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深入淺出SSD:固態存儲核心技術、原理與實戰

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內容簡介

本書是國內SSD領域的里程碑著作,由國內領先的SSD技術社區SSDFans的核心團隊撰寫。團隊成員都是SSD領域的技術專家,來自SSD、NANDFlash和存儲行業的各大公司,精通固件開發、驅動開發、硬體邏輯開發和SSD測試等技術。它從產品、技術和應用3個維度全面、詳細地講解了SSD的發展歷史、產品形態、工作原理、整體架構,以及各個功能模組的原理和使用,從SSD的前端介面協定到FTL演算法,再到後端的快閃記憶體和糾錯,本書都有涉及。



 

作者介紹

SSDFansSSDFans是由幾個固態存儲行業的技術精英于2014年創立的,他們都是博士、碩士研究生。SSDFans創立的初衷是普及固態存儲相關知識,為祖國的固態存儲事業添磚加瓦。SSDFans核心團隊,都是SSD行業技術專家,精通固件開發、驅動開發、硬體邏輯開發和SSD測試等技術。SSDFans作者團隊,20多位作者都是技術專家,來自SSD、NAND Flash和存儲行業各大公司。SSDFans是目前中國乃至世界華人圈都頗具影響力的SSD(固態硬碟)技術社區,通過微信互動等方式,建立了中國SSD產業界完善的社交網路。產品包括手機/平板/物聯網等移動設備固態存儲、消費級SSD、企業級SSD。人群包括SSD相關行業工程師、銷售、管理層、採購、用戶等。廠商有NAND Flash製造商、SSD控制器廠商、SSD製造商、各種代理商、SSD和晶元測試設備廠商、SSD外殼/電路板等配件廠商、SSD控制器晶元IP廠商、投資人、獵頭、存儲設備製造商、雲計算廠商、互聯網公司、研究所和高校存儲相關部門。在機械硬碟時代,主導權掌握在國外大公司手裡,我國的核心數據存儲在國外的設備中。在固態硬碟時代,幸運的是,很多中國公司站在了技術和產業前沿,SSDFans的目標是整合SSD產業鏈資源,推動中國固態存儲產業大發展,為振興民族存儲產業努力奮鬥!
 

目錄

讚譽
推薦序一
推薦序二
前言

第1章 SSD綜述 1
1.1 引子 1
1.2 SSD vs HDD 3
1.3 固態存儲及SSD技術發展史 6
1.4 SSD基本工作原理 11
1.5 SSD產品核心參數 13
1.5.1 基本資訊剖析 15
1.5.2 性能剖析 18
1.5.3 壽命剖析 21
1.5.4 資料可靠性剖析 23
1.5.5 功耗和其他剖析 26
1.5.6 SSD系統相容性 29
1.6 介面形態 30
1.6.1 2.5寸 32
1.6.2 M.2 32
1.6.3 BGA SSD 35
1.6.4 SDP 37
1.6.5 U.2 38
1.7 固態存儲市場 38
1.7.1 SSD正在取代HDD 38
1.7.2 SSD、HDD應用場合 39
1.7.3 SSD市場情況 39

第2章 SSD主控和全快閃記憶體陣列 41
2.1 SSD系統架構 41
2.1.1 前端 42
2.1.2 主控CPU 45
2.1.3 後端 45
2.2 SSD主控廠商 47
2.2.1 Marvell主控 47
2.2.2 三星主控 49
2.2.3 國產主控,誰主沉浮 50
2.3 案例:矽格(SiliconGo)SG9081主控 55
2.4 案例:企業級和消費級主控需求的歸一化設計 56
2.5 案例:DERA(得瑞領新)NVMe控制器TAI和NVMe SSD產品 58
2.6 全快閃記憶體陣列AFA 60
2.6.1 整體解剖 60
2.6.2 硬體架構 64
2.6.3 軟體架構 66
2.6.4 工作流程 69
2.6.5 應用場景 74
2.7 帶計算功能的固態硬碟 75

第3章 SSD存儲介質:快閃記憶體 77
3.1 快閃記憶體物理結構 77
3.1.1 快閃記憶體器件原理 77
3.1.2 SLC、MLC和TLC 78
3.1.3 快閃記憶體晶片架構 80
3.1.4 讀、寫、擦原理 83
3.1.5 三維快閃記憶體 84
3.1.6 Charge Trap型快閃記憶體 89
3.1.7 3D XPoint 91
3.2 快閃記憶體實戰指南 95
3.2.1 非同步時序 95
3.2.2 同步時序 97
3.2.3 快閃記憶體命令集 100
3.2.4 快閃記憶體定址 101
3.2.5 讀、寫、擦時序 102
3.2.6 ONFI與Toggle協議之爭 103
3.3 快閃記憶體特性 105
3.3.1 快閃記憶體存在的問題 105
3.3.2 壽命 107
3.3.3 快閃記憶體測試 109
3.3.4 MLC使用特性 110
3.3.5 讀干擾 111
3.3.6 快閃記憶體資料保存期 112
3.4 快閃記憶體資料完整性 115
3.4.1 讀錯誤來源 115
3.4.2 重讀 117
3.4.3 ECC改錯碼 118
3.4.4 RAID 119
3.4.5 數據隨機化 120

第4章 SSD核心技術:FTL 122
4.1 FTL綜述 122
4.2 映射管理 124
4.2.1 映射種類 124
4.2.2 映射基本原理 126
4.2.3 HMB 128
4.2.4 映射表刷新 130
4.3 垃圾回收 131
4.3.1 垃圾回收原理 131
4.3.2 寫放大 137
4.3.3 垃圾回收實現 140
4.3.4 垃圾回收時機 147
4.4 Trim 148
4.5 磨損平衡 150
4.6 掉電恢復 152
4.7 壞塊管理 155
4.7.1 壞塊來源 155
4.7.2 壞塊鑒別 155
4.7.3 壞塊管理策略 157
4.8 SLC cache 158
4.9 RD& DR 160
4.10 Host Based FTL 161
4.10.1 Device Based FTL的不足 162
4.10.2 Host Based FTL架構 163
4.10.3 百度的軟體定義快閃記憶體 163

第5章 PCIe介紹 166
5.1 從PCIe的速度說起 166
5.2 PCIe拓撲結構 169
5.3 PCIe分層結構 172
5.4 PCIe TLP類型 175
5.5 PCIe TLP結構 179
5.6 PCIe配置和位址空間 184
5.7 TLP的路由 189
5.8 資料連結層 197
5.9 實體層 202
5.10 PCIe Reset 205
5.11 PCIe Max Payload Size和Max Read Request Size 210
5.12 PCIe SSD熱插拔 211
5.13 SSD PCIe鏈路性能損耗分析 213

第6章 NVMe介紹 216
6.1 AHCI到NVMe 216
6.2 NVMe綜述 218
6.3 吉祥三寶:SQ、CQ和DB 223
6.4 定址雙雄:PRP和SGL 229
6.5 Trace分析 236
6.6 端到端資料保護 241
6.7 Namespace 245
6.8 NVMe over Fabrics 250

第7章 SSD測試 258
7.1 主流SSD測試軟體介紹 258
7.1.1 SSD性能測試第一神器——FIO 258
7.1.2 AS SSD Benchmark 263
7.1.3 ATTO Disk Benchmark 264
7.1.4 CrystalDiskMark 264
7.1.5 PCMark Vantage 266
7.1.6 IOMeter 266
7.2 驗證與確認 267
7.3 測試儀器 268
7.3.1 Emulator 268
7.3.2 協議分析儀 269
7.3.3 Jammer 272
7.4 回歸測試 274
7.5 DevSlp測試 275
7.6 PCIe InterOp 278
7.7 WA測試 280
7.8 耐久度測試 281
7.9 認證Certification 288
7.10 SSD Performance測試 290

第8章 SSD電源管理 294
8.1 SATA省電模式Partial和Slumber 294
8.2 SATA超級省電模式DevSlp 295
8.3 SATA終極省電模式RTD3 299
8.4 PCIe省電模式ASPM 301
8.5 PCIe其他省電模式 305
8.6 NVMe動態電源管理 306
8.7 Power Domain 310

第9章 ECC原理 312
9.1 信號和雜訊 312
9.2 通信系統模型 313
9.3 糾錯編碼的基本思想 315
9.3.1 編碼距離 315
9.3.2 線性改錯碼的基石——同位(Parity-Check) 315
9.3.3 校驗矩陣H 和生成矩陣G 316
9.4 LDPC碼原理簡介 317
9.4.1 LDPC是什麼 317
9.4.2 Tanner圖 319
9.5 LDPC 解碼 319
9.5.1 Bit-flipping 演算法 319
9.5.2 和積資訊傳播演算法 322
9.6 LDPC 編碼 327
 

Foreword 推 薦 序 一資訊存儲記錄歷史、傳承文明,是人類社會延續和發展不可或缺的重要手段。一個時代有多種存儲介質,但總有一種存儲介質是主流介質。古埃及人用的莎草紙、 早期歐洲人用的羊皮紙、中國人用的竹簡以及後來的紙張,都曾作為主流介質被廣泛使用。進入數位時代,以硬碟為核心的磁記錄介質一直是非易失性存儲的主流介 質。然而,由於快閃記憶體(Flash Memory)技術的迅猛發展,這種局面即將發生重大轉變。快閃記憶體介質在各類存儲卡、固態硬碟和全快閃記憶體陣列中大量應用,不論在終端還是在雲端,快閃記憶體已無處不 在。快閃記憶體介質中存儲的人類社會資訊總量將在不久的將來超過磁記錄介質,成為數位時代新的主流存儲介質。

固態硬碟(Solid State Disk,SSD)是以快閃記憶體介質為主的一種極為重要的存儲產品,它廣泛應用於移動終端、筆記型電腦、桌上型電腦、伺服器和資料中心等場合,需求量極大。與傳統 的機械硬碟相比,固態硬碟的性能優勢特別突出。由於取消了機械部件,旋轉和尋道的延遲完全消除,固態硬碟在讀寫速度上遠優於機械硬碟,特別是在大吞吐率的 隨機讀寫性能上有了幾個數量級的提高,在性能要求高的應用場合已成為首選。與機械硬碟相比,固態硬碟的容量和價格曾是其成為主流的障礙。但隨著快閃記憶體晶片容 量的迅速增加和成本的快速下降,固態硬碟的最大容量已超過機械硬碟,單位容量價格也日益趨近高性能機械硬碟的價格,並將在未來的幾年之中與之持平,之後將 逐步取代大容量機械硬碟。

對固態硬碟這樣一種量大面廣的重要存放裝置,無論是其設計者、生產者還是應用者,都迫切希望對其工作原理和關鍵技術有一個全面的瞭解。然而,目前關於固態 硬碟的各種知識和資料散落於各類學術論文和網上的技術介紹,市面上系統介紹固態硬碟技術的書籍並不多見。本書的出版恰逢其時,滿足了廣大讀者的需求,是一 本全面介紹固態硬碟技術的書籍。

固態硬碟一般採用NAND快閃記憶體晶片作為基本元件,對快閃記憶體晶片特性的透徹瞭解是理解固態硬碟工作原理的基礎。NAND快閃記憶體用電荷存儲資訊,其重要特點是先擦 後寫,擦寫壽命有限。隨著密度提高,引起了單元電荷數的減少及絕緣層變薄,從而使得NAND快閃記憶體的原始誤碼率不斷提高,可讀寫次數也越來越差,最新的大容 量晶片擦寫壽命不到1千次。用這樣一種高誤碼率、短壽命的晶片來構成長壽命、高性能、高可靠的固態硬碟,需要發展一系列系統層面的技術,如位址映射、磨損 均衡、垃圾回收、壞塊管理等,還需要發展新的糾錯編碼理論、演算法和實現技術來保證資料的正確性和可靠性。為了能與主機進行高性能連接與通信,需要發展與固 態介質相適應的高速介面和通信協定。上述系統層面的技術不僅需要特別設計的硬體控制器來實現,還需要底層固件的支援。固態硬碟品質的優劣,不僅反映在初期 使用的性能上,還反映在大負載長期使用後性能和可靠性的保持能力上,故需要發展與固態硬碟相適應的評測技術。上述內容都是因固態硬碟的出現而發展出來的新 技術和新知識,本書以一種深入淺出的風格系統地闡述了這些內容。
值得特別指出的是,本書作者不僅是在第一線從事固態硬碟設計、有著深厚專業知識的資深工程師,還是一群熱衷於普及固態硬碟知識的寫作高手。他們創立了 SSDFans微信群和微信公眾號,發表了大量關於固態硬碟技術和市場的文章,尤其在技術內容的闡述上形成了深入淺出、通俗幽默的寫作風格,讀來使人興趣 盎然。我就經常進入這個微信群閱讀那些十分有趣的短文,獲得了不少新的技術知識和市場訊息。
 
本書延續了SSDFans微信群的寫作風格,相信讀者在閱讀時 一定會體驗到其中的樂趣。

我國在磁記錄介質時代錯失了大力發展硬碟產業的機會,從而導致使用數量十分驚人的硬碟全部依賴進口。除了花費巨量外匯之外,資訊安全也存在著問題。我國已 意識到資訊存儲產業的極端重要性,大力發展快閃記憶體產業已成為國家意志。我國已投入鉅資建立3D快閃記憶體晶片製造基地,有望解決基礎器件的問題。為了使我國成為閃 存時代國際舞臺上的主角,建立包括晶片顆粒、控制器、固態硬碟和盤陣等環節的全產業鏈十分必要。固態硬碟不僅是量大面廣的產品,也是連接快閃記憶體上下游產業最 重要的一環。相信本書的出版能推動固態硬碟技術知識的普及,促進我國固態硬碟產業發展和應用,並在人才培養方面發揮積極作用。

快閃記憶體成為主流存儲介質的時代來臨,國際舞臺將精彩紛呈,中國一定不能缺席。

謝長生 教授華中科技大學武漢光電國家研究中心資訊存儲系統教育部重點實驗室Foreword 推 薦 序 二作為《大話存儲(終極版)》以及《大話存儲(後傳)》的作者,我有幸經歷了國內存儲行業發展的啟蒙和鼎盛時代。在2005年到2013年這8年間,存儲 市場基本就是SAN的市場,談存儲必暗指SAN。但是從2014年往後,存儲行業突然發生巨大變化,分散式系統和固態存儲介質開始呈爆發式增長。今天,談 存儲如果不談一談配以固態硬碟的分散式系統,就仿佛是上個時代的人了。
 

詳細資料

  • ISBN:9787111599791
  • 規格:平裝 / 330頁 / 16k / 24.4 x 19 x 2.4 cm / 普通級 / 單色印刷 / 1-1
  • 出版地:大陸

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