企业和消费级SSD Firmware（固件）的区别

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这篇文章讲了OCZ的企业级和消费级SSD Firmware设计关键不同点。

基础知识

几点区别：

1. 接口。消费级基本都用SATA，而企业级使用PCIe、NVMe、SAS。
   
2. 侧重点。
   
3. 消费级：成本>容量>性能>数据完整性
   
4. 企业级：数据完整性>性能>容量>成本
   
5. 企业级容许更多的冗余数据。可以用来备份和容灾。
   
6. 企业级需要持久稳定的性能，更长的寿命，额外的空间，能够与具体应用相适应。
   
7. 消费级一般只有1到2个SSD组装，企业级需要把几个SSD组装在一起。
   
8. JEDEC组织对数据稳定性的要求，在不通电的情况下：
   

• JESD 218A规定企业级硬盘数据要在55摄氏度下每天保持24小时，40摄氏度保持3个月；
  
• 消费级在40摄氏度每天保持8小时，30摄氏度下保持一年。
  

9. 企业级重视持续大量读写时数据的稳定性，因为这种时候容易发生系统故障，内存故障和Flash Page损坏。

10. 企业级数据的不同类型：

• WORM型：写少读得多（write once read many）
  
• 不稳定的数据：例如Swap数据。
  
• 备份数据。
  

Swap的用法：Swap空间的作用可简单描述为：当系统的物理内存不够用的时候，就需要将物理内存中的一部分空间释放出来，以供当前运行的程序使用。那些被释放的空间可能来自一些很长时间没有什么操作的程序，这些被释放的空间被临时保存到Swap空间中，等到那些程序要运行时，再从Swap中恢复保存的数据到内存中。这样，系统总是在物理内存不够时，才进行Swap交换。

计算机用户会经常遇这种现象。例如，在使用Windows系统时，可以同时运行多个程序，当你切换到一个很长时间没有理会的程序时，会听到硬盘“哗哗“直响。这是因为这个程序的内存被那些频繁运行的程序给“偷走“了，放到了Swap区中。因此，一旦此程序被放置到前端，它就会从Swap区取回自己的数据，将其放进内存，然后接着运行。

SSD内各种数据保护技术

端到端数据保护

如下图，OS到HBA和存储阵列到NAND都要做有效性检查，因为操作系统驱动问题，SSD控制器软硬件故障都会导致数据出错。

数据纠错

随着NAND工艺越来越微小，氧化层也越来越薄，数据翻转的可能性增大。如下图，工艺越先进，纠错码要求越来越强，寿命（P/E次数）不断缩短。

Flash制造商在Flash Page里面会留有一定Spare Area来存放纠错码，工艺尺寸越小，Spare Area越大。

25nm MLC有450Byte Spare Area，每1K能纠错24 bit；

20nm MLC有750Byte Spare Area，每1K能纠错40 bit。

消费级使用BCH编码来纠错。

企业级开始使用LDPC编码：

1. 软信息编码；
   
2. 能够延长使用寿命，保存更长时间数据。
   
3. 用户数据与校验数据比例会不同以往；
   
4. 与信噪比和UBER有关，并不是简单的固定bit数纠错。
   

   RAID
   

   如下图，HDD使用RAID 5来保护磁盘阵列数据，每个磁盘都分布有校验数据。
   

   
   

   SSD也可以类似操作。RAID的作用是基于NAND的特殊属性，NAND中某个Page（Word Line）有可能会全部丢失，这样ECC数据也没了，只能通过别的Die上校验数据恢复。
   

   下图中校验数据分散到了每个Die的不同block中，分析一下OCZ的这种方案：
   

   为了保证大家的磨损程度一致，Block A系列都要同时写入，但是校验数据肯定最后写，所以ABCD内Die写的次序是不一样的。从写的角度来看，校验数据分散到不同die的意义不大，但是从读的角度来讲，可以把读均匀分到不同Die上，可以增加读的带宽，因为4个Die都有可能读。
   

   
   

   企业级FTL
   

   普通消费级SATA FTL架构如下图，Host命令由HIL执行，NAND命令由FIL执行。FTL的作用是把Host地址映射到NAND物理地址（使用映射表Map Table），同时还要做坏块管理BBM和损耗平衡（WL：Wear Leveling）。
   

   
   

   企业级SSD要求更短的读写延迟，但是更新SSD控制器DRAM内部的Map Table需要时间，如果一个page的地址位4Byte，那么256GB 16KB Page需要Map Table大小：
   

   (256G / 16K ) *4B = 64MB
   

   8K Page需要
   

   (256G / 8K ) *4B = 128MB
   

   为了防止掉电导致Map Table丢失，需要定期吧Map Table写入NAND，这个会造成延迟。OCZ设计了一种新的分成很多段的Map Table，段之间像链表一样，每次只要写一段到NAND就可以了。
   

   
   

   企业级其他因素：
   

• 更大的空余空间（Over provisioning），用来提高垃圾数据很多时的性能。因为每次写都会导致旧的数据作废，为了写新的数据，就得搬移有效数据，删除作废数据，腾出空间写新的。如果空余空间大，腾出空间的速度就会加快。
  
• 需要大电容或者电池来防止异常掉电。
  
• 现场Debug功能，产生更多不影响性能的内部日志，同时能够被host访问到，用于内部诊断和分析。
  

引用

1. Differences Between Consumer and Enterprise Flash Architectures

Robert Sykes, Director of Firmware, OCZ Technology

2. http://bbs.pinggu.org/thread-460622-1-1.html