培訓(xùn)原理測試與應(yīng)用

產(chǎn)品中試部趙雷2012-07-28SSD原理測試與應(yīng)用——一些小紅塊塊的搬來搬去目錄SSD特性介紹SSD工作原理SSD市場格局SSD測試方案與方法針對客戶應(yīng)用進行調(diào)整SSD(Solid-StateDrive)(固態(tài)硬盤) --使用集成電路存儲裝置，采用傳統(tǒng)硬盤接口的存儲器

本文中涉及的SSD均采用NVRAM中的NANDFlashMemory作為SSD的數(shù)據(jù)存儲裝置SSD的優(yōu)點無機械裝置無尋道時間速度快（部分應(yīng)用模式）無噪音優(yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)能力低功耗（部分SSD產(chǎn)品）SSD的缺點價格昂貴容量小持續(xù)寫入速度慢存在壽命問題SSD特性SSDFormFactorPCI-ESATAMicroSATAmSATAHalf-SlimSpecialOnboard曙光目前支持的SSD產(chǎn)品Sugon現(xiàn)有SSD產(chǎn)品線目錄SSD特性介紹SSD工作原理SSD市場格局SSD測試方案與方法針對客戶應(yīng)用進行調(diào)整SSD工作原理NAND

SSD工作原理SLC&MLC除此之外還有TLC。每個Cell可存儲3個Bit，即8種狀態(tài)。SSD工作原理NANDFlashTypesSSD工作原理NANDFlash結(jié)構(gòu)SSD工作原理NANDFlash

IOInterface4CEperDie=QDPReadEnable/WriteEnableIO[0:7]SSD工作原理NANDFlash結(jié)構(gòu)1個page為4KB1個Block為256個page組成1個Plane由2048個Block組成2個Plane組成1個DieSDP/DDP/QDP/ODPPage為最小的讀寫單位，Block為最小的擦除/編程單位。SSD工作原理NANDFlash讀寫原理SSD工作原理NANDFlash讀寫原理精簡畫圖1個8通道8位的主控連接到8個Die上SSD工作原理NANDFlash讀寫原理精簡畫圖Write4KBDatatoNAND占據(jù)了一個PageSSD工作原理NANDFlash讀寫原理精簡畫圖再寫入8KB數(shù)據(jù)到NAND又占據(jù)了兩個Page如果寫入32KB數(shù)據(jù)，將同時寫入8個顆粒。如果Controller是8個Channel，那么此時速度最大與PageSize有關(guān)。此處為8k。SSD工作原理NANDFlash讀寫原理顯示的是LBA而不是物理位置紅色表示已經(jīng)被文件系統(tǒng)標(biāo)記刪除（但是實際還存在）用了一段時間之后……SSD工作原理NANDFlash讀寫原理主控認(rèn)為實際上的狀況是這樣的-所有綠塊都是有數(shù)據(jù)再需要寫的話怎么辦呢？讀取-擦除-改寫/回寫SSD工作原理NANDFlash讀寫原理引用另外一個例子再講一遍SSD工作原理NANDFlash讀寫原理SSD工作原理NANDFlash讀寫原理SSD工作原理NANDFlash

TrimTrim是什么？他帶來了什么好處？Trim是一條ATA的指令，當(dāng)最新的操作系統(tǒng)刪除文件的時候（包括格式化），同時把這個文件地址發(fā)送給SSD的主控制器，讓主控制器知道這個地址的文件地址無效了，好了，到此結(jié)束，沒有下文了。Trim的完成需要幾點：1.SSD的主控制器必須認(rèn)識Trim指令，也就是固件要支持。2.操作系統(tǒng)必須會發(fā)送Trim指令，也就是刪除時候會發(fā)送。3.操作系統(tǒng)下的控制器驅(qū)動必須要支持Trim指令的傳輸，也就是能夠PassTrim指令到SSD主控制器。光有Trim是沒用的，NAND里的內(nèi)容還是沒有清除掉，如何解決？GC-GarbageCollection-垃圾回收SSD工作原理NANDFlash垃圾回收SSD工作原理NANDFlash垃圾回收SSD工作原理NANDFlash垃圾回收SSD工作原理NANDFlash垃圾回收完全寫滿的情況下需要使用OP（OverProvision）空間來進行GC。沒寫滿的情況下，可以使用剩余的空間進行GC。SSD工作原理NANDFlash垃圾回收GC之后，變成這個樣子剩余空間變得連續(xù)，寫入效率提升如果每個顆粒的Block都有連續(xù)的剩余空間，速度進一步提升SSD工作原理NANDFlash垃圾回收沒有Trim會造成何種結(jié)果？主控不知道地址已經(jīng)被標(biāo)記刪除可GC的空間小新數(shù)據(jù)寫入時才知道要修改，造成被動GC典型不支持Trim的情況：OS，Driver，RAIDSSD工作原理NANDFlash垃圾回收沒有Trim會造成何種結(jié)果？沒有Trim情況下GC完成的結(jié)果：基本等于Copy了一遍，僅有少數(shù)Page空出來。效率低下。SSD工作原理NANDFlash垃圾回收沒有Trim會造成何種結(jié)果？沒有Trim情況下GC完成的結(jié)果：基本等于Copy了一遍，僅有少數(shù)Page空出來。效率低下。SSD工作原理

主動GC/被動GC垃圾回收分為閑置垃圾回收和被動垃圾回收主動GC：主控Idle時GC被動GC：寫滿之后沒空間可寫，則先GC，再寫入主動GC會增加寫入放大性能與壽命平衡？寫入放大（WriteAmplification）：主控寫入NAND的數(shù)據(jù)量大于Host寫入主控的數(shù)據(jù)量。寫入放大越小越好，越小則SSD壽命越長理論上WA不可能小于1（SandForce使用壓縮技術(shù)除外）SSD工作原理

寫入放大閃存運作特性，寫入最小單位是頁，而擦除最小單位是塊SSD工作原理

寫入放大P/ECycle：Program/EraseCycle

指每個Block可以被擦除的次數(shù)多少3xnmMLC:5000次2xnmMLC:2000~3000次SLC：10萬次SSD工作原理

寫入放大單次操作的例子：比如我要寫入一個4KB的數(shù)據(jù)，最壞的情況就是，一個塊里已經(jīng)沒有干凈空間了，但是有無效數(shù)據(jù)可以擦除，所以主控就把所有的數(shù)據(jù)讀出來，擦除塊，再加上這個4KB新數(shù)據(jù)寫回去，這個操作帶來的寫入放大就是:我實際寫4K的數(shù)據(jù)，造成了整個塊（512KB）的寫入操作，那就是128倍放大。同時帶來了原本只需要簡單的寫4KB的操作變成讀取(512KB)，擦(512KB)，改寫(512KB)，造成了延遲大大增加，速度慢是自然了。SSD工作原理

寫入放大SSD工作原理

碎片分布與寫入性能SSD1剩余空間零散SSD2剩余空間連續(xù)先進行GC，后進行寫入隨機寫入造成被動GC次數(shù)多，速度慢擦出后直接寫入順序?qū)懭朐斐杀粍覩C次數(shù)少，速度快SSD工作原理OP與性能OP空間增大提高了被動GC的效率企業(yè)級SSDOP空間大OP大小解釋了不同SSD產(chǎn)品容量的區(qū)別2^n型：64/128/2567%OPSF型：60/120/24015%OP硬盤型：100/200/40037%OP沒有Trim情況下，OP重要（RAID）OP不能改善最高性能，但能明顯改善最差性能SSD工作原理WearLeveling所有的SSD都必須設(shè)計WearLeveling，以防P/ECycle耗盡集中寫入到某一區(qū)域LBA的數(shù)據(jù)平均分布在NAND上過度的平均會影響性能SSD工作原理

性能曲線SSD性能曲線：越用越慢SSD工作原理

分區(qū)與對其4KSector與SSD都需要分區(qū)對其文件系統(tǒng)的Sector大小為512B硬盤物理Sector大小為512B4KSector硬盤Sector大小為4KSSDPageSize為4K或8K，Block為128K～1M傳統(tǒng)的分區(qū)偏移尺寸一直是從磁盤的第63個扇區(qū)（63X512B=31.5KB）開始，因此第一個用戶數(shù)據(jù)的前4KB，都肯定是存放在系統(tǒng)"邏輯扇區(qū)"的31.5KB~35.5KB之間，在SSD上，這樣就會導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)都橫跨在2個頁之間，從上面SSD的特性可以知道，這種情況必然導(dǎo)致SSD的性能受嚴(yán)重影響（特別是隨機性能），因為每次的寫入操作在SSD上都變成了讀-擦-寫操作。SSD工作原理

分區(qū)與對其31K-BAD表示分區(qū)不對齊4K隨機寫4.72MB/sSSD工作原理

分區(qū)與對其1024K-OK表示分區(qū)對齊4K隨機寫44.30MB/s只要顯示OK即代表對齊使用WindowsServer2008及以上OS或Win7分區(qū)，即可對齊。SSD工作原理SMART每個SSD都支持SMARTSMART在SSD測試和使用過程中有重要意義不同廠商的SSD，SMART信息差距很大SMART信息豐富程度由Firmware決定SSD工作原理SecureEraseSecureErase可完全恢復(fù)SSD寫入性能SecureErase將所有的Block擦除擦除后硬盤等同于出場的Clear狀態(tài)SecureErase將所有Cell的P/ECycle+1SecureErase只針對測試有效，對實際應(yīng)用無效果Trim開啟情況下，全盤格式化也可恢復(fù)性能使用Windows下的廠商提供工具或Linux下使用HDParm進行SSD工作原理

內(nèi)容補充SSD工作原理

內(nèi)容補充SSD工作原理

內(nèi)容補充SSD工作原理

總結(jié)SSD工作原理

總結(jié)目錄SSD特性介紹SSD工作原理SSD市場格局SSD測試方案與方法針對客戶應(yīng)用進行調(diào)整SSD市場格局SSD=Controller+NAND+FirmwareController：SSD市場格局SSD=Controller+NAND+FirmwareNANDFlash：Firmware：In-house/ReferenceCodeIn-House：Intel，Lite-On，Samsung，Micron……ReferenceCode：allSandForcebased,JMicronbasedSSD市場格局諸侯割據(jù)

群雄逐鹿所謂“原廠”：所謂“模組廠”：50個以上品牌SSD市場格局價格分布SATA消費級SATA，MLC1～2$/GBSATA企業(yè)級SATA，MLC1.5～3$/GBSAS企業(yè)級SAS，SLC/MLCSLC10～20$/GB/MLC4～7$/GBPCI-E企業(yè)級PCI-E，SLC/MLCSLC10～20$/GB/MLC4～7$/GB模組廠+原廠模組廠+原廠傳統(tǒng)硬盤廠諸侯割據(jù)SSD市場格局國內(nèi)外廠商的差距國外廠商國內(nèi)廠商5家原廠均為國外廠商大量存在的模組廠存在有研發(fā)能力的模組廠基本無任何研發(fā)能力，純粹的模組廠個別廠商開始投入研發(fā)：華賽、記憶個別廠商在其他功能上進行投入：源科-自毀+加密SSD市場格局MNCServer廠商策略NMC國內(nèi)支持產(chǎn)品線齊全（量大支撐）

SATA，SAS，PCI-E/MLC，SLC都全面支持使用Intel作為服務(wù)器配件的不多大量采購造就成本優(yōu)勢支持產(chǎn)品線不全且無力維持（量小不值得）Intel對客戶洗腦嚴(yán)重，加上品牌優(yōu)勢導(dǎo)致用戶只認(rèn)可Intel自身技術(shù)水平差：無法推薦合適產(chǎn)品+測不出問題目錄SSD特性介紹SSD工作原理SSD市場格局SSD測試方案與方法針對客戶應(yīng)用進行調(diào)整SSD測試方案與方法SSD測好不容易性能測試兼容性測試穩(wěn)定性測試壽命評估可靠性測試測試工具IOMeterHD-TachHD-TuneCrystalDiskBenchmarkCrystalDiskInfoASSSDBenchmarkVendorSSDToolboxHDParmSSD測試方案與方法測試關(guān)注點寫入性能跌落曲線QD對讀寫性能的影響GC效率WearLeveling效果OP大小對性能的影響Trim影響（無文件系統(tǒng)時無Trim）SMART支持情況無掉電保護時非正常掉電的影響CPU占用率（PCI-ESSD，尤其是HostFTL的情況，如Fusion）壽命測試使用的寫入應(yīng)用模型FPGA/ASIC架構(gòu)PCI-ESSD平臺兼容性（LinkSpeed，ASPM等）SSD診斷方法SMART是SSD診斷中最有效的診斷方法壽命性能冗余空間SSD廠商一般會提供To