NVMe SSD 学习总结 03: 浅析SSD技术基础NAND

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NVMe SSD 学习总结 03: 浅析SSD技术基础NAND

2024-07-13 04:56| 来源: 网络整理| 查看: 265

03 浅析SSD技术基础NAND-Flash原理(NANA结构、工作原理、写放大)) 一、SSD 固态盘的内部结构二、NAND flash 存储数据的原理三、为什么会有“写放大”四、磨损均衡的原理参考:

一、SSD 固态盘的内部结构

ssd 主要由控制单元和存储单元(当前主要是FLASH闪存颗粒)组成,控制单元包括SSD控制器、主机接口、DRAM等,存储单元主要是NAND Flash颗粒。NAND 颗粒的结构如下: 1.闪存颗粒:SSD 存储的物理载体 2.Chip:多层的Chip组成闪存颗粒 3.Target:由多个Die封装而成,每个Target共享一套控制信号线 4.Die(LUN):在大片的半导体晶圆切割后的最小单元,包括多个Plan 5.Plan:包括多个块,每个plan拥有独立的Page寄存器 6.Block:能够执行擦除操作的最小单元,由多个Page组成 7.Page:执行编程和读操作的最小单元。通常大小为4KB/8KB/16KB等。 8.Cell:Page中最小操作擦写读单元,对应一个浮栅晶体管,可以存储1bit或多bit。 在这里插入图片描述

二、NAND flash 存储数据的原理

NAND闪存的存储原理:是利用了量子力学的隧道效应。在控制门上加较高的编程电压,源极和漏极接地,使电子穿越隧道氧化层到达浮栅,并聚集在浮栅上,存储信息。擦除时仍利用隧道效应,不过把电压反过来,从而消除浮栅上的电子,达到清除信息的结果。寿命有限的原因是,电子反复来回穿越隧道氧化层而损坏隧道氧化层,导致存储单元物理破坏而不能再有效的保持浮栅门]中的电荷。 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

三、为什么会有“写放大”

写入放大( Write amplification ,简称WA )是闪存和固态硬盘之间相关联的一个属性,所谓放大指的是在执行写入操作的时候,SSD硬盘发生的写入量,要远大于实际写入的数据量2从而 减少了SSD的使用寿命。写入放大的原理:因为NAND flash数据写入的方式页面为单位写入2但是要想删除数据却需要以块为单位。当写入新数据时,如果SSD 控制器找不到可以写入的page时,会执行GC过程,然后GC机制会将一些block中的有效数据合并写入其他的block中,然后将这些block的无效数据擦出,再将新数据写入到这些block中,而在整个过程中除了要写入用户的数据之外,实际上SSD还写入了一些其他block合并过来的数据。

写入放大的公式 闪存写入的数据量/主控写入的数据量=写入放大倍数

四、磨损均衡的原理

为什么需要磨损均衡: NAND会更快被磨损,当超过限制的P/E次数后,存储单元的可靠性就会大幅下降,最终不可用(变成坏块),需要从预留空间中挑选有效block进行补充。 磨损均衡的原理: 针对冷热数据的不同访问特点,采用静态和动态两种磨损均衡算法来提高固态硬盘的整体寿命。对于经常被读写的热态数据(热数据),会根据PE 次数和block中有效数据的个数综合来选择数据要存放的block,保证全盘block的P/E接近平均P/E ,同时做尽可能少的数据搬移,减小写放大。

参考:

1.https://www.bilibili.com/video/BV1Da411a7SF/?spm_id_from=333.788&vd_source=d189aba2af4a82434ca9b7703002f38c



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