一些flash memory/SSD的基础知识

本文出自：http://blog.csdn.net/historyasamirror/archive/2011/05/12/6416002.aspx

在前东家的时候，一直很想去尝试一下flash/SSD，可惜由于各种原因到今天也没有实现。SSD在今天越来越流行，业内的很多公司都开始尝试使用，甚至作为主要的存储媒介，从Research的角度讲，SSD更是一个重磅炸 弹，因为它颠覆了原有hard disk的一些基本假设，所以，理论上讲，原先基于hard disk的那些理论和实验都可以在SSD重新实现一回（这又能造就多少paper啊 ...）。
这两天有些空闲，找了几篇相关的论文科普了一遍，算是打些基础，希望将来有机会动手尝试。以下就是一些读书笔记，纯粹纸上谈兵。
PS：以下所提及的flash/SSD，都特指NAND flash，也是现在最常见的flash。

关于SSD的硬件原理不是这里讨论的重点（毕竟咱是软件开发人员）。唯一一点我觉着需要提及的是SSD不是hard disk这种机电式的硬件，而是电子芯片（microchip）。所以，使用hard disk最耗时间的seek time在SSD中基本上不存在。这个特性在后面会更详细的讨论。

在传统的计算机存储架构中，分了这样的几个层级：
    CPU cache
    main memory (RAM)
    hard disk
它们的IO性能自上而下递减，当然它们的造价也是自上而下的递减，但是，容量却是自上而下的递增。
在本文中，不考虑CPU cache，从main memory和hard disk 说起。这里挑选最重要的一个性能指标-latency，main memory的latency一般在100ns左右(实际中很多是几十ns)，而hard disk读写一次的latency大概是10ms。（这里的100ns和10ms都不是精确数据，只表示大概的数量级，另外，hard disk的latency不考虑disk自带的buffer的影响）。
SSD一般认为是介于main memory与hard disk之间的一种存储介质：
    main memory (RAM)
    flash / SSD
    hard disk
它的latency大概是100us左右（这个值只是一般情况）。和main memory，hard disk比较：
    Disk = 100 * flash;
    flash = 1000 * memory;
    Disk = 100 * flash = 100 * 1000 memory;
所以，对于flash/SSD，一个最直观的概念，它比Disk要快上100倍。 当然，它也同样能够提供persistent storage。

有了这个直观的概念，我们再更详细的比较一下hard disk和SSD的差异：
读： 
随机读：
正如前面所述，hard disk会有一个非常讨厌的seek time，它一般需要几个ms，所以hard disk 的一次随机读被拖累到需要10ms；而SSD的random read的性能非常之棒，在100us左右。因此，在随机读的情况下，SSD要比hard disk快100倍。
顺序读：
顺序读的场景是一次读入连续的数据块，比如连续读1M的数据。这种情况两者的比较就麻烦了。hard disk的一次顺序读只需要消耗一次seek time，因此它的整体latency会大大降低；而对于SSD来说，它的顺序读和随机读是一样的，比如顺序读16K数据就相当于随机读2K*8次，和hard disk相比，优势就小多了。我手里有个数据，flash读取256KB的page，花费3.98ms，而hard disk也只需要12.85ms，差异远不到100倍。

写： 
写当然也包括了随机写和顺序写。对于hard disk来说，它的写行为和读是类似的，所以，hard disk的读和写的latency非常的接近，都是大概10ms+。
至于SSD，它的读和写就有很大差异了。首先，random write的latency要比random read的大一倍，比如random read的latency是100us的话，那么random write的latency就大概是200us了。这主要是由于SSD的硬件特性决定的。当然，虽然latency大了近一倍，但是和hard disk的random write相比，还是快很多的。
其次，顺序写的情况下，SSD也面临着和顺序读一样的问题，即它不会因为顺序的操作方式而获得额外的好处，因为，和hard disk相比，它的优势会缩小；
最后，也是最有意思的一点，over-write（覆盖写） 的情况。对于hard disk而言，覆盖写和普通的写没有区别；但是在SSD中，不存在严格意义的over-write，也就是说，SSD是不允许直接向一块已经写入数据的区域再写入数据。如果要达到over-write的效果，必须首先执行一次erase操作，将数据块的原有数据进行擦除，然后再写入新的数据。而一次erase操作，大概耗时1.5ms。这就完了吗？不，还有更惨的。比如over-write一个2K的数据，但是，一次erase操作所执行的区域（称为erase unit）可能是128K，所以，为了写入这个2K的数据，需要擦除128K的数据，再将这些数据和新的2K数据写回到SSD上。整个过程有可能导致这次write操作比在hard disk上执行还慢。

分析过后，我们可以归纳，SSD在random read的时候比hard disk快两个数量级，在执行顺序读写的时候也会比hard disk好一些，最恐怖的是出现了over-write，这种情况下SSD有可能比hard disk性能还差。

接下来，简单的回答一个有趣的问题：到底应该怎样使用SSD呢？

一种简单的做法，就是将SSD作为hard disk的替代品，抛弃hard disk，完全用SSD作为数据的持久化介质。这样做当然没什么问题，而且，基本上所有的SSD对外的接口都是block device - 和hard disk一样。所以，操作SSD和操作hard disk从操作系统上看来接口没区别。唯一可能要考虑的，就是SSD较高的出错率。这是个麻烦。

另外的更复杂的做法，就是将SSD当成memory和hard disk之间的一种新的介质，三者同时存在。这种情况下，或者将SSD作为memory的一个扩展的buffer pool，或者作为disk之外的一个persistent storage的扩展。应该选哪个呢？

文献【1】给出了答案。整个论证过程比较复杂，就不多说，直接看paper好了。简单来说，不同的系统用法不一样。File System中，文件往往是一块很大的字节流，对于文件的操作往往是将整个文件读入到内存中。一般在disk上要分配多个连续的block以存储一个文件。在这种情况下，更适合将flash当成是memory的扩展。因为当把文件都读入到flash（相当于内存）中进行操作时，一旦系统崩溃，flash中的正在修改的文件能够被写回到disk上。但是，对于Database system，flash更适用于做成disk的扩展。具体原因见paper吧。

【1】The five-minute rule twenty years later,and how flash memory changes the rules