企业和消费级SSD Firmware（固件）的区别

Allevi

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：

• 接口。消费级基本都用SATA，而企业级使用PCIe、NVMe、SAS。
• 侧重点。
• 消费级：成本>容量>性能>数据完整性
• 企业级：数据完整性>性能>容量>成本   
• 企业级容许更多的冗余数据。可以用来备份和容灾。
• 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。
• 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。
• 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。
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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FlashPage损坏。

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10. 企业级数据的不同类型：

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

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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。

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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

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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。

25nmMLC有450Byte SpareArea，每1K能纠错24 bit；

20nmMLC有750Byte SpareArea，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：

• 软信息编码；
• 能够延长使用寿命，保存更长时间数据。
• 用户数据与校验数据比例会不同以往；
• 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：

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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

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8K Page需要

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

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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（Overprovisioning），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。
  

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