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learn.lianglianglee.com/专栏/深入浅出计算机组成原理/46 SSD硬盘（上）：如何完成性能优化的KPI？.md.html
周伟 48163c6373 y
2022-05-11 18:52:13 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>46 SSD硬盘（上）：如何完成性能优化的KPI？</h1>
<p>随着 3D 垂直封装技术和 QLC 技术的出现，今年的“618”，SSD 硬盘的价格进一步大跳水，趁着这个机会，我把自己电脑上的仓库盘，从 HDD 换成了 SSD 硬盘。我的个人电脑彻底摆脱了机械硬盘。</p>
<p>随着智能手机的出现，互联网用户在 2008 年之后开始爆发性增长，大家在网上花的时间也越来越多。这也就意味着，隐藏在精美 App 和网页之后的服务端数据请求量，呈数量级的上升。</p>
<p>无论是用 10000 转的企业级机械硬盘，还是用 Short Stroking 这样的方式进一步提升 IOPS，HDD 硬盘已经满足不了我们的需求了。上面这些优化措施，无非就是，把 IOPS 从 100 提升到 300、500 也就到头了。</p>
<p>于是，SSD 硬盘在 2010 年前后，进入了主流的商业应用。我们在<a href="https://time.geekbang.org/column/article/113809">第 44 讲</a>看过，一块普通的 SSD 硬盘，可以轻松支撑 10000 乃至 20000 的 IOPS。那个时候，不少互联网公司想要完成性能优化的 KPI，最后的解决方案都变成了换 SSD 的硬盘。如果这还不够，那就换上使用 PCI Express 接口的 SSD。</p>
<p>不过，只是简单地换一下 SSD 硬盘，真的最大限度地用好了 SSD 硬盘吗？另外，即便现在 SSD 硬盘很便宜了，大部分公司的批量数据处理系统，仍然在用传统的机械硬盘，这又是为什么呢？</p>
<p>那么接下来这两讲，就请你和我一起来看一看，SSD 硬盘的工作原理，以及怎么最大化利用 SSD 的工作原理，使得访问的速度最快，硬盘的使用寿命最长。</p>
<h2>SSD 的读写原理</h2>
<p>SSD 没有像机械硬盘那样的寻道过程，所以它的随机读写都更快。我在下面列了一个表格，对比了一下 SSD 和机械硬盘的优缺点。</p>
<p><img src="assets/a53e407311293609cb0753c7889a367c.jpeg" alt="img" /></p>
<p>你会发现，不管是机械硬盘不擅长的随机读写，还是它本身已经表现不错的顺序写入，SSD 在这些方面都要比 HDD 强。不过，有一点，机械硬盘要远强于 SSD，那就是耐用性。如果我们需要频繁地重复写入删除数据，那么机械硬盘要比 SSD 性价比高很多。</p>
<p>要想知道为什么 SSD 的耐用性不太好，我们先要理解 SSD 硬盘的存储和读写原理。我们之前说过，CPU Cache 用的 SRAM 是用一个电容来存放一个比特的数据。对于 SSD 硬盘，我们也可以先简单地认为，它是由一个电容加上一个电压计组合在一起，记录了一个或者多个比特。</p>
<h3>SLC、MLC、TLC 和 QLC</h3>
<p>能够记录一个比特很容易理解。给电容里面充上电有电压的时候就是 1，给电容放电里面没有电就是 0。采用这样方式存储数据的 SSD 硬盘，我们一般称之为<strong>使用了 SLC 的颗粒</strong>，全称是 Single-Level Cell，也就是一个存储单元中只有一位数据。</p>
<p><img src="assets/0698c240459faa11254932905675dba7.jpeg" alt="img" /></p>
<p>但是，这样的方式会遇到和 CPU Cache 类似的问题，那就是，同样的面积下，能够存放下的元器件是有限的。如果只用 SLC，我们就会遇到，存储容量上不去，并且价格下不来的问题。于是呢，硬件工程师们就陆续发明了<strong>MLC</strong>（Multi-Level Cell）、<strong>TLC</strong>（Triple-Level Cell）以及<strong>QLC</strong>（Quad-Level Cell），也就是能在一个电容里面存下 2 个、3 个乃至 4 个比特。</p>
<p><img src="assets/949106cb0ca5985a47388caef6925a79.jpeg" alt="img" /></p>
<p>只有一个电容，我们怎么能够表示更多的比特呢？别忘了，这里我们还有一个电压计。4 个比特一共可以从 0000-1111 表示 16 个不同的数。那么，如果我们能往电容里面充电的时候，充上 15 个不同的电压，并且我们电压计能够区分出这 15 个不同的电压。加上电容被放空代表的 0，就能够代表从 0000-1111 这样 4 个比特了。</p>
<p>不过，要想表示 15 个不同的电压，充电和读取的时候，对于精度的要求就会更高。这会导致充电和读取的时候都更慢，所以 QLC 的 SSD 的读写速度，要比 SLC 的慢上好几倍。如果你想要知道是什么样的物理原理导致这个 QLC 更慢，可以去读一读这篇<a href="https://www.anandtech.com/show/5067/understanding-tlc-nand/2">文章</a>。</p>
<h3>P/E 擦写问题</h3>
<p>如果我们去看一看 SSD 硬盘的硬件构造，可以看到，它大概是自顶向下是这么构成的。</p>
<p><img src="assets/6ac3cfd51d39d3e3022effc7e4255e5e.jpeg" alt="img" /></p>
<p>首先，自然和其他的 I/O 设备一样，它有对应的<strong>接口和控制电路</strong>。现在的 SSD 硬盘用的是 SATA 或者 PCI Express 接口。在控制电路里，有一个很重要的模块，叫作<strong>FTL</strong>（Flash-Translation Layer），也就是<strong>闪存转换层</strong>。这个可以说是 SSD 硬盘的一个核心模块，SSD 硬盘性能的好坏，很大程度上也取决于 FTL 的算法好不好。现在容我卖个关子，我们晚一会儿仔细讲 FTL 的功能。</p>
<p>接下来是<strong>实际 I/O 设备</strong>，它其实和机械硬盘很像。现在新的大容量 SSD 硬盘都是 3D 封装的了，也就是说，是由很多个裸片（Die）叠在一起的，就好像我们的机械硬盘把很多个盘面（Platter）叠放再一起一样，这样可以在同样的空间下放下更多的容量。</p>
<p><img src="assets/0eee44535a925825b657bcac6afb72d3.jpeg" alt="img" /></p>
<p>接下来，一张裸片上可以放多个<strong>平面</strong>（Plane），一般一个平面上的存储容量大概在 GB 级别。一个平面上面，会划分成很多个块（Block），一般一个块（Block）的存储大小， 通常几百 KB 到几 MB 大小。一个块里面，还会区分很多个页（Page），就和我们内存里面的页一样，一个页的大小通常是 4KB。</p>
<p>在这一层一层的结构里面，处在最下面的两层块和页非常重要。</p>
<p>对于 SSD 硬盘来说，数据的<strong>写入</strong>叫作 Program。写入不能像机械硬盘一样，通过<strong>覆写</strong>（Overwrite）来进行的，而是要先去<strong>擦除</strong>（Erase），然后再写入。</p>
<p>SSD 的读取和写入的基本单位，不是一个比特（bit）或者一个字节（byte），而是一个<strong>页</strong>（Page）。SSD 的擦除单位就更夸张了，我们不仅不能按照比特或者字节来擦除，连按照<strong>页</strong>来擦除都不行，我们必须按照<strong>块</strong>来擦除。</p>
<p>而且，你必须记住的一点是，SSD 的使用寿命，其实是每一个块（Block）的擦除的次数。你可以把 SSD 硬盘的一个平面看成是一张白纸。我们在上面写入数据，就好像用铅笔在白纸上写字。如果想要把已经写过字的地方写入新的数据，我们先要用橡皮把已经写好的字擦掉。但是，如果频繁擦同一个地方，那这个地方就会破掉，之后就没有办法再写字了。</p>
<p>我们上面说的 SLC 的芯片，可以擦除的次数大概在 10 万次，MLC 就在 1 万次左右，而 TLC 和 QLC 就只在几千次了。这也是为什么，你去购买 SSD 硬盘，会看到同样的容量的价格差别很大，因为它们的芯片颗粒和寿命完全不一样。</p>
<h3>SSD 读写的生命周期</h3>
<p>下面我们来实际看一看，一块 SSD 硬盘在日常是怎么被用起来的。</p>
<p>我用三种颜色分别来表示 SSD 硬盘里面的页的不同状态，白色代表这个页从来没有写入过数据，绿色代表里面写入的是有效的数据，红色代表里面的数据，在我们的操作系统看来已经是删除的了。</p>
<p><img src="assets/966e51db8354922b533e1db236337e81.jpeg" alt="img" /></p>
<p>一开始，所有块的每一个页都是白色的。随着我们开始往里面写数据，里面的有些页就变成了绿色。</p>
<p>然后，因为我们删除了硬盘上的一些文件，所以有些页变成了红色。但是这些红色的页，并不能再次写入数据。因为 SSD 硬盘不能单独擦除一个页，必须一次性擦除整个块，所以新的数据，我们只能往后面的白色的页里面写。这些散落在各个绿色空间里面的红色空洞，就好像硬盘碎片。</p>
<p>如果有哪一个块的数据一次性全部被标红了，那我们就可以把整个块进行擦除。它就又会变成白色，可以重新一页一页往里面写数据。这种情况其实也会经常发生。毕竟一个块不大，也就在几百 KB 到几 MB。你删除一个几 MB 的文件，数据又是连续存储的，自然会导致整个块可以被擦除。</p>
<p>随着硬盘里面的数据越来越多，红色空洞占的地方也会越来越多。于是，你会发现，我们就要没有白色的空页去写入数据了。这个时候，我们要做一次类似于 Windows 里面“磁盘碎片整理”或者 Java 里面的“内存垃圾回收”工作。找一个红色空洞最多的块，把里面的绿色数据，挪到另一个块里面去，然后把整个块擦除，变成白色，可以重新写入数据。</p>
<p>不过，这个“磁盘碎片整理”或者“内存垃圾回收”的工作，我们不能太主动、太频繁地去做。因为 SSD 的擦除次数是有限的。如果动不动就搞个磁盘碎片整理，那么我们的 SSD 硬盘很快就会报废了。</p>
<p>说到这里，你可能要问了，这是不是说，我们的 SSD 硬盘的容量是用不满的？因为我们总会遇到一些红色空洞？</p>
<p><img src="assets/e7fcd994384145eefde614aaf3b45874.jpeg" alt="img" /></p>
<p>没错，一块 SSD 的硬盘容量，是没办法完全用满的。不过，为了不得罪消费者，生产 SSD 硬盘的厂商，其实是预留了一部分空间，专门用来做这个“磁盘碎片整理”工作的。一块标成 240G 的 SSD 硬盘，往往实际有 256G 的硬盘空间。SSD 硬盘通过我们的控制芯片电路，把多出来的硬盘空间，用来进行各种数据的闪转腾挪，让你能够写满那 240G 的空间。这个多出来的 16G 空间，叫作<strong>预留空间</strong>（Over Provisioning），一般 SSD 的硬盘的预留空间都在 7%-15% 左右。</p>
<h2>总结延伸</h2>
<p>到这里，相信你对 SSD 硬盘的写入和擦除的原理已经清楚了，也明白了 SSD 硬盘的使用寿命受限于可以擦除的次数。</p>
<p>仔细想一想，你会发现 SSD 硬盘，特别适合读多写少的应用。在日常应用里面，我们的系统盘适合用 SSD。但是，如果我们用 SSD 做专门的下载盘，一直下载各种影音数据，然后刻盘备份就不太好了，特别是现在 QLC 颗粒的 SSD，它只有几千次可擦写的寿命啊。</p>
<p>在数据中心里面，SSD 的应用场景也是适合读多写少的场景。我们拿 SSD 硬盘用来做数据库，存放电商网站的商品信息很合适。但是，用来作为 Hadoop 这样的 Map-Reduce 应用的数据盘就不行了。因为 Map-Reduce 任务会大量在任务中间向硬盘写入中间数据再删除掉，这样用不了多久，SSD 硬盘的寿命就会到了。</p>
<p>好了，最后让我们总结一下。</p>
<p>这一讲，我们从 SSD 的物理原理，也就是“电容 + 电压计”的组合，向你介绍了 SSD 硬盘存储数据的原理，以及从 SLC、MLC、TLC，直到今天的 QLC 颗粒是怎么回事儿。</p>
<p>然后，我们一起看了 SSD 硬盘的物理构造，也就是裸片、平面、块、页的层次结构。我们对于数据的写入，只能是一页一页的，不能对页进行覆写。对于数据的擦除，只能整块进行。所以，我们需要用一个，类似“磁盘碎片整理”或者“内存垃圾回收”这样的机制，来清理块当中的数据空洞。而 SSD 硬盘也会保留一定的预留空间，避免出现硬盘无法写满的情况。</p>
<p>到了这里，我们 SSD 硬盘在硬件层面的写入机制就介绍完了。不过，更有挑战的一个问题是，在这样的机制下，我们怎么尽可能延长 SSD 的使用寿命呢？如果要开发一个跑在 SSD 硬盘上的数据库，我们可以利用 SSD 的哪些特性呢？想要知道这些，请你一定要记得回来听下一讲。</p>
<h2>推荐阅读</h2>
<p>想要对于 SSD 的硬件实现原理有所了解，我推荐你去读一读这一篇<a href="https://www.anandtech.com/show/5067/understanding-tlc-nand">Understand TLC NAND</a>。</p>
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