絕不只是堆砌快閃記憶體 SSD中的軟體演算法你知多少

SSD已經日漸流行，現在買電腦不挑帶SSD的，都不好意思說自己真懂用戶體驗。和傳統HDD相比，SSD由快閃記憶體構成，快閃記憶體低延遲的特性，令SSD在隨機讀寫性能方面大幅超越HDD，這也是SSD能帶來流暢操作體驗的關鍵。但是，SSD又不僅僅只是快閃記憶體的簡單組裝，僅僅把快閃記憶體堆砌起來，並不能稱作是SSD。

調用快閃記憶體的軟體演算法，同樣對SSD的壽命、穩定性、性能等方方面面起著重大作用。SSD中的軟體演算法你都了解嗎？今天，就一起來談談SSD中有哪些軟體演算法吧！SSD可不是把快閃記憶體焊在一起就能做出來的

FTL：沒它SSD就無法識別

我們都知道SSD的硬體構成和HDD完全不同，因此操作系統識別HDD的很多機制，並不適用於SSD。例如，硬碟是由碟片來構成的，碟片是同心圓，把圓分成一個個小小的扇形，數據在這些扇形中儲存，這些扇形就被稱之為扇區。操作系統把扇區組織起來，構成FAT32、NTFS等文件系統，用戶才得以訪問文件/文件夾而不是一個個的扇區物理地址。基本上，操作系統建立文件系統的基礎就是扇區。

HDD硬碟碟片上的扇區，SSD沒有這個結構

SSD由快閃記憶體構成，沒有碟片，自然也沒有扇區。SSD的快閃記憶體顆粒基礎單位是數據容量4KB的Page（頁），Page組成Block（區），Block組成Plane（平面），最後Plane組成Die（晶片），這就是快閃記憶體的硬體架構。可見SSD沒有扇區，怎麼辦？這就得靠一些演算法來進行轉換了。

SSD使用的是快閃記憶體，快閃記憶體結構和HDD不同，需要FTL層和文件系統對話

把SSD的架構虛擬成HDD的演算法，叫做「FTL」（Flash Translation Lay）。FTL演算法是由SSD主控提供的，比操作系統更加底層。FTL作為一個軟體中間層，可以把SSD基於Page的硬體架構映射成HDD基於扇區的硬體架構。操作系統為SSD建立文件系統的時候，有了FTL，操作系統看到的東西和HDD沒啥兩樣，就可以用傳統的方法對SSD進行分區、格式化等操作，不需要使用專為SSD而生的文件系統。得益於FTL軟體演算法，SSD才能無縫接班HDD，沒它SSD就無法識別。

GC垃圾回收：沒它SSD就巨慢無比

快閃記憶體的機制是比較獨特的，當你向快閃記憶體寫入數據的時候，必須先把快閃記憶體中的數據擦除掉，才能寫入。同時，快閃記憶體的最小讀寫單位是Page，但最小的擦除單位是Block。一個Block中包含了多個Page，SSD工作一段時間後，就沒有哪個Block中的Page都是空白的了。如果要擦除某個Block，就必須先把這個Block中存在有效數據的Page複製備份到其他地方，接而進行擦除，這樣一來才不會丟數據。

每個Page都可以寫入數據，但覆蓋寫入需要先擦除原先的數據，一擦除整個Block都會被擦除

有效數據的Page要複製到什麼地方進行備份呢？一些比較爛的產品，會把這些Page的數據複製到緩存，待到Block擦除後，再把數據寫回去，這樣一來SSD的寫入速度就更加悲劇了——既要寫原來的數據，又要寫新數據。解決這個問題的，就是SSD中的GC（Gabage Collection），也就是垃圾回收演算法。

GC垃圾回收演算法看著有點類似碎片整理，它可以把某個Block中的存在有效數據的Page，移動到其他Block中，從而讓操作系統得以擦除這整一個Block。接著再往該Block寫數據，就不需要把備份到其他地方的Page也寫回去了。CG發生在FTL層，不同的SSD的GC演算法是不一樣的，GC演算法的不同，深切影響著SSD的性能。

Trim：大大提高垃圾回收效率

Trim是一種用來增加GC垃圾回收效率的演算法。沒有Trim的話，會出現這樣一種情況：在操作系統刪除一個文件，實際上數據在物理層面上並沒有被刪除。於是，SSD的某個Block所有Page都會被填滿，待到真正寫入數據的時候，才被迫進行GC垃圾回收，主控才開始把有效數據的Page移動到其他Block上，進而擦除該Block。如此一來，速度就很慢，SSD用久了每次寫入數據都得先GC，用戶體驗非常不好。

Trim就可以大大緩解這種情況。操作系統刪除數據後，Trim會告訴SSD主控哪些Page的數據對應著刪除的數據，這些Page會被標記成為無效Page。接著，在閑暇時段，SSD主控就會主動進行CG，把有效數據的Page移走，然後擦除這些Block的數據，提前為操作系統的數據寫入準備好足夠多的Block。如此一來，就算是長期使用，只要SSD不是裝得太滿，性能都不會有太過明顯的下滑，大大提升了用戶體驗。Trim演算法是由操作系統提供的，Win7、Android 4.3以後的操作系統都支持Trim。

磨損平衡：保證快閃記憶體壽命被均勻消耗

我們知道快閃記憶體是有擦寫壽命的，例如MLC快閃記憶體只能夠擦寫數千次，TLC快閃記憶體只能夠擦寫數百次等等。其實以現在的SSD容量，總擦寫數據量是非常驚人的，例如256G的SSD，壽命是500次擦寫（P/E）的話，那麼就需要寫入125TB的數據，快閃記憶體才壽終正寢——就算你每天寫入10G數據，也需要用三十多年才能把快閃記憶體給寫掛，更何況很少人每天往SSD中寫10G數據。

TLC的擦寫次數不盡如人意，但正常使用其實也很難掛掉

但是很多朋友仍不信任SSD的壽命，理由是SSD的這個壽命，是根據全盤容量來估算的。有的朋友認為，平時讀寫數據，會集中讀寫SSD的其中一部分快閃記憶體，這部分的快閃記憶體壽命就會損耗得特別快。一旦這部分快閃記憶體掛了，那麼整塊SSD也就掛了。然而事實真的是這樣嗎？

事實當然並非如此。實際上，SSD擁有磨損平衡（Wear Leveling）演算法，令所有快閃記憶體磨損度儘可能保持一致。SSD的磨損平衡演算法大致分為動態和靜態兩種。動態的演算法就是當寫入新數據的時候，會自動往比較新的Block中去寫，老的快閃記憶體就放在一旁歇歇；而靜態的演算法就更加先進，就算沒有數據寫入，SSD監測到某些快閃記憶體Block比較老，會自動進行數據分配，讓比較老的快閃記憶體Block承擔不需要寫數據的儲存任務，同時讓較新的快閃記憶體Block騰出空間，平日的數據讀寫就在比較新的Block中進行——如此一來，各個Block的壽命損耗，就都差不多了。

總結

SSD絕不是把快閃記憶體堆在一起就能做成的，要讓SSD穩定、快速地運行，還有賴於種種軟體演算法。在選用SSD的時候，可以多關注一下該SSD所使用的主控方案，關注該主控的演算法是否靠譜；在使用SSD時，要選擇適合的操作系統，並及時更新SSD的固件和驅動。如此一來，才會得到更好的體驗。

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