SSD深度技术解析---FTL层算法对性能的影响


相信大家对美光C400/M4的最新固件提升性能，对于SandForce不同固件之间性能差距的表现还历历在目，一个固件更新竟然可以改变那么大？这到底是啥道理？本次解析我就来谈谈我自己的理解吧。

这些对性能提升或者限制的根本原因主要是对SSD内部的FTL层做了改动，那么啥是FTL层呢？这是SSD的性能表现最关键的一个层面，里面包含了无数开发技术人员的心血。

FTL层就是一个让闪存完全模拟传统硬盘操作的软件层，有了FTL层，闪存设备才能使用，FTL层的效率直接影响设备的性能表现。

FTL层起到的作用主要有下面几部分：

1.

性能的表现：

A. 逻辑和物理地址的映射 （Mapping）

B. 垃圾回收的处理。 （GC）

C. 增量空间的供给。

（OP）

D. 冷/热数据的交换处理。

E. Plane,芯片,通道间的并行处理。

F. 任务请求的排序。

G.

缓冲区的管理。

等等。。。。

2. 稳定性的表现：

A. 坏块的管理。

B. 磨损平衡的处理。

C.

掉电恢复的处理。

D. ECC的处理。

等等。。。。

3. 其他功能的表现：

A. 加密的处理。

B.

压缩的处理。

C.

重复数据删除的处理。

等等。。。。

------------------分析FTL层的影响------------------------

我们来看下Barefoot-ECO主控搭配34nm的Intel

MLC颗粒在原版固件下的性能。

Barefoot主控制器的参数：

▪ ARM7TDMI-S

▪ 96KB SRAM

▪ SATA

2.0 (3Gbps)

▪ Mobile SDRAM 64MB

▪ NAND flash 8/12/16-bit BCH ECC per

sector

▪ SDRAM 2-byte RS ECC per 128 +4 bytes

▪ Maximum 64CE’s (4

channels, 8 banks/ch)

▪ System bus running up to

175MHz

SSD主控制器是4通道16bit的，所以内部拓扑图如下：

由于一个Bank是16bit的，但是使用的闪存是8bit的接口，所以用2颗闪存并联，分别处理高8bit和低8bit。

Barefoot在FTL层里重新定义了一个虚拟Page尺寸=颗粒物理Page尺寸

X 2(16bit并联）X 2Plane（单颗粒2plane），34nm

MLC的Page为4KB，所以这里虚拟Page尺寸为16KB。

上面是采用这个主控的SSD的测试图，颗粒由128GB的Intel

34nm MLC组成，如果看随机4KB的速度话，9.63MB/s，我们来计算下。

Intel L63B颗粒参数：（34nm

MLC）

Multilevel cell (MLC) technology

— Page size: 4,320 bytes (4,096 +

224 bytes)

— Block size: 256 pages (1,024K + 56K bytes)

— Plane size:

2,048 blocks

— Random read: 50 μs

— Sequential read: 20 ns

— Page

program: 900 μs (TYP)

— Block erase: 2 ms

(TYP)

内部操作是这样的，16KB拆分成4个4KB，分别写入一个通道的颗粒A(高8bit)和颗粒B（低8bit），然后每个颗粒里有2个Plane(T1代表Plane

1，T2代表Plane 2）

时间消耗计算： 颗粒A（T1）约等于 4320 X 20ns = 86.4μs . 颗粒A（T2）约等于 4320

X20ns = 86.4μs 颗粒B（T1）约等于 4320 X 20ns = 86.4μs . 颗粒B（T2）约等于 4320 X20ns =

86.4μs

总时间消耗（16KB编程总时间）：   约等于 (86.4μs X 4) + 900μs = 1.245ms。

IOPS计算：1秒/1.245ms 约等于 800IOPS， 800IOPS X 16KB = 12.8MB/s ，

去掉主控指令，数据包，ECC，主机接口延迟等等开销（20%），最后得到接近10MB/s的随机4KB性能。

如果我们把颗粒换成SLC的话，因为SLC的编程时间比MLC颗粒短了3倍以上，因此采用这个算法的主控随机4KB速度也会提高约3倍。下面这个就是SLC的颗粒跑的成绩。

如果我们改动下FTL层的算法，把指令集中起来发送到全部4个通道会如何？

理论上来说这样做之后，随机4KB性能可以提高接近4倍，实际表现会如何？

这么的改动后，128GB

MLC的颗粒已经可以达到甚至超过之前FTL算法搭配SLC的性能。

很惊讶吧，即使完全相同的硬件，不同的FTL就可以造成那么大的差距，所以说FTL层影响SSD的性能发挥一点不过分。

这也很好的解释了即使Intel

510和美光C400使用的主控相同，但是由于固件内部FTL层的代码不同造成了完全2种类型的性能表现。

本文总结：以当前工艺来说，一个闪存芯片的速度（MLC

Die），一般来说最大只有持续读取150MB/s附近，持续写入速度也不会超过50MB/s（同步模式或者DDR模式）。如果SSD在读写持续文件时，只使用1个通道内的1个闪存芯片来读写的话，那么大家会见到SATA

6G接口的持续只有150MB/s和50MB/s的SSD。可想而知，SSD的操作是靠着把一个大文件拆分，经过主控制器的各个通道，分别写入通道下的所有闪存内，来达到高速度的道理。上文中，虚拟Page起到的主要就是合并拆分的作用，但这个定义并不适用所有的SSD控制器FTL层的操作方式，FTL层是各家主控固件的机密，做法各异。
【转自】http://bbs.pceva.com.cn/archiver/tid-26362.html?page=1