FTL算法的好壞，直接決定了SSD在性能

FTL算法的好壞，直接決定了SSD在性能（Performance）、可靠性（Reliability）、耐用性（Endurance）等方面的好壞，F(xiàn)TL可以說(shuō)是SSD固件的核心組成。

大家天天在說(shuō)FTL，也知道FTL的重要性，那么什么是FTL？FTL是Flash Translation Layer的縮寫，完成主機(jī)（或者用戶，Host）邏輯地址空間到閃存（Flash）物理地址空間的翻譯（Translation），或者說(shuō)是映射（Mapping）。SSD每把一筆用戶邏輯數(shù)據(jù)寫入到閃存地址空間，便記錄下該邏輯地址到物理地址的映射關(guān)系，下次主機(jī)想讀取該數(shù)據(jù)，SSD根據(jù)這個(gè)映射，便能從閃存上把這筆數(shù)據(jù)讀上來(lái)然后返回給用戶。

完成邏輯地址空間到物理地址空間的映射，這是FTL最原始也是最基本的功能。事實(shí)上，現(xiàn)在SSD中的FTL，要做的事情還有很多。SSD使用的存儲(chǔ)介質(zhì)一般是NAND Flash。

SSD的存儲(chǔ)介質(zhì)除了Flash，還有RAM，還有3D XPoint等新型存儲(chǔ)介質(zhì)。如無(wú)特別說(shuō)明，后面說(shuō)的SSD存儲(chǔ)介質(zhì)都是指NAND Flash，翻譯為“閃存”。

閃存有一些特性，比如：

l 閃存塊（block）需先擦除才能寫入，不能覆蓋寫（Update in place）；

由于不能覆蓋寫，當(dāng)寫入一筆新的數(shù)據(jù)，不能直接在老地方直接更改（閃存不允許在一個(gè)閃存頁(yè)（page）上重復(fù)寫入，一次擦除只能寫入一次），必須寫到一個(gè)新的位置，因此，F(xiàn)W（Firmware，固件）需要維護(hù)一張邏輯地址到物理地址的映射表；另外，往一個(gè)新的位置寫入數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致老位置上的數(shù)據(jù)變成無(wú)效，這些數(shù)據(jù)就是垃圾數(shù)據(jù)。垃圾數(shù)據(jù)會(huì)占用閃存空間，當(dāng)閃存可用空間不夠時(shí)，F(xiàn)TL需要做垃圾回收，即把若干個(gè)閃存塊上的有效數(shù)據(jù)搬出寫到某個(gè)新的閃存塊，然后把這些閃存塊擦除，得到可用的閃存塊。這就是GC（Garbage Collection，垃圾回收），是FTL需要做的一件重要事情。

l 閃存塊都是有一定壽命的；

每擦除一次閃存塊，都會(huì)對(duì)閃存塊有磨損，因此閃存塊都是有壽命的，用PE（Program/Erase Count）數(shù)衡量。我們不能集中往某幾個(gè)閃存塊上寫數(shù)據(jù)，不然這幾個(gè)塊很快就會(huì)因PE耗盡而死亡，這不是我們想看到的。我們期望所有閃存塊都來(lái)均攤數(shù)據(jù)的寫入，而不是有些塊累死，而其他塊眼瞅著那些閃存塊死亡而無(wú)動(dòng)于衷；FTL需要做Wear Leveling，讓數(shù)據(jù)寫入均攤到每個(gè)閃存塊上，即讓每個(gè)塊磨損都差不多，從而保證SSD具有最大的數(shù)據(jù)寫入量。

l 每個(gè)閃存塊讀的次數(shù)也是有限的，讀的太多了，上面的數(shù)據(jù)也是會(huì)出錯(cuò)，也就是讀干擾（Read Disturb）的問題；

FTL需要處理讀干擾問題，當(dāng)某個(gè)閃存塊讀的次數(shù)快達(dá)到一定閾值時(shí)，F(xiàn)TL需要把這些數(shù)據(jù)從該閃存塊上搬走，從而避免數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

l 還有就是閃存的數(shù)據(jù)保持（Data Retention）問題;

由于電荷的流失，存儲(chǔ)在閃存上的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)則十多年，短則幾年甚至幾月，甚至更短。（這是在常溫下，如果高溫的話，電荷流失速度會(huì)加快，數(shù)據(jù)保存的時(shí)間就更短了。）

如果SSD不上電，F(xiàn)TL對(duì)此也是毫無(wú)辦法，有勁使不出呀（根本沒有運(yùn)行機(jī)會(huì)）。但一旦上電，F(xiàn)TL就需要對(duì)此做點(diǎn)什么，比如掃描閃存，發(fā)現(xiàn)是否存在數(shù)據(jù)保持問題，如果存在，則需要搬動(dòng)數(shù)據(jù)，防患于未然。好的FTL，就需要有處理數(shù)據(jù)保持問題的能力。

l 閃存天生就有壞塊，另外，隨著SSD的使用，也會(huì)產(chǎn)生新的壞塊；

壞塊的癥狀是擦寫失敗，或者讀失敗（ECC不能糾正數(shù)據(jù)錯(cuò)誤）。壞塊管理也是FTL的一大任務(wù)。

l 對(duì)MLC或者TLC來(lái)說(shuō)，存在Lower Page corruption的問題；

即在對(duì)Upper Page/Extra Page （和Lower Page共享存儲(chǔ)單元的閃存頁(yè)）寫入時(shí)，如果發(fā)生異常掉電，也會(huì)把之前Lower Page上成功寫入的數(shù)據(jù)破壞掉。好的FTL，應(yīng)該有機(jī)制盡可能避免這個(gè)問題；

l MLC或者TLC的讀寫速度都不如SLC，但它們都可以配成SLC模式來(lái)使用。

好的FTL，會(huì)利用這個(gè)特性，去改善SSD的性能和可靠性。

上面說(shuō)的這些問題是閃存的共性，對(duì)不同的閃存，還有其自身的問題。FTL除了完成基本的地址映射，還需要幫閃存擦屁股，去做垃圾回收（GC）、磨損平衡（Wear Leveling）、壞塊管理、讀干擾（Read Disturb）處理、數(shù)據(jù)保持（Data Retention）處理等事情。隨著閃存質(zhì)量變差，F(xiàn)TL除了完成上述的常規(guī)處理，還需要針對(duì)具體閃存特性，去做一些特殊處理以獲得好的性能和高的可靠性。

FTL有Host Based和Device Based兩種：

Host Based的意思是說(shuō)，F(xiàn)TL的實(shí)現(xiàn)是在Host（主機(jī)）端的，用的是你計(jì)算機(jī)的CPU和內(nèi)存資源。

除了大名鼎鼎的Fusion-IO使用Host Based FTL，據(jù)我所知，業(yè)界還有方一信息科技、寶存、CNEXLabs等公司在做Host Based FTL。

相反，Device Based的意思是說(shuō)FTL是在Device（設(shè)備）端實(shí)現(xiàn)的，用的是SSD上的控制器和RAM資源。