寫入放大（WA）是閃存和固態(tài)硬盤之間相關(guān)聯(lián)的一個屬性，因為閃存必須先刪除才能改寫（我們也叫“編程“），在執(zhí)行這些操作的時候，移動（或重寫）用戶數(shù) 據(jù)和元數(shù)據(jù)(metadata)不止一次。這些多次的操作，不但增加了寫入數(shù)據(jù)量，減少了SSD的使用壽命，而且還吃光了閃存的帶寬（間接地影響了隨機寫 入性能）。許多因素會影響到SSD的寫入放大，下面我就來稍微詳細的解釋一下。



早在2008年，Intel公司和SiliconSystems公司（2009  年被西部數(shù)字收購）第一次提出了寫入放大并在公開稿件里用到這個術(shù)語。他們當時的說法是，寫入算法不可能低于1，但是這種說法在2009年被 SandForce打破，SandForce說他們的寫入放大是0.5。





由于閃存的運作特性，數(shù)據(jù)不能像在普通機械硬盤里那樣被直接覆蓋。當數(shù)據(jù)第一次寫入SSD的時候，由于SSD內(nèi)所有的顆粒都為已擦除狀態(tài)，所以數(shù)據(jù)能夠以 頁為最小單位直接寫入進去（一般是4K，參考顆粒資料），SSD上的主控制器，使用了邏輯和物理的映射系統(tǒng)來管理著閃存。（邏輯我們一般指的是LBA,而 物理指的是FTL)。當有新的數(shù)據(jù)寫入時需要替換舊的數(shù)據(jù)時，SSD主控制器將把新的數(shù)據(jù)寫入到另外的空白的閃存空間上（已擦除狀態(tài)）然后更新邏輯LBA 地址來指向到新的物理FTL地址。而舊的地址內(nèi)容就變成了無效的數(shù)據(jù)，但是要在上面再次寫入的話，就需要首先擦除掉這個無效數(shù)據(jù)。（閃存運作特性，寫入最 小單位是頁，而擦除最小單位是塊，一般為128~256個頁）

那么問題就來了，閃存有編程和擦除的次數(shù)限制，這樣每次的編程/擦除就叫做1個P/E(program/erase  cycles)周期，大家應(yīng)該都知道MLC一般是5000~10000次，而SLC是10萬次左右（查閃存資料）。也就是說寫入放大越低，P/E周期就越 少，閃存壽命就越久。

2008年，Intel公司和SiliconSystems公司（2009  年被西部數(shù)字收購）第一次提出了寫入放大并在公開稿件里用到這個術(shù)語。所有的SSD都有一個寫入放大值，這個數(shù)值是非固定的，取決于這個SSD寫入的數(shù)據(jù) 是隨機的還是持續(xù)的？寫入量是多少？主控做了那些操作，等等。



計算寫入放大的公式大致是這樣:



對于單次操作，最簡單的例子，比如我要寫入一個4KB的數(shù)據(jù)，最壞的情況就是，一個塊里已經(jīng)沒有干凈空間了，但是有無效數(shù)據(jù)可以擦除，所以主控就把所有的 數(shù)據(jù)讀出來，擦除塊，再加上這個4KB新數(shù)據(jù)寫回去，這個操作帶來的寫入放大就是:  我實際寫4K的數(shù)據(jù)，造成了整個塊（512KB）的寫入操作，那就是128倍放大。同時帶來了原本只需要簡單的寫4KB的操作變成讀取(512KB)，擦 (512KB)，改寫(512KB)，造成了延遲大大增加，速度慢是自然了。

許多因素影響SSD的寫入放大。下面我列出了主要因素，以及它們?nèi)绾斡绊憣懛糯蟆?br>


1. 垃圾回收(GC) Garbage collection    ---   雖然增加了寫入放大，但是速度有提升。



這個比較特殊的算法用來整理，移動，合并，刪除閃存塊來提升效率。



2. 預(yù)留空間（OP) Over-provisioning  ---  減少寫入放大，好。(預(yù)留空間越大，寫入放大越低）  



在SSD的閃存上劃出一部分空間留給主控做優(yōu)化，用戶不能操作的空間。



3. Trim   開啟后可以減少寫入放大，好。



一個ATA指令，由操作系統(tǒng)發(fā)送給SSD主控，告訴主控哪些數(shù)據(jù)是無效的并且可以不用做垃圾回收操作。



4. 可用容量   減少寫入放大，好。(可用空間越大，寫入放大越低）



用戶使用中沒有用到的空間，需要有Trim支持，不然不會影響寫入放大。



5. 安全擦除 Secure Erase  減少寫入放大，好



清除所有用戶數(shù)據(jù)和相關(guān)元數(shù)據(jù)，讓SSD重置到初始性能。



6. 靜動數(shù)據(jù)分離 Separating Static and Dynamic Data 減少寫入放大，好



分組常改寫和不常改寫的數(shù)據(jù)。



7. 持續(xù)寫入 Sequential writes        減少寫入放大，好



理論上來說，持續(xù)寫入的寫入放大為1，但是某些因素還是會影響這個數(shù)值。



8. 隨機寫入 Random writes  提高寫入放大，不好



隨機寫入會寫入很多非連續(xù)的LBA,將會大大提升寫入放大。



9. 磨損平衡（WL） Wear Leveling    直接提高寫入放大，不好



確保閃存的每個塊被寫入的次數(shù)相等的一種機制。

垃圾回收 Garbage collection



 

一旦SSD的所有塊都已經(jīng)寫入了一次，SSD主控制器將會初始化那些包含無效數(shù)據(jù)的塊。（陳舊數(shù)據(jù)，這些塊里的數(shù)據(jù)已經(jīng)被更新的數(shù)據(jù)替換，已經(jīng)無效了，沒 了LBA地址），現(xiàn)在他們正在等待被刪除，以便新的數(shù)據(jù)可以寫入其中,如何優(yōu)化并整理這些個等待被刪除的無效數(shù)據(jù)，這個算法被稱為垃圾收集（GC）。我們 可以看出這個操作是要有前提的，就是SSD必須要支持Trim技術(shù)，不然GC就顯不出他的優(yōu)勢了（這也是為啥目前只有支持Trim的SSD才會有GC功 能），而GC的本質(zhì)區(qū)別是它們何時處理？效率多少？


    數(shù)據(jù)的最小寫入單位是頁，然而擦除的最小單位是塊（大小取決于閃存，自己查資料，一般128~256頁）。如果在塊上的某些頁中的數(shù)據(jù)不再需要，與在該塊 內(nèi)好的數(shù)據(jù)的其他所有頁必須全部讀取并重新寫入到新的已擦除的塊內(nèi)。這個操作叫做Copy Block，每個主控都會帶。（包括U盤主控，這也是為了磨損平衡考慮）然后主控制器再刪除掉這個塊，用來給下一次寫入數(shù)據(jù)用。這種操作一切指令來自主控 而非用戶的叫做GC，將會影響寫入放大。請記住，GC有點像整理硬盤，所以要保證有一定的可用容量，可用容量越大，GC效率越高

GC分為后臺GC和主動GC

我們知道垃圾的收集過程，包括讀取和重寫數(shù)據(jù)到閃存。意味著這樣操作會大大降低主控的性能，因為占用了主控的能力和帶寬。所以，一些SSD控制器采用所謂 的后臺垃圾收集算法（也稱為閑置垃圾收集），該控制器會使用空閑的時間來做垃圾收集，讓主控在使用時一直保持高性能。試想一下如果垃圾回收把所有的空間都 整理合并過了，那樣在性能提升的同時，也增加了寫入放大，所以像barefoot主控的SSD（閑置GC）一般只垃圾回收一小部分的空白空間來限制過多的 寫入操作。另一種方案就是主動GC，這需要有相當性能的主控制器，來保證在操作數(shù)據(jù)的同時進行GC操作，這類GC適合在服務(wù)器里用到，因為個人用戶可以把 電腦閑置了做GC，但是服務(wù)器可不行，所以要保證性能的話必須在運行的同時做GC，這對主控制器的性能提出了很高的要求，SandForce的主控就是這 類。。

手動GC

記得以前我曾討論過手動GC的操作

乘著現(xiàn)在正好討論到寫入放大，我也再次強調(diào)下為何寫入GC能成功的道理：

不管你的SSD是不是支持Trim或者在RAID陣列狀態(tài)下，手動GC或多或少都會有點作用（特殊的除外），為何？

SSD的NAND顆粒有2個狀態(tài)，物理上來說就是顆粒充電表示1，顆粒放電表示0，擦除數(shù)據(jù)意味著全盤寫1（充電）。顆粒必須以塊為最小單位一下子充電， 能以頁為單位一個個放電。前面我們得知，如果SSD不支持Trim的話（RAID陣列目前都不支持），在全部SSD寫滿后，主控并不知道顆粒的塊中哪些數(shù) 據(jù)是無效的，所以它認為他們都有效，操作系統(tǒng)的LBA卻知道（因為新數(shù)據(jù)有LBA,無效數(shù)據(jù)的LBA已經(jīng)被重定向了），所以不支持Trim的SSD就意味 著全盤顆粒寫滿后（指的是顆粒寫滿，其中包括有效和無效數(shù)據(jù)，不是我們通常看到的系統(tǒng)里可用容量滿）再寫入數(shù)據(jù)要等待寫前的擦除操作，系統(tǒng)就會在沒用到的 LBA地址下做寫入操作。說白了就是系統(tǒng)知道哪里可以寫而SSD主控不知道。手動GC正是利用了這一點，做了全盤填FF操作，F(xiàn)F在邏輯上就是1，那么就 是全盤顆粒里的無效數(shù)據(jù)處填1，1在NAND顆粒上代表充電，代表擦除。所以隨著用戶的可用容量越來越少，然后再一下子刪除這個生成出來的大文件，代表了 全部可用容量區(qū)域都為邏輯1（擦除狀態(tài)），這個狀態(tài)就是GC操作后刪除無效數(shù)據(jù)區(qū)塊后的狀態(tài)，所以叫做手動GC，自然這些區(qū)塊在之后的操作中可以直接寫入 而不需要再擦除了。

預(yù)留空間 Over-provisioning

預(yù)留空間一般是指用戶不可操作的容量，為實際物理閃存容量減去用戶可用容量。這塊取用一般被用來做優(yōu)化，包括磨損均衡，GC,Trim和壞塊映射。

預(yù)留空間分為3層：

第一層為固定的7.37%，這個數(shù)字是如何得出的哪？我們知道機械硬盤和SSD的廠商容量是這樣算的，1GB是1,000,000,000字節(jié)（10的9 次方），但是閃存的實際容量是每GB=1,073,741,824，(2的30次方) ，2者相差7.37%。所以說假設(shè)1塊128GB的SSD，用戶得到的容量是128,000,000,000字節(jié)，多出來的那個7.37%就被主控固件用 做OP了。

第二層來自制造商的設(shè)置，通常為0%，7%和28%等，打個比方，對于128G顆粒的SandForce主控SSD,市場上會有120G和100G兩種型號賣，這個取決于廠商的固件設(shè)置，這個容量不包括之前的第一層7.37%。

第三層是用戶在日常使用中可以分配的預(yù)留空間，像Fusion-IO公司還給用戶工具自己調(diào)節(jié)大小來滿足不同的耐用度和性能，而用戶也可以自己在分區(qū)的時候，不分到完全的SSD容量來達到同樣的目的。（要有Trim支持）

預(yù)留空間雖然讓SSD的可用容量小了，但是帶來了減少寫入放大，提高耐久，提高性能的效果。

TRIM

Trim是一種SATA命令，他能讓操作系統(tǒng)在刪除某個文件或者格式化后告訴SSD主控這個數(shù)據(jù)塊不再需要了。

一般情況下，當LBA被操作系統(tǒng)更新后，只有隨著之后的每次數(shù)據(jù)寫入（其實等于覆蓋），SSD主控制器才知道這個地址原來早已經(jīng)失效了。（之前認為每個數(shù) 據(jù)都是有效的）在Win7里，由于Trim的引入解決了這個問題，當某些文件被刪除或者格式化了整個分區(qū)，操作系統(tǒng)把Trim指令和在操作中更新的LBA 一起發(fā)給SSD主控制器（其中包含了無效數(shù)據(jù)地址），這樣在之后的GC操作中，無效數(shù)據(jù)就能被清空了，減少了寫入放大同時也提升了性能。

可以看這個帖子： Trim解析

Trim的依賴性和局限性

1. Trim命令需要SSD的支持，某些老型號的SSD可以靠刷新固件得到Trim支持（G2,barefoot,YK40），或者用一些獨特的工具（barefoot wiper)提取出系統(tǒng)里所有無效的LBA告訴SSD主控并清除。

2. Trim命令之后，速度并不一定是立馬就能提升的，因為Trim后的干凈空間可能隨機的包含在每個塊里，只有等著多次的copy block操作和主控的GC操作才能明顯感覺到速度的提升。

3. 就算操作系統(tǒng)，驅(qū)動，SSD主控固件都滿足Trim命令了，也不代表在某些特定環(huán)境下能工作，比如RAID陣列和數(shù)據(jù)庫（至少到目前為止）。

可用空間

SSD控制器會使用所有的可用空間做垃圾回收和磨損均衡。保證一定的可用空間可以提升SSD效率，減少寫入放大。（前提是支持Trim)

安全擦除 Secure erase

ATA安全擦除命令用來清除在磁盤上的所有用戶數(shù)據(jù)，這個指令會讓SSD回到出廠性能（最優(yōu)性能，最少寫入放大），但是隨著之后的使用，GC，寫入放大又會慢慢增加回來。

許多軟件使用ATA安全擦除指令來重置磁盤，最著名的為HDDErase。對SSD來說，重置就是全盤加電（邏輯1），瞬間即可完成清除所有數(shù)據(jù)讓SSD回到初始狀態(tài)。

靜動數(shù)據(jù)分離 Separating Static and Dynamic Data

高端SSD主控制器支持靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)的分離處理，此操作要求SSD主控制器對LBA里經(jīng)常寫入（動態(tài)數(shù)據(jù)，熱數(shù)據(jù)）和不經(jīng)常寫入（靜態(tài)數(shù)據(jù)，冷數(shù)據(jù)）的 數(shù)據(jù)塊進行歸類，因為如果塊里包含了靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)，在做GC操作的時候會為了改寫其實沒必要改寫的靜態(tài)數(shù)據(jù)而增加了寫入放大，所以把包含靜態(tài)數(shù)據(jù)的塊歸 類后，因為不常改寫，減少了寫入放大。但是遲早SSD主控會把這塊靜態(tài)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到別的地方來彌補平衡磨損。（因為靜態(tài)數(shù)據(jù)占著的數(shù)據(jù)塊一直不改寫，編程 次數(shù)低于平均值的話，會造成顆粒磨損不平衡，違背了WL，真夠矛盾的。）

持續(xù)寫入

當SSD持續(xù)的寫入數(shù)據(jù)時，寫入放大一般為1，原因是隨著數(shù)據(jù)寫入，整個塊都是持續(xù)的填充著同一個文件，如果系統(tǒng)確認這個文件需要改寫或者刪除，整個塊都 可以被標記為無效（需要Trim支持），自然就不需要之后的GC操作了。（讀取整個塊并寫入新的塊）這個塊只需要擦除，比讀，改，寫更快速有效。

隨機寫入

一個SSD主控的隨機寫入峰值速度一般發(fā)生在安全擦除后，完全GC，全盤Trim，或新安裝的狀態(tài)下。
而隨機寫入的能力取決于主控制器的1.通道數(shù)。2.固件效率。3.閃存顆粒寫入頁面的性能。
然后就是寫入放大的多少，越接近于1越好，小于1更那好。
當全盤顆粒都被寫過后，GC功能就將被啟用，速度就會受到影響，之后的寫入放大就會達到SSD主控制器的最大倍數(shù)。大量的隨機小文件的寫入是“閃存殺手”。

磨損平衡（WL） Wear Leveling

假設(shè)一個特定的塊被持續(xù)的編程寫入而不編程寫入到別的塊，那么這個塊將很快被消耗掉編程壽命，造成整個SSD的報廢。處于這個原因，SSD主控制器要平均 分配每個塊的編程次數(shù)，這個技術(shù)叫做磨損平衡。在最樂觀的情況下，這個技術(shù)會讓全盤的顆粒磨損程度接近并同時報廢?？上У氖沁@個技術(shù)要犧牲寫入放大，假設(shè) 對于冷數(shù)據(jù)，必須經(jīng)常的移動到別的塊，再把熱數(shù)據(jù)移過來，保證2邊的塊都是一樣的磨損度，無謂的增加了寫入次數(shù)。關(guān)鍵就是要找一個最優(yōu)化的算法來盡可能的 同時最佳化這2個矛盾的條件。

總結(jié)：

寫入放大是個很關(guān)鍵的SSD指標，我們知道閃存的寫入速度比讀取速度慢的多，所以現(xiàn)在的SSD主控制器用多通道來提升寫入速度（相對寫入速度，讀取速度其實早已經(jīng)不是啥大問題了），但是如果寫入放大太高，意味著一樣的操作需要寫入更多的數(shù)據(jù)，這樣速度自然就快不起來了。

廢話那么多，就是想說好主控和壞主控之間的性能差別主要就是體現(xiàn)在放大上，你想想，假設(shè)大家都一樣的通道數(shù)，顆粒也相同，可是差別為何那么大？說白了就是一個寫的少而另個寫的多了嘛。一切算法技術(shù)的根本目標是要盡可能的減少寫入放大。