Solid State Drive(SSD)技術介紹(2)
基本上SSD就是由Nand Flash所構成，不過中間還有個SSD Controller，還有一個Flash Controller，以及一個Buffer，還有Firmware。
這樣講或許有點太粗糙了，底下就來詳細解釋一下。
在SSD中，NAND Flash的儲存單位的Hierarchy由上至下為：
- Die(LUN)
- Plane
- Block
- Page
大致上是這4層，不過雖然是說是這樣，一切都還是要視你的Nand Flash中的架構是長怎樣來訂，要怎麼設計你的Firmware基本上都是要視你的Nand Flash而訂。
雖然分成4層，不過SSD最基本的Read Write單位為page，但要注意的事erase的基本單位為block(因為erase所需的電壓較高)，和R/W不一樣，而一個block被erase後再被寫入，我們則稱它經過了一個P/E(Program/Erase) Cycle。當你這個Block所歷經的P/E Cycle愈多，則代表它離壽終正寢也就更近一步了。若按一個Cell可以存多少個bit再去分類SSD的話可以分成4種：
- SLC: 一個cell只能存一個bit，速度最快，可以撐約100000個P/E Cycles
- MLC: 一個cell能存兩個bits，第二快，可撐約10000個P/E cycles
- TLC: 一個cell能存三個bits，第三快，可撐約1000個P/E cycles
- QLC: 一個cell能存四個bits，最慢，也是能撐約1000個P/E cycles
再介紹一個名詞，IOPS(input output per second)，指的是一個硬碟他一秒鐘能做的IO次數。
以下大致上講一下Host(即是你的主機)存取SSD的流程
- Host要存取SSD，發出Logical Block Address(LBA)給SSD，這邊講一下比較細的細節，若是用NVMe SSD，則其實是Host把Command(你也可以想成存取的指令)寫到NVMe中的Submission Queue，然後再設定NVMe中的Doorbell register。叫SSD controller自己來取指令。
- 再來SSD controller拿到指令後，目前指令中的Address是Logical address(LBA)，那我們要把它轉成Physical address(PBA)，我們就需要Flash Translation Layer(FTL)，等等再講FTL在幹嘛。FTL會把Logical Block Address(LBA)轉成Physical Block Address(PBA)。
- 之後我們取得了PBA，再來因為種種原因(像是電子訊號的錯誤)，可能在傳送位址時會有錯誤，因此我們需要Error Correlation Code(ECC)，才能確保資料是對的。
- 之後就要去Flash中找資料了，Flash也會有一個Controller，來操作Flash來找資料，可能還會通過多Channel的方式來平行加速存取
- 存取完資料後就return資料，若你是用NVMe SSD，則就是把結果放在Completion Queue，讓Host來取。
大致上的存取流程就是這樣，底下介紹一些名詞：
Flash Translation Layer(FTL)：因為OS或File System設計時SSD還沒被發明，所以基本上都是針對HDD做設計的，並沒有對SSD的Performance做優化，導致SSD無法發揮它的速度。如剛剛提到的LBA，其實是HDD的東西，為了快速導入SSD所以才延用了HDD的LBA mapping，但其實SSD和HDD的操作細節又有很大的不一樣(如erase的cost比read巨大)，因此就需要中間夾一個interface，來做加速以及針對Flash的一些存取方式做優化。算是一個抽象層的概念。其實FTL設計時要做或考慮的觀念非常多，如Garbage Collection、Wear Leveling、Mapping Table的設計以及Write Buffer的Block Replacement Policy等。畢竟SSD的底層運作原理和HDD還是不太一樣的。
Write Amplification：指的是SSD中你所想要寫入的資料大小和實際上寫入的大小的比例。粗略的計算如下：
WA = 實際上寫到Flash的量/Host想寫入SSD的量
為什麼會有這個問題？還是因為SSD的erase是以block為單位所導致的問題，其實有很多的操作或現象都會導致Write Amplification，這也是SSD中一直被討論的問題之一。
Over Provisioning：硬碟的預留空間，裡面都是free block。由於SSD的Block必需要erase掉才能再寫，都會搬到預留空間。或者是當你的SSD要放一些記錄的表格時(例如FTL)，就會放在這裡，故Over Provisioning的空間是很重要的，若預留空間不足，可能會導致Performance低落。像商用的SSD它的預留空間通常都會比一般消費級的大。一般消費級的SSD的預留空間大約都在7%。
Wear Leveling：在整個記憶裝置中，通常會有一些資料是一直被存取的，我們稱之為hot data，那相反的那些不常被存取的data我們稱之為cold data。那上一篇有講到，其實SSD中的顆粒是有erase的上限的，若一直存取hot data，則那些cold data所在的page可能一直都沒存取到，導致SSD整體的page的壽命不平衡，因此我們必須要讓每個page都被平衡的用到，這就是Wear Leveling想要達到的目標。
至於Garbage Collection，在下一篇就會講到了，這篇就先不解釋了。打了一堆也不知道看不看的完。
