SSD固态硬盘设计图文详解

在2004年的时候本人采用Nand Flash作为存储器对收费站的客运记录进行记录保存。当时采用的是三星的Nand Flash芯片，通过Philips（后来的NXP）的LPC2000系列ARM控制器实现对Nand Flash的操作。Nand Flash采用的是标准IO接口，所以开发操作Flash的Firmware并不是十分困难的事情。由于信息记录采用的是日志方式，因此，不会涉及到SSD遇到的写平衡和写放大等问题。我开发的第一块Nand Flash数据存储卡如下图所示：

Nor Flash具有较高的读性能，但是写性能极差（在写入的时候需要擦除，擦除的时候需要对存储单元进行清1操作，所以擦除时间比较长），并且容量较小，因此，常被用作程序存储器，采用标准存储器总线接口。现在，很多嵌入式开发中经常采用Nor Flash保存U-Boot、Linux Kernel以及Initrd。Nand Flash是另外一类Flash，其写性能要远高于Nor Flash，并且集成度很高，特别当Intel引入MLC技术之后，Nand Flash容量增长迅速，具有很高的单芯片容量。Nand Flash的大容量特性以及不错的读写性能正好满足了大容量存储的需求，可以替代磁盘应用，因此，Nand Flash采用IO接口方式。

Nand Flash单芯片容量这几年增长的非常迅速，在2008年的时候，一个Intel SSD（X25）的容量只能达到64GB。但是，今天单芯片容量已经达到了1Tb（128GB），单芯片容量超过了几年前的一个SSD固态硬盘。这种容量的剧增，主要还是存储领域对Nand Flash容量需求导致的。通常，Nand Flash内部分成若干Block、Page和LUN，一个LUN的结构如下图所示：

这是Micron的Nand Flash（MT29E512G08CUCAB型号）内部结构，一个Page页大小为8KB（有的 Flash page页大小为4KB），一个block块拥有256页，一个LUN有4096个块。因此，一个LUN的总大小为8GB。一个芯片可以封装多个LUN，如果封装了8个LUN，那么整个Nand Flash芯片容量可以达到64GB。

从上图可以看出，每个Nand Flash芯片提供了多组读写接口（传统的Nand Flash芯片只拥有一个读写接口），每个Target拥有一个读写接口，每个接口都可以采用同步或者异步操作方式。读写操作可以针对一个Page页或者单字节进行操作；写操作前需要将整个Block块擦除，然后才能进行写入操作。Nand Flash的问题也就在于Block擦除，如果上层软件想要更新Block块中的一个Page页，那么首先需要擦除整个Block，然后才能写入最新的Page数据，这就是典型的写放大问题。另外，每个Block的擦除次数是有限的，所以这种频繁的擦除操作会导致Nand Flash块损坏。为了解决这个问题，需要在Nand Flash控制器中的Firmware做很多工作。

Nand Flash控制器内部结构不是十分复杂，其芯片（JMicro）内部结构如下图所示：

其内部核心模块分为：多路Flash控制器、SATA控制器、内存控制器以及CPU处理器。如上图所示的JMF605拥有四个Flash接口控制器，因此，可以与四片传统的Nand Flash接口芯片相连（采用JMF605构成的SSD如下图所示）。如果采用Micron的MT29E512G08CUCAB芯片，JMF605只能连接一片MT29E512。

从硬件的角度看，采用现有的控制器和Nand Flash构建SSD并不是什么问题，其最大的问题还是在于如何解决Nand Flash与生俱来的问题。所以，很多SSD厂商的技术核心也就在于Firmware的算法，该算法采用了很多存储虚拟化的方法。