SSD 101 Plus

简介 🔗

读 NAND SSD 相关资料的时候，一般会遇到下面这张图：

相应解释是：¹

• 一块 NAND Flash 包含多个 LUN（Logic Unit Number）；
• 每个 LUN 又包含多个 Plane;
• 每个 Plane 包含成千上万个 Block;
• 每个 Block 包含上百个 Page.

其中：读写数据的粒度是 Page，而数据擦除的粒度是 Block. NAND SSD 的 Block 被擦除之后才能写入数据。那么，LUN、Plane（其实还有 Die）究竟意味着什么呢？

硬件层次 🔗

NAND SSD 由控制器和存储芯片组成。一块 SSD 通常包括多块 NAND 存储芯片， 这些芯片通过一定数量的 channel 连接到控制器。每个 flash chip 中又包含多个 die. 存储领域通常把这里的 die 称作LUN.² 一个 die 上通常有 2 个或 4 个 Plane。

比较容易混淆的是 page 概念。NAND SSD 的物理 page 大小通常是 16 KiB（其实还会多一点 – 需要据保元数存映射信息、校验信息之类）。它的物理 sector 大小（又称 quarter-page 或 logical page），通常是 4KiB.³

准确的说，物理层面读的粒度是 sector (4KiB)，而写的粒度则是 page (16 KiB)!

如果把 NAND SSD 看作是乐高积木，它在硬件层面的层次大概如下图。⁴

如果再完整一点，可以得到这样一个访问层次，不同的层次有不同的并发能力。

Channel -> Chip -> Die -> Plane（能并发的最低层次） -> Block -> Page -> Sector

下图来自首尔大学的pdf:

Cell 🔗

一个物理 Sector 由多个 Cell 构成，目前有如下几种：

• SLC - 一个 Cell 存储一个（Single）bit
• MLC - 一个 Cell 存储两个（Multiple）bit
• TLC - 一个 Cell 存储三个（Triple）bit
• QLC - 一个 Cell 存储四个（Quadruple）bit

密度越高，能存储的信息越多 - 但是每次写入需要更新的数据也成倍增长（写放大），而且高密度时散热、稳定性、故障面也是需要考虑的问题。

Page pairing 🔗

物理特性上，共享相同WL（Word Line）的物理 Page 被称为 paired-page. 参考这里。

• 每个 cell 的比特映射一个物理 Page. 因此：一个 TLC cell 就会对应三个 paired page.
• 整个 cell 对应的所有物理 page 都写完后，这次写操作才能算完成。

因此，虽然写入粒度是物理 Page, 但实际更新的数据远不止一个物理 Page.