SSD架构与功能模块详解

SSD架构与功能模块详解

固态硬盘（SSD）作为现代计算机存储设备的重要组成部分，其内部架构和功能模块的设计直接影响着设备的性能和可靠性。本文将详细介绍SSD的架构以及其核心组件的功能，帮助读者深入了解这一关键技术。

SSD架构简介

图1：SSD架构示意图

如上图所示，典型的SSD架构主要包括三个核心部分：主机接口、SSD控制器以及闪存芯片。主机接口负责与计算机系统的连接，包括串行ATA（SATA）、并行ATA（PATA，又称IDE）以及PCIe等标准类型，以满足不同系统和设计需求。SSD控制器位于主机系统与NAND闪存之间，负责执行数据读写操作以及调节闪存芯片的损耗平衡等关键任务。

SSD控制器组件和功能模块

尽管SSD产品在应用场景和形态上存在差异，但其控制器通常都包含一些必不可少的组件或功能模块：

1. S.M.A.R.T

S.M.A.R.T（Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology）即“自我监测、分析与报告技术”，是承袭自机械硬盘的功能。它便于用户直观了解SSD的运行情况和健康状况。NVMe标准对SSD的SMART信息ID进行了统一规范定义，各厂商也可自定义一些信息，例如监控与盘寿命相关的属性数据，包括剩余耐久度等。

2. 磨损均衡

磨损均衡是指SSD在所有可用NAND闪存块（block）上平均分配擦除周期（或P/E周期）。由于闪存每个块的P/E周期有限，数据若连续写入同一个块将迅速耗尽其耐久度，因此控制器需要采用磨损均衡算法将写入操作分散到不同的块，以提升SSD的整体使用寿命。

3. 加密和解密引擎

出于高安全性的考虑，SSD可提供盘内加密功能。SSD将硬件加密和解密引擎内置于控制器的芯片中，具备较快的动态加/解密速度。较强的加密功能包括256-bit AES（高级加密标准），通常在SSD内部设置AES硬件模块，用于主机数据或者SSD内部数据的加解密。

4. 读写干扰处理

NAND闪存因受到电磁隧道效应影响，在读写过程中会出现干扰现象。具体包括：

• 读干扰（Read disturb）：在读取某个页（Page）时，同一闪存块上的其他页可能由于被施加电压而将电子吸入浮栅极，形成分布电压的偏移。
• 写干扰（Program disturb）：在对页进行写入操作时，原本不需要被编程却被注入了电荷，形成了从1到0的比特翻转。

对于此类干扰，控制器都需要具备相应的纠正算法或者数据管理策略。

5. 缓存

控制器可配备缓存以提高SSD的整体性能和使用寿命。例如，缓存可作为临时区域快速存储频繁访问的数据、优化小文件和随机访问性能、优化NAND数据写入操作、提升系统响应速度等。一般采用DRAM缓存。

6. 处理器

SSD控制器内部通常包含一个或多个处理器核心，基于RISC（精简指令集计算机）架构设计。不同于一般意义上的CPU，控制器内的处理器专门针对SSD的特定任务进行了优化，控制器的功能也由处理器的大小和性能所决定。

7. ECC

由于闪存存储单元的工作特性，数据的写入和读取可能存在干扰。ECC（Error Correction Coding，错误校正码）作为SSD的关键部分，是一种硬件或软件机制，用于检测和修正在数据传输或存储过程中可能发生的错误。ECC引擎通常可以实现错误检验、错误校正、数据完整性保护以及性能优化等功能。

8. 坏块管理

坏块管理（Bad Block Management，简称BBM）用于处理无法正常读写的存储单元。坏块管理主要包括坏块检测、坏块替换、坏块映射、坏块压缩等处理机制和功能，用于确保数据的可靠性和持久性，使SSD在遇到坏块时仍然能够提供可靠的数据存储和访问服务。

在以上组件或者功能模块中，除负责执行各种指令和算法的处理器以及用于缓存数据和元数据的内存，其余各种功能要靠固件实现。固件是指控制器芯片中预装的驱动程序，借助各类算法实现不同的管理功能。因此，固件是实际的指挥官，也是SSD厂家核心竞争力的体现。

忆联SSD控制器的高价值特性

忆联SSD产品在固件中集成多种智能算法以及硬件加速能力，满足高速数据处理和高可靠性要求场景，并提供丰富的可维护性。

加速处理性能方面

忆联SSD产品支持TRIM操作提高垃圾回收效率，提供SR-IOV with QoS提高I/O性能，并用智能多流技术对写入放大进行优化等。

可靠性方面

忆联SSD提供独有智能算法，提升闪存读电压一次命中率，提升盘片生命末期可靠性和时延表现，并作为多级数据校验保护机制的一环，实现数据通路的端到端保护。

可维护性方面

忆联支持SMART和健康监控，通过标准的管理接口获取健康监控信息并提供智能预警以及建议，另外也提供OOB带外管理、后台巡检、在线诊断等可降低维护成本的一系列功能。

在当前AI场景快速发展并落地到普通消费者的这一进程中，忆联SSD产品搭载新代际的控制器，并实现性能、安全性、定制功能、功耗等多个层面的全面优化，为产业的新发展筑就坚实的存力基石。