软硬件融合技术内幕 终极篇 (12) —— 数据持久化的秘密 (下)

在上期，我们提到，SSD盘的标称容量实际上是小于出厂容量的。这一部分相差的空间被称为OP空间。OP空间的一个用途是，当SSD存储芯片中一部分单元在多次写入后，出现磨损的现象，也就是SSD芯片中的浮栅场效应管失效，则使用OP空间的页代替故障存储单元所在的页。较新的SSD控制器甚至会监控每个页的写入次数，避免一个页故障导致整个Block失效的现象发生。

一般地，SSD盘的出场容量(以GB计)，是2的整数次方，如1024GB，2048GB，4096GB...

而对计算机硬件熟悉的读者会发现，市场上常见企业级SSD盘的规格有两个系列：

一个系列为960GB，1920GB，3840GB... 特点是容量数值为2的整数次方减少6.25%；

另一个系列为800GB，1600GB，3200GB... 特点是容量数值为2的整数次方减少21%；

而这两种规格的DWPD(衡量写寿命的参数)一种为1，另一种为3。实际上，后者和前者是同样的硬件物料，只是调整了出场时的OP值。它们的对应关系如下表：

可见，当OP空间增加的时候，SSD的寿命也出现了显著的提升。

OP空间的另一个用途是提升随机写入的性能。在上期中，我们阐明了，SSD存在所谓的“写放大”现象，也就是说，在整盘找不到完全空闲的block的情况下，任意的写入操作，都会造成将一个page的写入量放大至一个block。

在这种时候，OP空间就派上用场了。由于OP空间是SSD控制器内部保留，对外不可见的空间，在这个时候，就可以提供完全空闲的block。对于随机的写请求，SSD控制器会将写请求重定向到OP空间中空闲的block，如下图所示：

图中，黑色色块代表随机写的目标page。由于这些page所在的block被占用了，整盘中也没有其他可用的空闲block，SSD控制器为避免写放大的发生，会将对这些page的写入重定向到OP空间中，同时在FTL(Flash Translation Layer，逻辑page地址和物理page地址的对应表)中修改之。

与此同时，SSD控制器会对这些被OP空间替换掉的page进行GC(垃圾收集，Garbage Collection)，将其他block的数据拆散，填充到这些page中，从而腾出空闲的block并归还回OP空间。

我们可以用类似“华容道”游戏来类比这一过程：

(DOS版本的Visual Foxpro 2.6中有这个游戏，玩过的都暴露年龄了)

如图，4*4的框架中，有15个方块(类比为用户可见的空间)和一个空位(类比为OP空间)，玩家可以利用这个空位进行辗转腾挪来调整各个方块的位置。显然，由于只有一个空位，这个游戏的难度是很高的。

那么，如果抠掉一些方块，如下图：

图中有了4个空格，显然，想利用空格调整其他方块的位置变得容易了很多。这就是增加OP空间提升SSD写性能的基本原理。

实际上，在SSD出厂以后，依然可以重新调整OP空间。让我们举一个实际的例子：分布式存储使用SSD作为机械盘的缓存实现性能的提升。由于几乎所有的数据写入的时候都先会被写到SSD，因此，一般要求SSD的DWPD = 3。但由于应用场景和需求的原因，实际上，市场上DWPD = 1的SSD供应情况更佳。那么，如果由于供应情况的原因，在构建分布式存储集群的时候，购买了DWPD = 1的NVMe SSD，如3.84TB，7.68TB等规格，我们就可以在SSD出场后，使用Crucial Storage Executive一类的工具重新设定OP，如将可用容量改为3.2TB，6.4TB等规格，就可以使得SSD符合分布式存储缓存的DWPD标准了。

但是，即使可以使用OP空间避免写放大，提升SSD随机写性能，QLC/TLC的写入性能依然低于SLC。

我们反复多次提到过一种存储子系统设计的思想：使用少量成本高，性能高的存储器，作为大量成本/性能低的存储器的缓存。同样地，我们也可以使用SLC作为QLC/TLC的缓存。

一方面，SLC的寿命较长，擦写次数可达10万次，不容易由于反复擦写而失效，另一方面，SLC的写入性能又显著高于QLC和TLC。因此，目前市面上主流的SSD中，会利用SLC作为缓存层，QLC/TLC作为容量存储，以取得成本和性能的平衡。

在下期，我们还会为大家带来更有趣的计算机硬件知识。大家不要错过呀!