今天我們來(lái)談?wù)勯W存品質(zhì)如何影響固態(tài)硬盤(pán)，今天的討論將不再局限于寫(xiě)入壽命或可以擦寫(xiě)多少次這樣簡(jiǎn)單的層面。

閃存的品質(zhì)

過(guò)去我們經(jīng)常談原片和白片。這種非此即彼的二分法比較容易被大家理解，原片的高品質(zhì)被所有人認(rèn)同，而對(duì)于白片的爭(zhēng)論就比較多。其實(shí)白片和原片一樣，都有等級(jí)之分。

并不是所有白片都是原廠篩剩下的次品，有些情況下原廠可能會(huì)直接出售晶圓。這些晶圓在出廠時(shí)就包含了一張map，將晶圓上每個(gè)晶粒的情況做出了標(biāo)記。

第三方的封測(cè)廠根據(jù)Map摘取芯片進(jìn)行封裝，閃存芯片的分級(jí)篩選還需要結(jié)合主控一起進(jìn)行，最終制造出符合特定使用條件的合格閃存顆粒。

跟晶圓制造階段是相比，芯片封裝相對(duì)簡(jiǎn)單的工藝流程，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)被很多第三方企業(yè)掌握，還能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)MCP多芯片封裝。下圖是江波龍將Marvell 88NV1160主控與美光3D TLC閃存融合封裝的單顆粒NVMe固態(tài)硬盤(pán)——FORESEE P900。

閃存原廠數(shù)量畢竟有限，采購(gòu)晶圓后摘取合格晶粒（Good Die）自行封裝，可以發(fā)揮封裝階段的成本優(yōu)勢(shì)，起到了豐富市場(chǎng)選擇的作用，同時(shí)也促使固態(tài)硬盤(pán)價(jià)格能夠覆蓋到各種人群的偏好范圍。

針尖上跳舞：一步都不允許出錯(cuò)

雖然公版方案使得制造固態(tài)硬盤(pán)的入門(mén)門(mén)檻降低了需多，但固態(tài)硬盤(pán)對(duì)閃存品質(zhì)的要求并沒(méi)有降低。由于閃存自身的工作特點(diǎn)，固態(tài)硬盤(pán)主控對(duì)閃存的使用受到種種制約。從最簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，閃存必須先擦除才能進(jìn)行寫(xiě)入，所以固態(tài)硬盤(pán)中沒(méi)有真正的覆蓋寫(xiě)入，所有針對(duì)原有數(shù)據(jù)的修改都將被重定向到新的閃存位置上。由FTL管理邏輯地址與閃存物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

這就像酒店房間管理，下午2點(diǎn)之前就到達(dá)酒店辦理入住，這時(shí)給你預(yù)留的房間還沒(méi)有打掃，所以前臺(tái)給你安排新的房間，并在系統(tǒng)中做了記錄。

原有數(shù)據(jù)因?yàn)榘l(fā)生變化而成為無(wú)效的"垃圾"內(nèi)容，但主控卻不能命令閃存直接將這個(gè)存儲(chǔ)單元擦除掉——閃存的最小擦除單位Block塊要比最小寫(xiě)入單位Page頁(yè)大數(shù)千倍。隨著已使用和已變成垃圾的位置越來(lái)越多，主控所能輾轉(zhuǎn)騰挪的空間變得越來(lái)越小，所以必須要有垃圾回收來(lái)整理出足夠數(shù)量的、可用于直接寫(xiě)入的空白塊。

在讀取原來(lái)block中有效塊、寫(xiě)入新位置、擦除原來(lái)Block的垃圾回收過(guò)程中，不能有一絲一毫的錯(cuò)誤發(fā)生。

機(jī)械盤(pán)異常斷電丟失的可能僅僅是未保存的文件，而固態(tài)硬盤(pán)遇到異常斷電或運(yùn)行異常，丟失的還可能包括到恰好跟正寫(xiě)入的數(shù)據(jù)處于同個(gè)page或block的老數(shù)據(jù)——即便那些老數(shù)據(jù)早就正常寫(xiě)入進(jìn)去，依然有可能在這次異常中被破壞。

通過(guò)篩選的閃存顆粒在制成SSD之后，對(duì)于成品還需要進(jìn)行高溫老化測(cè)試。下圖是浦科特介紹的老化測(cè)試。使用Flexstar專(zhuān)用設(shè)備能夠?qū)SD進(jìn)行溫度、電源循環(huán)、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、極限電壓等方面的測(cè)試，驗(yàn)證SSD在磨損均衡、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率、組件失效率、寫(xiě)入耐久與數(shù)據(jù)保持時(shí)間等方面的表現(xiàn)。

并非萬(wàn)能的LDPC糾錯(cuò)

固態(tài)硬盤(pán)對(duì)可靠性的要求極高，閃存寫(xiě)入和讀出數(shù)據(jù)的過(guò)程，都有糾錯(cuò)引擎的參與來(lái)確保數(shù)據(jù)無(wú)誤。LDPC糾錯(cuò)近幾年才應(yīng)用都固態(tài)硬盤(pán)當(dāng)中，被稱(chēng)為拯救TLC閃存的功臣。借此機(jī)會(huì)簡(jiǎn)單聊聊大家眼中神秘的LDPC。

LDPC是一種迭代算法。如果你不明白迭代的含義，推薦看一部名為"明日邊緣"的電影，它講述的是男主有機(jī)會(huì)一次次回到前一天，通過(guò)反復(fù)嘗試各種可能，試圖救下必將死在明天的女主。小編覺(jué)得這部2014年的電影很有意思，即便不是為了理解迭代的含義，如果有沒(méi)看過(guò)的朋友也可以回去看一看。

好了扯遠(yuǎn)了，言歸正傳，LDPC是通過(guò)迭代的方式反復(fù)嘗試解碼，在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)軟數(shù)據(jù)（Soft Data，SD）的幫助一步步接近正確的讀取結(jié)果。

這里又出現(xiàn)一個(gè)叫"軟數(shù)據(jù)"的名詞。所謂軟數(shù)據(jù)，可以理解成瞎子摸象——手感。得到的信息量很大，但并不直觀，需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步綜合判斷才能分析出結(jié)果。

閃存單元內(nèi)存儲(chǔ)的是電子，根據(jù)電子的多寡來(lái)表達(dá)不同的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在還做不到直接數(shù)閃存單元中電子的數(shù)目，只能通過(guò)位線上的電流來(lái)感知和判斷，并將它們轉(zhuǎn)換為0和1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。下圖是最簡(jiǎn)單的SLC閃存模型：

SLC閃存的一個(gè)單元只需要表達(dá)0或1兩種狀態(tài)，到了MLC之后要表達(dá)的狀態(tài)數(shù)量就增加到了4個(gè)（00，01，10，11），TLC時(shí)代更是增加到8個(gè)狀態(tài)。后邊還要16種狀態(tài)的QLC閃存。沒(méi)有LDPC這種強(qiáng)大的糾錯(cuò)算法是萬(wàn)萬(wàn)不行的。

LDPC糾錯(cuò)在軟糾錯(cuò)階段可以通過(guò)不同的讀取參數(shù)去獲得關(guān)于閃存的更多數(shù)據(jù)，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)去嘗試判讀，如果ECC驗(yàn)證不通過(guò)，就換個(gè)"姿勢(shì)"進(jìn)行更多的嘗試。這里判讀所依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)是"Log-likelihood ratio(LLR)"，中文名叫對(duì)數(shù)似然比。

對(duì)數(shù)似然比是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的老司機(jī)，能夠僅憑一個(gè)模糊的畫(huà)面就能把車(chē)牌號(hào)猜個(gè)八九不離十。當(dāng)然經(jīng)驗(yàn)再豐富也有翻車(chē)的時(shí)候，不要緊，LDPC糾錯(cuò)可以繼續(xù)迭代，接著嘗試，直到得出正確答案，或者因迭代次數(shù)達(dá)到限制而糾錯(cuò)失敗。

SSD的閃存品質(zhì)不好會(huì)容易翻車(chē)：壞就壞在對(duì)數(shù)似然比這個(gè)老司機(jī)身上。對(duì)數(shù)似然比與閃存的特性有關(guān)，可以想象只開(kāi)美系車(chē)的老司機(jī)，讓他猜日本的車(chē)牌號(hào)是很難猜對(duì)的。

對(duì)數(shù)似然比這些經(jīng)驗(yàn)性的信息，是在主控及固件的設(shè)計(jì)階段就預(yù)設(shè)好的，需要根據(jù)閃存的不同進(jìn)行適配。這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)活兒。天下閃存制造商雖然只有寥寥數(shù)家，但即便是同一家閃存廠的產(chǎn)品，不同品質(zhì)等級(jí)的脾氣秉性也很難料。這里邊的問(wèn)題就復(fù)雜了，我就放張龍生九子的圖片吧。

現(xiàn)在我們知道，閃存的品質(zhì)不是簡(jiǎn)單的PE次數(shù)，它會(huì)影響到LDPC糾錯(cuò)的效果，反過(guò)來(lái)影響到閃存能夠用多久。即便神如LDPC，如果閃存品質(zhì)不佳，也可能因偏離固件的設(shè)計(jì)而失控。

閃存出錯(cuò)的累加效應(yīng)

通常的情況下，每一筆寫(xiě)入和讀取的數(shù)據(jù)都會(huì)經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)引擎的檢查。

但某些時(shí)候?yàn)榱烁玫男阅芤矔?huì)有無(wú)主控糾錯(cuò)引擎參與的數(shù)據(jù)遷移發(fā)生，譬如說(shuō)使用到Copy Back（閃迪稱(chēng)為On Chip Copy）的磨損均衡或者SLC緩存釋放過(guò)程。

因?yàn)镃opy Back的數(shù)據(jù)遷移過(guò)程只局限在芯片內(nèi)部，不需要主控的過(guò)多參與，所以釋放了主控壓力，提升了SSD的效能表現(xiàn)，但也因此失去了檢查錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，有可能導(dǎo)致閃存錯(cuò)誤的逐漸累加，直到下次主控要求讀取時(shí)才發(fā)現(xiàn)已經(jīng)超出了糾錯(cuò)能力范圍。

為了兼顧性能與數(shù)據(jù)安全，一些固態(tài)硬盤(pán)會(huì)采用適時(shí)切換的方式，在閃存較新的時(shí)候采用Copy Back模式提升性能表現(xiàn)，當(dāng)閃存磨損達(dá)到一定程度后改回傳統(tǒng)模式保護(hù)數(shù)據(jù)安全。PCEVA之前在饑餓鯊TR150固態(tài)硬盤(pán)的耐久度測(cè)試中就發(fā)現(xiàn)，該固態(tài)硬盤(pán)在主機(jī)寫(xiě)入量超過(guò)標(biāo)定TBW之后，就會(huì)關(guān)閉Copy Back模式。

如果閃存品質(zhì)不確定，沒(méi)有辦法找到一個(gè)合理的均衡點(diǎn)，就有可能無(wú)法發(fā)揮出閃存的全部壽命潛力。

總結(jié)：因?yàn)镹AND塊擦除的特性，必須要有很多復(fù)雜的算法與糾錯(cuò)輔助來(lái)保證運(yùn)行時(shí)的效能與穩(wěn)定性。NAND閃存雖然是非易失性存儲(chǔ)器，但在記錄數(shù)據(jù)的過(guò)程中依然充滿(mǎn)風(fēng)險(xiǎn)，除了用戶(hù)直接請(qǐng)求的寫(xiě)入之外，SSD內(nèi)部的磨損均衡、垃圾回收以及基于數(shù)據(jù)保持目的的刷新都會(huì)產(chǎn)生背景寫(xiě)入。SSD作為一個(gè)精密的整體，主控的先進(jìn)糾錯(cuò)技術(shù)只是一個(gè)輔助，關(guān)鍵還是要看閃存品質(zhì)以及固件的成熟度。

打個(gè)比方，師太親身經(jīng)歷的事情：朋友開(kāi)了個(gè)烤串店，大家都去捧場(chǎng)，但越吃越咸，老板解釋說(shuō)：肉不新鮮，多放點(diǎn)鹽遮遮味……大家以為就是個(gè)玩笑沒(méi)當(dāng)真，但回家全都拉了肚子……劣質(zhì)的NAND就像這個(gè)不新鮮的肉串，雖然有各種算法與糾錯(cuò)輔助能一定程度遮蓋不新鮮的味道，但你吃下去還是要拉肚子的。

以上是小編多年測(cè)試SSD后的心得。水平有限，文中若有錯(cuò)誤歡迎大牛指正。那么結(jié)尾部分再說(shuō)些大白話(huà)吧，目的是讓沒(méi)有專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人也都能看懂：

我們還能得到幾個(gè)延伸的結(jié)論：

1、SSD跑分其實(shí)很扯淡，跑的不過(guò)是緩存在極短時(shí)間內(nèi)的爆發(fā)力，無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)SSD在實(shí)際工作中的狀態(tài)。這也是AS SSD的測(cè)試結(jié)果不靠譜的原因之一。

2、家用固態(tài)硬盤(pán)沒(méi)事別瞎折騰，一邊刪除一邊寫(xiě)入的事盡量少干，如果寫(xiě)入時(shí)候有卡頓，千萬(wàn)不要著急的按重啟，多等會(huì)，因?yàn)閴K擦除延遲是比較高的。想騙保的同學(xué)看到這里會(huì)有所領(lǐng)悟吧，不過(guò)這僅針對(duì)使用劣質(zhì)NAND的SSD，優(yōu)質(zhì)NAND+健壯度高的固件，這么做也很難搞壞。

3、如果非要買(mǎi)低端的SSD，也盡量選有芯片sorting能力的工廠出的產(chǎn)品。已知大陸工廠有這個(gè)能力的包括江波龍，臺(tái)灣的華泰電子等也給很多品牌提供封測(cè)服務(wù)。我們把這個(gè)能力當(dāng)做一個(gè)最基本的及格線，凡是及格線之下的都是不推薦的，比如那些使用拆板、降級(jí)顆粒不做sorting卻成天自稱(chēng)一線原廠顆粒的品牌……