固態(tài)硬盤SSD讀寫變慢的根源在哪里？

2022-12-01 05:48:00來源：存儲隨筆

(資料圖片)

在剖析讀寫延遲的來源之前，我們還是先來回顧一下固態(tài)硬盤的架構。從下圖可以清晰的了解到，固態(tài)硬盤主要由主控，DRAM緩存以及NAND閃存構成。主控負責的任務主要是Wear Leveling, Garbage Collection(垃圾回收), Bad Block Management(壞塊管理), ECC糾錯等. 同時，在主控中，與主機對接的是Host interface，Host與固態(tài)硬盤的之間的通信協(xié)議可以是PCIe，SAS或者SATA等，和NAND閃存對接的是NAND controller.

了解了固態(tài)硬盤的結構之后，我們需要再認識一下主機和固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)通信的邏輯關系。從主機的角度來看，對固態(tài)硬盤進行的操作均是邏輯上的讀寫內容。而從NAND閃存的角度講，主機要求的邏輯上的讀寫，實際到NAND閃存后，變成了物理上的讀，寫，擦除等執(zhí)行操作。

我們知道，固態(tài)硬盤的好壞以及用戶體驗集中歸因于帶寬，IOPS，延遲，一致性等。其中，固態(tài)硬盤的延遲，大部分原因在于NAND閃存的讀寫延遲造成的。

垃圾回收是固態(tài)硬盤延長壽命，減少讀寫次數(shù)的手段。在垃圾回收過程中，會增加數(shù)據(jù)的搬遷，擦除等操作，所以垃圾回收也會帶來一定程度的寫入延遲。不過，這個寫入延遲并不是直接的，而是由DRAM等造成的間接延遲。

從上圖，我們可以看到，在4KB隨機寫，隊列深度QD=1的情況下，有些固態(tài)硬盤的寫入延遲超過了200ms。雖然這200ms并不能讓我們有深刻的感覺，但對于高性能系統(tǒng)而言，這個200ms是災難性的。

如果說，寫入延遲是垃圾回收間接造成的，那么讀取延遲則是垃圾回收帶來的直接惡果。因為，在垃圾回收啟動之后，固態(tài)硬盤的主控將需要做垃圾回收的區(qū)塊中的數(shù)據(jù)搬遷到spare區(qū)域，然后在數(shù)據(jù)搬遷完成后再擦除整個區(qū)塊的內容。這個過程影響了固態(tài)硬盤的讀取速度。這也是當我們的固態(tài)硬盤在寫入一段時間之后，性能會變慢的原因，因為內部啟動了垃圾回收的步驟。

從上圖，可以看到，在4KB隨機寫，隊列深度QD=1的情況下，有些固態(tài)硬盤的讀取延遲超過了35ms。

如果對NAND閃存先發(fā)了一個read block1 page2的命令，之后接著再發(fā)個erase Block0的命令，這個時候，讀取延遲會因為后面的erase操作增大了延遲了，此時延遲的大小基本等于NAND讀取時間tR加上塊擦除時間tErase.

同樣，如果對NAND閃存先發(fā)了一個read block2 page3的命令，之后接著再發(fā)個program Block0 page1的命令，這個時候，讀取延遲會因為后面的program操作增大了延遲了，此時延遲的大小基本等于NAND讀取時間tR加上后面program的時間tPROG.

關鍵詞：固態(tài)硬盤 nand