装是类似的，BGA封装的电气性能更好，利于高频稳定。所以可以看到新款SSD用东芝颗粒的，清一色全是BGA封装。遗憾的是，虽然颗粒往往可以跑到400MB/s的高速（200MHz频率 x 8bit接口位宽 x DDR = 3200Mb/s），但多数主控无法支持这么大的接口带宽，所以实际上颗粒大多是降频运行的。

（图为浴室评测SanDisk Extreme II的颗粒，虽然颗粒可以跑到400MB/s，但Marvell 88SS9187主控只支持200MB/s的通道速度）

不仅如此，当颗粒总容量达到主控和固件所支持的容量上限的时候，颗粒也会降频。这也跟主板上插到最大内存上限容量不易跑高频和RDIMM插满内存直接降频1档或者2档类似。高容量会对整个系统产生一定影响，这个影响大小一定程度要看SSD厂家和技术能力。比如200MHz的颗粒，做的好的只降低到180MHz左右，做的不好的就只有150MHz。


映射表中学问大

作为NAND颗粒内数据的“目录”，闪存映射表有非常重要的作用。以往我们听说这个，更多的是突然掉电，然后重启不认盘。这是因为映射表损坏，虽然数据都在，但不知道谁在什么地方。如果固件完善的话，可以让SSD通电静置以自行修复，甚至可以满血复活，比如我们熟知的美光M4 30分钟大法。但M4掉映射表的概率太高，不是突然掉电的问题，是它的DRAM缓存太烂，通着电都能出错。

回到映射表本身，目前SSD的映射表的主流方案是page mapping，顾名思义，以NAND颗粒的page为单元在DRAM缓存中建立映射表。在早先，由于NAND颗粒的page尺寸正好就是4KB，所以page mapping有着非常好的性能，同时结构比较简单。随着颗粒制程进步，从34nm到25nm再到20nm，page尺寸从4KB翻倍到8KB再到16KB，page mapping的单元也随之变大。但文件系统的最小数据尺寸还是4KB没变，如果直接把4KB数据写入到16KB page的SSD中，就需要在4KB的有效数据后面填充12KB的无效数据。因为是无效数据，当再有4KB数据写入的时候，就要把这个包含12KB无效数据的page一起读出来，修改掉其中的4KB为新的有效数据，然后将这个包含8KB有效数据和8KB无效数据的数据块再写入到新的page里。这个操作被称为R-M-W (Read-Modify-Write，读取-修改-写入。这个现象在SSD 4K不对齐和AF格式HDD 4K不对齐的情况下也会发生)。如果每次写入的4KB数据都不连续的话，会造成4倍的写入放大，而且会比较明显地影响性能。

page mapping的性能问题在M4时代就已经有所显现了，不过那只是256G和512GB的M4才用8KB page的颗粒。后来8KB page颗粒普及，到现在16KB page要成为新主流，如果继续用page mapping，无论对SSD寿命还是用户体验来说都不好。所以有了page mapping的改进型，4KB mapping和half-page mapping。顾名思义，4KB mapping就是以4KB为单元做映射表，而half-page mapping就是以半个page尺寸为单元做映射表。这样做的好处是当写入数据为4KB或者8KB时，依然保持高性能。当写入数据不足以填满整个page时，写入数据将被DRAM缓存，待有新数据写入时合并一起写进page里，或者超过一定时间就直接写进颗粒，以避免突然掉电带来的损失。

使用4KB mapping和half-page mapping也导致一个后果，那就是DRAM缓存容量要随着SSD总容量变大而增大；而page mapping就好很多，毕竟page尺寸也相应翻倍了。那么SSD的DRAM缓存里到底有多大空间是装映射表的呢？一般来说一个mapping entry（也就是映射表的最小单元，一个mapping entry对应一个4KB或者page）是4Bytes，如果1块512GB的SSD采用4KB mapping，映射表大小也就是512MB，正好是1GB=1MB。如果NAND颗粒是16KB page的话，采用half-page mapping和page mapping则减半再减半。经过压缩和优化，mapping entry还可以缩小，使整个映射表体积变小。

而“另类”的SF-2000系列主控用的是sector mapping，也就是512B mapping。可以说映射表超级详细，所以也难怪SF-2000系列主控没有DRAM缓存，8倍于他人的映射表体积也不是一般DRAM颗粒可以装得下的，结果就直接全塞在NAND颗粒里面，省得再费心了。SF系主控的映射表太过独特，这里不再讨论了。

那么如何判断一块SSD使用了哪种映射表方式呢？可以测量随机4KB、半个page尺寸和page尺寸的写入IOPs值，如果三个IOPs基本相同，那么就是4KB mapping；如果不同，再根据数据块尺寸和物理page尺寸来分析确定。

另外，DRAM缓存并不是专门用来放映射表的，虽然映射表是很大的一块。如果你测试和计算以后发现DRAM比映射表大得多，剩下的DRAM空间可能是用来存放颗粒磨损平衡、更详细的映射表，当然还有数据缓存。而且现在DRAM价格不高，为了简便制造工序，一系列都用同一容量的DRAM颗粒也是可能的。

这里还是要提醒，我本节提到的都是比较理想化的情形，事实上会复杂的多。映射表其实是SSD固件算法的一部分，为了保证SSD的可靠，编写一个好固件是非常复杂的，其设计难度不亚于设计SSD主控。这里只是简单带你认识映射表，太复杂的我也不理解，如果看不懂很正常……


随机4K够用即可

系列第一回我就提到过4K的事，但无奈拿着AS SSD和CDM跑分来问你4K是不是低了的人还是如潮水般。

用我在各种“软RAID”在日常应用环境下的性能表现这篇帖子里的比喻就是 （原文很长，如果没耐心的话就别看了）

现在很多人说单线程4K如何如何，但这个值是很难以提升的，单线程4K写入理想情况就是颗粒的编程速度（这个在浴室的各个SSD评析里面都会讲），而单线程4K读取实际上是SSD内部寻址延迟的体现。要提升单线程4K写入相对简单，用编程速度更快的颗粒、更快的闪存通道、更快的主控；而想提升单线程4K读取就困难的多，延迟的产生其实是物理定律的体现，我们当然可以用更大的缓存去储存一个详细的闪存映射表，但信号要走过的路径还是要比点对点要长。形象点说就是我们在一片田地里种种子，单线程4K写入就是拿一颗种子随便找一个坑种进去，单线程4K读取就是从田地的所有坑里找一颗特定的种子，哪个更复杂显而易见。

如果说随机4K写入可以靠更好的硬件来实现，随机4K读取就纯粹是延迟体现了。

为了4K而组RAID 0，完全是适得其反。对RAID来说，低于条带尺寸的数据就不可再分了，而对SSD来说，低于4K的数据不可再分。在绝大多数情况下，条带尺寸大于等于4K。所以随机4K不会因条带而收益，反而会因为增加一层RAID逻辑，而使延迟增大，导致4K降低。（实测数据都在上面的帖子里）

很多人也知道，节能和CPU性能同样影响延迟，所以关节能，还要让CPU跑满频。只是初次使用，跑个分作为基准留档当然没问题，日常使用中还这么干的话，就得算算一年下来多交的电费钱够不够买个新盘的了。同理，由于笔记本平台CPU性能低，还有各种电源管理措施，所以笔记本平台当然跑不过台式机，更不用提一般评测的时候还会给CPU超频。

有空纠结如何提高SSD的4K跑分，还不如直接换平台、换CPU。

那么如何才能降低延迟？

第一回就提到下一代存储驱动界面NVMe，但普及还需时日。

在现有平台中，降低延迟的最佳手段就是让设备离CPU更近一些，比如SoC化，在CPU内部直接集成存储控制器，而不再走外部总线。杯具的是，目前的桌面SoC性能都比较低，由集成降低的延迟会被低性能给抹消掉。这种SoC也极大地限制了芯片规模，所以在高性能领域SoC很难实现。

目前的南桥，其实就是个大交换机，把从CPU来的有限带宽，分配给尽可能多的外围设备用，这种再分配也就导致了高延迟。对目前主流的SATA SSD来说，想避免这个延迟就是走另一条路，通过专门的SATA HBA直接与CPU连接。但这个方案缺点也很明显，第一是要增加额外成本买扩展卡；第二是这些扩展卡良莠不齐，买到“雷”货就是赔了夫人又折兵；第三是需要有一定动手能力，高端HBA可能需要自己手动配置为I/T固件，以最简化逻辑；第四是主流平台PCIe插槽稀少，为了提升磁盘性能，所以要跟显卡抢带宽，值不值得有待商榷。还有一点，如果不知道PCIe是从哪儿来的，买了一张好卡，结果插到南桥给的PCIe线路上，那延迟就是1+1>2了。这也是为什么主板集成的第三方SATA接口速度和延迟都不如原生的原因之一。

既然CPU里没有SATA控制器，只有PCIe，那么何不直接用PCIe SSD。这也是新一代SSD的发展方向，不论是AIC(Add-In-Card)插卡形式、NGFF M.2还是SATAe，都在利用PCIe通道。而且我们可以一定程度上自主选择这个路径是走PCH绕一圈，还是直连CPU。但就像上面提到的，主流平台直连CPU的PCIe通道就那么几条，而且只有原生PCIe SSD，而非再次转接并RAID的SSD（比如ORZ RevoDriver系列），才能具备低延迟的优势。目前原生PCIe SSD只有浦科特M6E和三丧的XP941（仅限消费级，企业级有很多）。

那么同样一块盘，在同样一套平台上，就因为走的路径不同，差距能有多大？可以看RK评测华擎Z97 EX6的帖子，定位主流市场的全能型主板 华擎Z97 Extreme6评测。直接看图说话，测试对象是目前最强消费级SSD，三丧XP 941，在系列第二回有过简介。

这是插在由CPU过来的M.2 x4接口上

这是插在由Z97 PCH过来的M.2 x2接口上

除了持续读写主要受接口带宽影响以外，其他6项都受延迟影响，体现出很显著的差异。仅仅是换了个接口，就使得4K相差10%以上。

话说回来，AS SSD和CDM这种娱乐跑分软件，本身就不科学。如果只是用来检测驱动和分区是否正确还可以，真拿篮框里的几百几千分当回事，那真是图样了。关于AS SSD的总分是如何不科学，见仙仙的从数学角度谈谈为什么AS SSD Benchmark跑分无意义。

我个人认为，一块SSD的随机4K读写取超过10MB/s就是合格的，超过20MB/s就不会有实际体验差别。盲目追求4K，还不如找个持续读写高的。


关于3D NAND

3D NAND应该是最近唯一值得成为SSD业界焦点的对象了，这是值得来个专题好好说一下的，显然这里盛不下它。

简单评价一下这项技术就是，颠覆传统，前途光明。

颠覆传统是，3D NAND的结构与传统2D完全不同，而且对其信号处理也完全不同于传统2D结构。三丧又一次用“老”主控安上了“新”东西，他们确实又NB了一回。而且从各家评测来看，性能确实霸道，就是可惜插在SATA上面了。不过后续产品也会很快跟进的，喜欢SSD飙分的肯定不会错过。

前途光明是，各大厂也都在研发各自的3D技术，当然不只三丧用的这一种，还有其他的3D形式。目前的3D技术可以做到用更老的光刻制程实现跟最新2D 16nm工艺同样的存储密度，这也就意味着同等容量下，3D NAND具有更高的性能而且更耐擦写。随着layer-层数的增加，以及制程进步，3D NAND的容量还能大幅提升。当然摆在工艺上的难度也是一样的，但对于已近末路的NAND来说，新技术的应用不仅是延长NAND的生命周期，也同样是为下代NVM积累经验。

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最后……

真遗憾，曾经写的帖子提到的存储陋习，结果咱们论坛就中了，话说一个以存储见长的论坛死在存储上真是喜闻乐见了。不过还好我自己的帖子在事发前都完整备份过了，所以我只是重新整理，稍微修改了一下就补全了。这里也再次提醒大家关注自己的数据安全，没有任何单一方式是完全可靠的，重要数据一定多种形式多份保存。除非你想验证我的签名

nighttob 发表于 2016-3-21 22:21
所以我说这是消费级的策略，企业级可以做到聪明且周全，但这都是成本

光一个4k对齐就已经让成堆的人茫然 ...

专用FS倒不一定弄到手忙脚乱，甚至用户体验可以更简单。比如分区得时候不必注意4k对齐，系统自动按PEB对齐。也不必用SE和TRIM。这都是FS自己实现，弹性好很多，性能也好。只是闪存技术的发展，这类fs必须同步更新。比如说现在UBIFS对MLC/TLC的支持还是老大难╮(╯▽╰)╭对存储厂商而言，用FTL做FS该做的事情对他们而言更方便而已。坑

frontwing 发表于 2016-3-22 07:53
理论上在SMART定义里弄一个统一标准的MWI值，让windows根据它发出预警（而不是不知所云的蓝屏）就可以了 ...

没人在意也是照样没用，而且MWI过于保守。真不如检测到ECC错误到阈值全盘写保护，这样对用户的警告更有效。起码不会让不关心的用户稀里糊涂就挂了。

rgwan 发表于 2016-3-21 22:56
现在消费级的盘直接写到爆表的机制我觉得太暴力了。如果到达了认为寿命该终止的时候，应该给用户一个挽救 ...

理论上在SMART定义里弄一个统一标准的MWI值，让windows根据它发出预警（而不是不知所云的蓝屏）就可以了，就看愿不愿意做。

rgwan 发表于 2016-3-21 22:56
现在消费级的盘直接写到爆表的机制我觉得太暴力了。如果到达了认为寿命该终止的时候，应该给用户一个挽救 ...

有厂家这么做，但不是全部

nighttob 发表于 2016-3-21 22:21
所以我说这是消费级的策略，企业级可以做到聪明且周全，但这都是成本

光一个4k对齐就已经让成堆的人茫然 ...

现在消费级的盘直接写到爆表的机制我觉得太暴力了。如果到达了认为寿命该终止的时候，应该给用户一个挽救数据的机会，即使是立刻写保护。

rgwan 发表于 2016-3-21 21:58
其实我个人是不喜欢FTL这种东西的，在操作系统的文件系统层面直接使用类似UBIFS/NANDFS之类的NAND专用文件 ...

所以我说这是消费级的策略，企业级可以做到聪明且周全，但这都是成本

光一个4k对齐就已经让成堆的人茫然不知所措了，再来个专用文件系统就是99% GG了

nighttob 发表于 2016-3-21 20:32
page mapping或者其他平面映射表在现在消费级还是主流，企业级上会有其他算法
如果闪存容量继续翻倍增长 ...

其实我个人是不喜欢FTL这种东西的，在操作系统的文件系统层面直接使用类似UBIFS/NANDFS之类的NAND专用文件系统，SSD主控做好纠错和坏块屏蔽就可以了。这样可以杜绝不少隔靴搔痒的机制，比如TRIM和SE。文件系统的优化也会更显而易见，比如说零散写入完全可以由文件系统合并请求，直接适配到NAND的块或者页大小，可以显著降低写放大。掉电也不会导致掉盘问题——起码系统还能启动，在fsck这段时间里起码用户可控的部分更多，而不是插个电等30分钟后看人品。当然，也变相的降低了SSD厂商的门槛~何乐而不为。当然，用户可控的参数也能更多，比如说可以直观的调查文件系统的效率，更有效率以ECC错误率估测寿命，甚至寿命快到了的时候，在卷未满时自动减小容量使用SLC模式续命等等。这么做后Flash的存储弹性更高，稳健性应当更好。现在看很多消费级SSD寿命一到就直接挂机认不到盘，简直……如果我做FTL的话只要ECC错误到达阈值，全盘只读。做FlashFS到ECC阈值，报警+SLC续命，再到阈值，只读报警~

nighttob 发表于 2016-3-21 20:32
page mapping或者其他平面映射表在现在消费级还是主流，企业级上会有其他算法
如果闪存容量继续翻倍增长 ...

以前三星在小型设备上的设计大多是用混合映射——块表+页表。只需要非常少的内存就能管理较大的NAND Flash，U盘主控也大多是这么做的。我半年来的工作大概就是让NAND适配微型设备，大概我论文发了那个小FTL就能开源了。

SSD控制器就不太清楚了，如果用DFTL算法的话，维护个比较大的页映射表对内存要求是高一些，而且要快速启动只能依靠超级块，读取性能上混合映射稍微好一些，随机写入上DFTL/WA-DFTL好一些。

B+树/u树我觉得在性能上和内存占用做的会比页映射好一些，时间复杂度也可以，我也打算结合DFTL和u树做我的项目。不过目前我的研究方向主要在保证实时性，稳定性，性能对我倒是次要的。B+/u树这点要好一些，不太依赖超级块。

rgwan 发表于 2016-3-21 20:13
一般DRAM不会完全放下整个映射表，比如说128G NAND，16K page算，就要32MB空间。大多数基于B+ tree/DFTL/hy ...

page mapping或者其他平面映射表在现在消费级还是主流，企业级上会有其他算法
如果闪存容量继续翻倍增长，但主控MC没有进步的话，FTL肯定要换个思路去做了

2012年以前像B-tree这种算法确实很流行，但似乎一瞬间就全变page mapping了，除了SF以外

一般DRAM不会完全放下整个映射表，比如说128G NAND，16K page算，就要32MB空间。大多数基于B+ tree/DFTL/hybird mapping的算法要么靠展开树+superblock，要么靠缓存算法，要么靠页表+块表混合用。不过我看的资料包括我自己实现的FTL都较为老旧（4年前），不知现在还是否流行压缩映射表的做法。

观点鲜明，好。

SF 还是相对来说低端了一些，基本上深圳这边的小厂都可以拿到方案，跟SMI 一样，JMF相对来说，就高端一些，价位和严格程度都不是SF能比的。

哈哈哈 看到最后的吐槽好欢乐

一下午都在充电补脑了，

颇为受益！多谢楼主。  后面几句话有点意思

这是否说明这2年出的SSD提升的性能其实都没太大的实用意义  还不如降价来得明显些？

纯技术好文！

虽然看不明白，但是感觉好厉害的样子

支持，很好的东西啊，赞一个

灰之影 发表于 2014-8-13 21:06
小白问一下，4k性能在日常应用究竟体现在哪些方面呢？

系统载入，软件安装，软件载入