软硬件融合技术内幕 终极篇 (11) —— 数据持久化的秘密 (中)

在上期，我们讲到，SSD的擦除，是以块(block)为单位进行的，每次将擦除若干个页(page)的内容。如果我们需要改写一个页(page)，有两种实现方法：

第一种实现方法是，读出这个页所在的块所有的内容到内存缓冲区，在内存缓冲区中改写这个页，然后将这个块的内容写入SSD盘。也就是会面对写放大的问题；

如图，SSD的组织方式为Block-Page-Byte三级：

假设要改写这里：

先将整个Block读入到内存缓冲区，擦除整个Block：

然后写入整个Block：

用生活中的例子类比，可以类比为已经打印好的标书中有一个错别字，将这页重新打印替换原来的错误页。

另一种方式实现方法是，如果SSD盘上还有未被写过的页(也就是内容为全1的页)，那么在将要改写的内容写到未被分配的页，并让SSD控制器重新将该页的LBA(Logic Block Address)映射到新写入的页。

如图：

同时，为了使得删除了部分数据的SSD盘，能够把多个分散的空闲页合并为空闲块，SSD控制器会定期扫描全盘，做数据搬移和归并动作；(类似机械硬盘的硬盘碎片整理)

如图：

空闲块散落在各个Block。

SSD控制器将这些空闲块收集起来，进行“关停并转”：

为什么要对空闲块进行收集呢？

原来，操作系统在删除文件的时候，并不真的擦除文件所在的存储空间的内容，而是在文件系统的索引上做一个删除标记。如DOS系统仅仅是把目录中文件名的第一个字符改成“#”符号而已。这样，在SSD中，这个page虽然被标记为数据已删除，但内容并未被擦除，也就是并非全1，是不可以对内写入的。

因此，SSD控制器引入了垃圾收集(GC)机制，采用一定的算法，在后台搬运数据，以腾挪出整个空闲的block来，进行擦除后设定为可分配状态，尽量增加空闲的block和page，以避免写放大的发生，提升写入性能。

我们知道，SSD盘的最常见应用场景就是数据库。以MySQL为例，每次数据库写入(Transcation)，除了写入数据行的对应字段外，还涉及对B+树的改写。因此，如果期望MySQL数据库的写性能达到3万TPS，其磁盘随机IO性能就需要达到20万IOPS以上。实际上，在NVMe SSD中，单盘的随机写性能峰值可达50万IOPS。

我们注意到，由于写入是随机的，如果我们期望每次写入都能够直接写空闲page，而不产生写放大，那么，就需要SSD控制器迅速地完成GC工作。但是，如果SSD控制器需要每秒产生50万个空闲块，也就是需要在2000ns内完成一个空闲块的搬运，这实际上也是非常困难的。

因此，工程师们想到了，让控制器在写入的时候，利用预留的空闲空间——OP空间。

OP是Over Provisioning的缩写。它是干什么用的呢？

我们回忆一下上期学过的：

SSD的存储单元由特殊工艺制作的浮栅场效应管构成。这个东西是有寿命的。如开启次数较多后，其电阻会下降，导致存储单元缓慢漏电。对于SLC SSD，只要漏电后的电压差不达到1/2的工作电压，就不影响数据的读出，而对于TLC和QLC SSD，要求漏电后的电压差在1/8和1/16工作电压范围内。因此，QLC的寿命最短，而SLC的寿命最长。

SSD有另一个重要的指标：DWPD(Drive Writes Per Day)。这个指标指的是在预期寿命内可每日完整写入SSD固态硬盘所有容量的次数。举一个例子：

某块SSD盘容量为6.4TB，其DWPD为3 DWPD*5年，指的是5年内，可以每天把全盘的容量写入3次，也就是每天写入19.2TB的数据。那么，在5年中，每个浮栅场效应管需要承受(365*5+2)*3 (考虑到5年中必然有2个闰年)=5481次写入。

而SSD存储单元(浮栅场效应管)的寿命服从泊松分布，也就是写入的次数越多，其故障概率越高。那么，如果某一个Page出现了一个浮栅场效应管损坏，是不是这个Page都标注为损坏呢？

如果这么做，那么SSD的寿命就太短了。实际上，SSD的设计者会在每个Page内预留一部分存储单元，有少量存储单元损坏的时候，预留的存储单元可以代替其功能。

类似地，在整颗芯片中，也有一定的预留空间，这就是所谓的OP空间。OP空间可以用来顶替损坏的块，从而实现SSD盘的寿命延长。

那么，OP空间是如何用于提升SSD盘的读写性能的呢？

请看下期分解。