深刻淺出計算機組成原理學習筆記：第四十六講

1、引子

隨着3D垂直封裝技術和QLC技術的出現，今年的「618」，SSD硬盤的價格進一步大跳水，趁着這個機會，我把本身電腦上的倉庫盤，從HDD換成了SSD硬盤。個人我的電腦完全擺脫了機械硬盤。

隨着智能手機的出現，互聯網用戶在2008年以後開始爆發性增⻓，你們在網上花的時間也愈來愈多。這也就意味着，隱藏在精美App和網頁以後的服務端數據請求量，呈數量級的上升。

不管是用10000轉的企業級機械硬盤，仍是用Short Stroking這樣的方式進一步提高IOPS，HDD硬盤已經知足不了咱們的需求了。上面這些優化措施，

無非就是，把IOPS從100提高到300、500也就到頭了。

因而，SSD硬盤在2010年先後，進入了主流的商業應用。咱們在第44講看過，一塊普通的SSD硬盤，能夠輕鬆支撐10000乃⾄20000的IOPS。那個時候，很多互聯網公司想要完成性能優化的KPI，
最後的解決放案都變成了換SSD的硬盤。若是這還不夠，那就換上使用PCI Express接口的SSD。

不過，只是簡單地換⼀下SSD硬盤，真的最⼤限度地⽤好了SSD硬盤嗎？另外，即使如今SSD硬盤很便宜了，一部分公司的批量數據處理系統，仍然在⽤傳統的機械硬盤，這又是爲何呢

那麼接下來這兩講，就請你和我一塊兒來看一看，SSD硬盤的工做原理，以及怎麼最大化利用SSD的工做原理，使得訪問的速度最快，硬盤的使⽤壽命最長。

2、SSD的讀寫原理

一、SSD和機械硬盤的優缺點

SSD沒有像機械硬盤那樣的尋道過程，因此它的隨機讀寫都更快。我在下面列了一個表格，對比了一下SSD和機械硬盤的優缺點。

你會發現，無論是機械硬盤不擅⻓的隨機讀寫，仍是它自己已經表現不錯的順序寫入，SSD在這些方面都要比HDD強。不過，有一點，機械硬盤要遠強於SSD，那就是耐用性。
若是咱們須要頻繁地重複寫入刪除數據，那麼機械硬盤要比SSD性價比高不少。

要想知道爲何SSD的耐⽤性不太好，咱們先要理解SSD硬盤的存儲和讀寫原理。咱們以前說過，CPUCache用的SRAM是用一個電容來存放一個比特的數據。
對於SSD硬盤，咱們也能夠先簡單地認爲，它是由一個電容加上一個電壓計組合在一塊兒，記錄了一個或者多個比特。

二、SLC、MLC、TLC和QLC

一、什麼是SLC

 

可以記錄一個比特很容易理解。給電容裏面充上電有電壓的時候就是1，給電容放電裏面沒有電就是0。採用這樣方式存儲數據的SSD硬盤，咱們通常稱之爲 使用了SLC的顆粒，
全稱是Single-Level Cell，也就是一個存儲單元中只有一位數據。

二、SLC存在什麼問題？

可是，這樣的方式會遇到和CPU Cache相似的問題，那就是，一樣的⾯積下，可以存放下的元器件是有限的。若是隻用SLC，咱們就會遇到，

存儲容量上不去，而且價格下不來的問題。

因而呢，硬件工程師們就陸續發明了 MLC（Multi-Level Cell）、 TLC（Triple-Level Cell）以及 QLC（Quad-Level Cell），也就是能在續發明了 MLC（Multi-Level Cell）、 TLC（Triple-Level Cell）以及 QLC（Quad-Level Cell），也就是能在一個電容裏面存下2個、3個乃至4個比特。

只有一個電容，咱們怎麼可以表示更多的比特呢？別忘了，這裏咱們還有一個電壓計。4個比特一共能夠從0000-1111表⽰16個不一樣的數。那麼，若是咱們能往電容⾥⾯充電的時候，
充上15個不一樣的電壓，而且咱們電壓計可以區分出這15個不一樣的電壓。加上電容被放空表明的0，就可以表明從0000-1111這樣4個比特了。

不過，要想表示15個不一樣的電壓，充電和讀取的時候，對於精度的要求就會更高。這會致使充電和讀取的時候都更慢，因此QLC的SSD的讀寫速度，要⽐SLC的慢上好幾倍。
若是你想要知道是什麼樣的物理原理致使這個QLC更慢，能夠去讀一讀這篇文章。

3、P/E擦寫問題

若是咱們去看一看SSD硬盤的硬件構造，能夠看到，它大概是自頂向下是這麼構成的。

一、閃存轉換層

首先，雖然和其餘的I/O設備同樣，它有對應的 接⼝和控制電路。如今的SSD硬盤⽤的是SATA或者PCIExpress接⼝。在控制電路，有一個很重要的模塊，叫做 FTL（Flash-Translation?Layer），
也就是 閃存轉換層。這個能夠說是SSD硬盤的一個核新模塊，SSD硬盤性能的好壞，很大程度上也取決於FTL的算法好很差。如今容我賣個關子，咱們晚一下子仔細講FTL的功能。

二、實際I/O設備

接下來是 實際I/O設備，它其實和機械硬盤很像。如今新的大容量SSD硬盤都是3D封裝的了，也就是說，是由不少個裸片（Die）疊在一塊兒的，
就好像咱們的機械硬盤把不少個盤面（Platter）疊放在一塊兒同樣，這樣能夠在一樣的空間下放下更多的容量。

接下來，一張裸片上能夠放多個 平面（Plane），通常一個平面上的存儲容量大概在GB級別。一個平面上面，會劃分紅不少個塊（Block），通常一個塊（Block）的存儲大小，
一般幾百KB到幾MB大小。一個塊裏面，還會區分不少個頁（Page），就和咱們內存裏面的頁同樣，一個頁的小小一般是4KB。

三、SSD硬盤是如何寫入的

對於SSD硬盤來講，數據的 寫入叫做Program。寫入不能像機械硬盤同樣，經過 覆寫（Overwrite）來進行的，而是要先去 擦除（Erase），而後再寫入。SSD的讀取和寫入的基本單位，不是一個比特（bit）或者一個字節（byte），而是一個 頁（Page）。SSD的擦除單位就更誇張了，咱們不只不能按照照特或者字節來擦除，連按照 頁來擦除都不行，咱們必須按照 塊來擦除。

四、SSD硬盤數據寫入形象比喻

並且，你必須記住的一點是，SSD的使用壽命，實際上是每個塊（Block）的擦除的次數。你能夠把SSD硬盤的一個平面當作是一張白紙。咱們在上面寫入數據，
就好像用鉛筆在白紙上寫字。若是想要把已經寫過字的地方寫入新的數據，咱們先要用橡皮把已經寫好的字擦掉。可是，若是頻繁擦同一個地方，那這個地方就
會破掉，以後就沒有辦法再寫字了。

五、SLC、MLC、TLC和QLC使用壽命對比

咱們上⾯說的SLC的芯⽚，能夠擦除的次數⼤概在10萬次，MLC就在1萬次左右，而TLC和QLC就只在幾千次了。這也是爲何，你去購買SSD硬盤，
會看到一樣的容量的價格差異很大，由於它們的芯片顆粒和壽命徹底不⼀樣。

4、SSD讀寫的生命週期

一、一塊SSD硬盤在平常是怎麼被用起來的

下面咱們來實際看⼀看，一塊SSD硬盤在平常是怎麼被用起來的。
我用三種顏色分別來表示SSD硬盤裏面的頁的不一樣狀態，白色表明這個頁歷來沒有寫入過數據，綠色表明裏面寫入的是有效的數據，紅色表明裏面的數據，在咱們的操做系統看來已是刪除的了。

 

一、初始狀態

二、數據寫入

 一開始，全部塊的每個頁都是白色的。隨着咱們開始往裏面寫數據，裏面的有些頁就變成了綠色。

三、數據刪除

而後，由於咱們刪除了硬盤上的一些文件，因此有些頁變成了紅色。可是這些紅色的頁，並不能再次寫入數據。由於SSD硬盤不能單獨擦除一個頁，必須一次性擦除整個塊，
因此新的數據，咱們只能日後面的白色的頁裏面寫。這些散落在各個綠色空間裏面的紅色空洞，就好像硬盤碎片。

四、把整個Block擦除

若是有哪個塊的數據一次性所有被標紅了，那咱們就能夠把整個塊進行擦除。它就又會變成白色，能夠從新一頁一頁往裏面寫數據。這種狀況其實也會常常發生。畢竟一個塊不大，
也就在幾百KB到幾MB。你刪除一個幾MB的文件，數據又是連續存儲的，天然會致使整個塊能夠被擦除。

五、想要寫入兩個Block大小的新數據

隨着硬盤片面裏面的數據愈來愈多，紅色空洞佔的地方也會愈來愈多。因而，你會發現，咱們就要沒有白色的空頁去寫入數據了。這個時候，

咱們要作一次相似於Windows系統「磁盤碎片整理」或者Java裏面的「內存垃圾回收」工做做。找一個紅色空洞最多的塊，把裏面的綠色數據，挪到另外一個塊裏面去，

而後把整個塊擦除，變成白色，能夠從新寫入數據。

不過，這個「磁盤碎⽚整理」或者「內存垃圾回收」的⼯做，咱們不能太主動、太頻繁地去作。由於SSD的擦除次數是有限的。若是動不動就搞個磁盤碎⽚整理，那麼咱們的SSD硬盤很快就會報廢了。

二、SSD硬盤的容量是用不滿的？

說到這裏，你可能要問了，這是否是說，咱們的SSD硬盤的容量是⽤不滿的？由於咱們總會遇到一些紅色空洞？

 

 

 

 

沒錯，一塊SSD的硬盤容量，是沒辦法徹底用滿的。不過，爲了避免得罪消費者，生產SSD硬盤的廠商，實際上是預留了一部分空間，專們用來作這個「磁盤碎片整理」工做的。
一塊標成256G的SSD硬盤，每每實際有240G的硬盤空間。SSD硬盤經過咱們的控制芯片電路，把多出來的硬盤空間，用來進行各類數據的閃轉騰挪，
讓你可以寫滿那240G的空間。這個多出來的16G空間，叫做 預留空間（Over Provisioning），通常SSD的硬盤的預留空間都在7%-15%左右。

5、總結延伸

到這裏，相信你對SSD硬盤的寫入和擦除的原理已經清楚了，也明白了SSD硬盤的使用壽命受限於能夠擦除的次數。

仔細想想，你會發現SSD硬盤，特別適合讀多寫少的應用。在平常應用裏面，咱們的系統盤適合用SSD。可是，若是咱們用SSD作專門的下載盤，一直下載各類影音數據，而後刻盤備份就不太好了，特別是如今QLC顆粒的SSD，它只有幾千次可擦寫的壽命啊。

在數據中內心面，SSD的應用場景也是適合讀多寫少的場景。咱們拿SSD硬盤用來作數據庫，存放電商網站的商品信息很合適。可是，用來做爲Hadoop這樣的Map-Reduce應用的數據盤就不行了。由於Map-Reduce任務會大量在任務中間向硬盤寫入中間數據再刪除掉，這樣用不了多久，SSD硬盤的壽命就會到了。

好了，最後讓咱們總結一下。

這一講，咱們從SSD的物理原理，也就是「電容+電壓計」的組合，向你介紹了SSD硬盤存儲數據的原理，以及從SLC、MLC、TLC，直到今天的QLC顆粒是怎麼回事兒。

而後，咱們一塊兒看了SSD硬盤的物理構造，也就是裸片、平面、塊、頁的層次結構。咱們對於數據的寫入，只能是一頁一頁的，不能對頁進行覆寫。對於數據的擦除，
只能整塊進行。因此，咱們須要用一個，相似「磁盤碎片整理」或者「內存垃圾回收」這樣的機制，來清理塊當中的數據空洞。而SSD硬盤也會保留必定的預留空間，避免出現硬盤沒法寫滿的狀況。

到了這裏，咱們SSD硬盤在硬件層面的寫入機制就介紹完了。不過，更有挑戰的一個問題是，在這樣的機制下，咱們怎麼儘量延長SSD的使用壽命呢？若是要開發一個跑在SSD硬盤上的數據庫，咱們能夠利用SSD的哪些特性呢？想要知道這些，請你必定要記得回來聽下⼀講。