Solid State Drive (1991)

之前的持久存储介质都有致命的缺陷

  • 磁：机械部件导致 ms 级延迟
  • 坑 (光): 一旦挖坑，填坑很困难 (CD 是只读的)

密度和速度：最后还得靠电 (电路) 解决问题

  • Flash Memory “闪存”
    • Floating gate 的充电/放电实现 1-bit 信息的存储

Flash Memory: 几乎全是优点

分析

  • 价格
    • 低 (大规模集成电路，便宜)
  • 容量
    • 高 (3D 空间里每个 $(x, y, z)$ 都是一个 bit)
  • 读写速度
    • 高 (直接通过电路读写)
      • 不讲道理的特性：容量越大，速度越快 (电路级并行)
      • 快到淘汰了旧的 SATA 接口标准 (NVMe)
  • 可靠性
    • 高 (没有机械部件，随便摔)

但有一个意想不到的缺点 (大家知道是什么吗？)

USB Flash Disk (1999)

优盘容量大、速度快、相当便宜

  • 很快就取代了软盘，成为了人手 $n$ 个的存储介质
    • Compact Flash (CF, 1994)
    • USB Flash Disk (1999, “朗科”)

放电 (erase) 做不到 100% 放干净

  • 放电数千/数万次以后，就好像是 “充电” 状态了
  • Dead cell; “wear out”
    • 必须解决这个问题 SSD 才能实用

优盘和 SSD 的区别

优盘, SD 卡, SSD 都是 NAND Flash

  • 但软件/硬件系统的复杂程度不同，效率/寿命也不同
    • 典型的 SSD
      • CPU, on-chip RAM, 缓存, store buffer, 操作系统 ...
      • 寿命: ~1 PiB 数据写入 (~1,000 年寿命)
    • SD 卡
      • SDHC 标准未规定
        • 黑心商家一定会偷工减料
      • 但良心厂家依然有 ARM 芯片

一定不要用便宜的优盘保存重要数据

  • × 宝 9.9 包邮的优盘，芯片一毛钱都能省……

优盘和 SSD 的区别 (cont'd)

软件定义磁盘：每一个 SSD 里都藏了一个完整的计算机系统

  • FTL: Flash Translation Layer
    • “Wear Leveling”: 软件管理那些可能出问题的 blocks
    • 像是 managed runtime (with garbage collection)

Wear Leveling

再一次，VR 眼镜

  • Logical block address (LBA) → Physical block address (PBA)

道理简单，实现困难

  • SSD 的 Page/Block 两层结构
    • Page (读取的最小单位, e.g., 4KB)
    • Block (写入的最小单位, e.g., 4MB)
    • Read/write amplification (读/写不必要多的内容)
  • Copy on write
  • “VR 眼镜” 本身也需要更新

FTL 带来的性能、可靠性、安全性问题

大家可记得修电脑引发的血案？

  • 首先，(快速) 格式化是没用的
    • (M5 会告诉你这一点)
  • 在你理解了 FTL 之后
    • 即便格式化后写入数据 (不写满)
      • 同一个 logic block 被覆盖，physical block 依然存储了数据 (copy-on-write)
      • 需要文件系统加密

另一个 memory system 相关的安全问题

  • Row Hammer (TCAD'19)
    • 更重的负载可能会 “干扰” 临近的 DRAM Cells

SSD 的可靠性：另一个故事

什么？硬件里的软件？

  • 其实非常复杂：算法, cache; store buffer; ...

谁写出来的？那可得有 bug 啊！