详解NVMe SSD各个硬件的功能和作用

和磁盘相比，NVMe SSD最大的变化在于存储介质发生了变化。目前NVMe SSD普遍采用3D NAND Flash作为存储介质。NAND Flash内部有多个存储阵列单元构成，采用floating gate或者charge trap的方式存储电荷，通过存储电荷的多少来保持数据存储状态。由于电容效应的存在、磨损老化、操作电压干扰等问题的影响，NAND Flash天生会存在漏电问题（电荷泄漏），从而导致存储数据发生变化。因此，从本质上讲，NAND Flash是一种不可靠介质，非常容易出现Bit翻转问题。SSD通过控制器和固件程序将这种不可靠的NAND Flash变成了可靠的数据存储介质。

为了在这种不可靠介质上构建可靠存储，SSD内部做了大量工作。在硬件层面，需要通过ECC单元解决经常出现的比特翻转问题。每次数据存储的时候，硬件单元需要为存储的数据计算ECC校验码；在数据读取的时候，硬件单元会根据校验码恢复被破坏的bit数据。ECC硬件单元集成在SSD控制器内部，代表了SSD控制器的能力。在MLC存储时代，BCH编解码技术可以解决问题，4KB数据中存在100bit翻转时可以纠正错误；在TLC存储时代，bit错误率大为提升，需要采用更高纠错能力的LDPC编解码技术，在4KB出现550bit翻转时，LDPC硬解码仍然可以恢复数据。对比LDPC硬解码、BCH以及LDPC软解码之间的能力，可以看出LDPC软解码具有更强的纠错能力，通常使用在硬解码失效的情况下。LDPC软解码的不足之处在于增加了IO的延迟。

在软件层面，SSD内部设计了FTL（Flash Translation Layer），该软件层的设计思想和Log-Structured File System设计思想类似。采用log追加写的方式记录数据，采用LBA至PBA的地址映射表记录数据组织方式。Log-structured系统最大的一个问题就是垃圾回收(GC)。因此，虽然NAND Flash本身具有很高的IO性能，但受限于GC的影响，SSD层面的性能会大受影响，并且存在十分严重的IO QoS问题，这也是目前标准NVMe SSD一个很重要的问题。

SSD内部通过FTL解决了NAND Flash不能Inplace Write的问题；采用Wear Leveling算法解决了NAND Flash磨损均衡问题；通过Data Retention算法解决了NAND Flash长时间存放漏电问题；通过Data Migration方式解决Tead Diatribe问题。FTL是NAND Flash得以大规模使用的核心技术，是SSD的重要组成部分。

NAND Flash内部本身具有很多并发单元，一个NAND Flash芯片由多个Target构成，每个Target包含多个Die。每个Die是一个独立的存储单元，一个Die由多个Plane构成，多个Plane之间共享一套操作总线，多个Plane可以组成一个单元并发操作，构建Multi-plane。一个Plane由若干个Block构成，每个Block是一个擦除单元，该单元的大小也决定了SSD软件层面的GC回收粒度。每个Block由多个page页构成，每个Page是最小写入（编程）单元，通常大小为16KB。SSD内部软件（固件）需要充分利用这些并发单元，构建高性能的存储盘。

一块普通NVMe SSD的物理硬件结构简单，由大量的NAND Flash构成，这些NAND Flash通过SOC（SSD控制器）进行控制，FTL软件运行在SOC内部，并通过多队列的PCIe总线与主机进行对接。为了提升性能，企业级SSD需要板载DRAM，DRAM资源一方面可以用来缓存数据，提升写性能；另一方面用来缓存FTL映射表。企业级SSD为了提升性能，通常采用Flat mapping的方式，需要占据较多的内存（0.1%）。

内存容量的问题也限制了大容量NVMe SSD的发展，为了解决内存问题，目前一种可行的方法是增大sector size。标准NVMe SSD的sector size为4KB，为了进一步增大NVMe SSD的容量，有些厂商已经开始采用16KB的sector size。16KB Sector size的普及应用，会加速大容量NVMe SSD的推广。