第三章 磁盘大挪移——磁盘原理与技术 详解

损坏的Cell将拖累这个Cell所在的整个Page被标记为损坏，因为SSD寻址和IO的最小单位为Page。损坏的Page对应的逻辑地址将被重定向映射到其他完好的预留Page，SSD将这些重定向表保存在ROM中，每次加电均被载入RAM以供随时查询。

    MLC由于器件复杂，其可擦写的寿命比较低，小于10000次。而SLC则高一些，十倍于MLC，小于100000次。这个值是很惊人的，对于某些场合下，有可能一天就可以废掉一大堆Cell/Page，几个月之内当预留Page都被耗尽后，就会废掉整个SSD。这是绝对不能接受的。

写惩罚会大大加速Wear Off，因为写惩罚做了很多无用功，增加了不必要的擦写，这无疑使本来就很严峻的形势雪上加霜。但是对于读操作，理论上每个Cell可以承受高数量级的次数而不会损耗，所以对于读来说，无须担心。

3.10.5  SSD给自己开的五剂良药，药到是否病除

    面对病入膏肓的SSD写入流程设计，是不是无可救药呢？好在SSD开出了五个药方。

    1. 药方1：透支体力，拆东墙补西墙

    为了避免同一个Cell被高频率擦写，SSD有这样一个办法：每次针对某个或者某段逻辑LBA地址的写都写到SSD中的Free Space中，即上一次全盘Erase后从未被写过的Block/Page中，这些Free Space已经被放电，直接写入即可，无须再做Copy On Write的操作了。如果再次遇到针对这个或者这段LBA地址的写操作，那么SSD会再次将待写入的数据重定向写到Free Space中，而将之前这个逻辑地址占用的Page标记为“Garbage”，可以回收再利用。等到Block中一定比例（大部分）的Page都被标记为“Garbage”时，并且存在大批满足条件的Block，SSD会批量回收这些Block，即执行Copy On Write过程，将尚未被标记为“Garbage”的Page复制到RAM Buffer，将所有Page汇集到一起，然后写入一个新Erase的Block，再将所有待回收的Block进行Erase操作，变成了Free Space。SSD这样做就是为了将写操作平衡到所有可能的Block中，降低单位时间内每个Block的擦写次数，从而延长Cell的寿命。

    重定向写的设计可谓是一箭双雕，既解决了Wear Off过快问题，又解决了大倍数写惩罚问题（因为每次写都尽量重定向到Free Space中，无须CoW）。但是，正如上文所述，SSD自己认为的纯Free Space只会越来越少，那么重定向写的几率也就会越来越少，最后降至0，此时大倍数写惩罚无可避免。

    由于Page的逻辑地址对应的物理地址是不断被重定向的，所以SSD内部需要维护一个地址映射表。可以看到这种设计是比较复杂的，需要SSD上的CPU具有一定的能力运行对应的算法程序。这种避免Wear Off过快的重定向算法称为Wear Leveling，即损耗平衡算法。

    Wear Leveling的实现方法随不同厂商而不同，有些以一块大区域为一个平衡范围，有些则完全顺序地写完整个SSD的Free空间，然后再回来顺序地写完整个被回收的Free空间，无限循环直到Free空间为0为止。传统机械硬盘中，逻辑上连续LBA地址同样也是大范围物理连续的，但是对于SSD，逻辑和物理的映射随着使用时间的增长而越来越乱，好在SSD不需要机械寻址，映射关系乱只会影响CPU计算出结果的时间而不会影响数据IO的速度，而CPU运算所耗费的时间与数据IO的时间相比可以忽略不计，所以映射关系再怎么乱也不会对IO的性能有多少影响。