SSD固態硬盤設計圖文詳解

2012/12/23 23:44:49  出處：本站原創   人氣：571次    字號：小  中  大

在2004年的時候本人采用Nand Flash作為存儲器對收費站的客運記錄進行記錄保存。當時采用的是三星的Nand Flash芯片，通過Philips（后來的NXP）的LPC2000系列ARM控制器實現對Nand Flash的操作。Nand Flash采用的是標準IO接口，所以開發操作Flash的Firmware并不是十分困難的事情。由于信息記錄采用的是日志方式，因此，不會涉及到SSD遇到的寫平衡和寫放大等問題。我開發的第一塊Nand Flash數據存儲卡如下圖所示：

Nor Flash具有較高的讀性能，但是寫性能極差（在寫入的時候需要擦除，擦除的時候需要對存儲單元進行清1操作，所以擦除時間比較長），并且容量較小，因此，常被用作程序存儲器，采用標準存儲器總線接口。現在，很多嵌入式開發中經常采用Nor Flash保存U-Boot、Linux Kernel以及Initrd。Nand Flash是另外一類Flash，其寫性能要遠高于Nor Flash，并且集成度很高，特別當Intel引入MLC技術之后，Nand Flash容量增長迅速，具有很高的單芯片容量。Nand Flash的大容量特性以及不錯的讀寫性能正好滿足了大容量存儲的需求，可以替代磁盤應用，因此，Nand Flash采用IO接口方式。

Nand Flash單芯片容量這幾年增長的非常迅速，在2008年的時候，一個Intel SSD（X25）的容量只能達到64GB。但是，今天單芯片容量已經達到了1Tb（128GB），單芯片容量超過了幾年前的一個SSD固態硬盤。這種容量的劇增，主要還是存儲領域對Nand Flash容量需求導致的。通常，Nand Flash內部分成若干Block、Page和LUN，一個LUN的結構如下圖所示：

這是Micron的Nand Flash（MT29E512G08CUCAB型號）內部結構，一個Page頁大小為8KB（有的 Flash page頁大小為4KB），一個block塊擁有256頁，一個LUN有4096個塊。因此，一個LUN的總大小為8GB。一個芯片可以封裝多個LUN，如果封裝了8個LUN，那么整個Nand Flash芯片容量可以達到64GB。

從上圖可以看出，每個Nand Flash芯片提供了多組讀寫接口（傳統的Nand Flash芯片只擁有一個讀寫接口），每個Target擁有一個讀寫接口，每個接口都可以采用同步或者異步操作方式。讀寫操作可以針對一個Page頁或者單字節進行操作；寫操作前需要將整個Block塊擦除，然后才能進行寫入操作。Nand Flash的問題也就在于Block擦除，如果上層軟件想要更新Block塊中的一個Page頁，那么首先需要擦除整個Block，然后才能寫入最新的Page數據，這就是典型的寫放大問題。另外，每個Block的擦除次數是有限的，所以這種頻繁的擦除操作會導致Nand Flash塊損壞。為了解決這個問題，需要在Nand Flash控制器中的Firmware做很多工作。

Nand Flash控制器內部結構不是十分復雜，其芯片（JMicro）內部結構如下圖所示：

其內部核心模塊分為：多路Flash控制器、SATA控制器、內存控制器以及CPU處理器。如上圖所示的JMF605擁有四個Flash接口控制器，因此，可以與四片傳統的Nand Flash接口芯片相連（采用JMF605構成的SSD如下圖所示）。如果采用Micron的MT29E512G08CUCAB芯片，JMF605只能連接一片MT29E512。

從硬件的角度看，采用現有的控制器和Nand Flash構建SSD并不是什么問題，其最大的問題還是在于如何解決Nand Flash與生俱來的問題。所以，很多SSD廠商的技術核心也就在于Firmware的算法，該算法采用了很多存儲虛擬化的方法。