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：光速运行的电路才是终极解决方案

• Flash Memory “闪存”
• 如何在电路中持久 1-bit？
  • 挖个坑
  • 把电子填进去 = 一个状态
  • 把电子放跑 = 另一个状态

1-Bit Flash Memory

Flash Memory: 几乎全是优点

极为离谱的优点：电路的大规模并行

• 容量越大，速度越快，快到 SATA 接口根本无法承受

但有一个意想不到的致命缺点

• 和上面的电路有关

Wear Out

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”

有没有感觉有点害怕？

• 我竟然还在用优盘给大家上课？
• 很多文件应该写了上千次了？

USB Flash Disk (1999)

USB Flash Disk (cont'd)

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”)
• “可移动” 特性
  • 存储个人文档
  • 内容 (系统) 分发

Flash Disk 与 NAND Flash

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

• PDD .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：SSD 里藏了一个完整的计算机系统

• FTL: Flash Translation Layer
  • “Wear Leveling”: 用软件使写入变得 “均匀”
  • 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
  • Coding for SSDs

FTL 带来的性能、可靠性、安全性问题

曾经：修电脑引发的血案？

• (快速) 格式化是没用的
  • mmap.mmap(fd, prot=PROT_READ, length=2**40)
  • 我们有一个 “数据恢复” 实验

SSD: 似乎不妙？

• Copy-on-write 意味着旧的数据还在！
  • logic block 被覆盖，physical block 依然存储了数据
• 文件系统加密/Self-Encrypting Drive
  • 安全带来的缺点：数据就真的无法恢复了

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！

• 让我们好好构造疯狂的 workloads，把它弄挂吧！