在之前的系列文章中，我們介紹了固態硬盤的系列知識，包括閃存的介質、原理，以及作為SSD大腦的控制器設計，本文將詳細介紹SSD架構以及功能模塊。

SSD架構簡介

◎SSD架構示意圖

如上圖所示，典型的SSD架構包括主機接口、SSD控制器以及閃存芯片。連接主機的接口包括多種標準類型，例如串行ATA（SATA）、并行ATA（PATA，又稱IDE）、以及PCIe等，以滿足不同的系統和設計要求。SSD控制器處于主機系統以及NAND閃存之間，執行數據讀寫以及調節閃存芯片的損耗平衡等。

SSD控制器組件和功能模塊

SSD產品應用的場景不同，形態也有較大區別，但SSD控制器整體都會由一些必不可少的組件或功能模塊構成，包括且不限于如下各項。

S.M.A.R.T：S.M.A.R.T (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)，即“自我監測、分析與報告技術”。這是承襲自機械硬盤的功能，便于用戶直觀了解SSD盤的運行情況、健康狀況等信息。NVMe標準對SSD的SMART信息ID進行了統一的規范定義，各廠商也可自定義一些信息，例如監控與盤壽命相關的屬性數據，包括剩余耐久度等數據。

磨損均衡：磨損均衡是指SSD在所有可用NAND閃存塊（block）上平均分配擦除周期（或P/E周期）。由于閃存每個塊的P/E周期有限，數據若連續寫入同一個塊將迅速耗盡其耐久度，因此控制器要采用磨損均衡算法將寫入操作分散到不同的塊，提升SSD盤的整體使用壽命。

加密和解密引擎：出于高安全性的考慮，SSD可提供盤內加密功能。SSD將硬件加密和解密引擎內置于控制器的芯片中，具備較快的動態加/解密速度。較強的加密功能包括256-bit AES（Advanced Encryption Standard，高級加密標準），通常在SSD內部設置AES硬件模塊，用于主機數據或者SSD內部數據的加解密。

讀寫干擾處理：NAND閃存因受到電磁隧道效應影響，在讀寫過程中會出現干擾現象。具體包括：

-讀干擾（Read disturb）：在讀取某個頁（Page）時，同一閃存塊上的其他頁可能由于被施加電壓而將電子吸入浮柵極，形成分布電壓的偏移。

- 寫干擾（Program disturb）：在對頁進行寫入操作時，原本不需要被編程卻被注入了電荷，形成了從1到0的比特翻轉。

對于此類干擾，控制器都需要具備相應的糾正算法或者數據管理策略。

緩存：控制器可配備緩存以提高SSD的整體性能和使用壽命。例如，緩存可作為臨時區域快速存儲頻繁訪問的數據、優化小文件和隨機訪問性能、優化NAND數據寫入操作、提升系統響應速度等。一般采用DRAM緩存。

處理器：SSD控制器內部通常包含一個或多個處理器核心，基于RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）架構設計。不同于一般意義上的CPU，控制器內的處理器專門針對SSD的特定任務進行了優化，控制器的功能也由處理器的大小和性能所決定。

ECC：由于閃存存儲單元的工作特性，數據的寫入和讀取可能存在干擾。ECC（Error Correction Coding，錯誤校正碼）作為SSD的關鍵部分，是一種硬件或軟件機制，用于檢測和修正在數據傳輸或存儲過程中可能發生的錯誤。ECC引擎通常可以實現錯誤檢驗、錯誤校正、數據完整性保護以及性能優化等功能。

壞塊管理：壞塊管理（Bad Block Management，簡稱BBM）用于處理無法正常讀寫的存儲單元。壞塊管理主要包括壞塊檢測、壞塊替換、壞塊映射、壞塊壓縮等處理機制和功能，用于確保數據的可靠性和持久性，使SSD在遇到壞塊時仍然能夠提供可靠的數據存儲和訪問服務。

在以上組件或者功能模塊中，除負責執行各種指令和算法的處理器以及用于緩存數據和元數據的內存，其余各種功能要靠固件實現。固件是指控制器芯片中預裝的驅動程序，借助各類算法實現不同的管理功能。因此，固件是實際的指揮官，也是SSD廠家核心競爭力的體現。

憶聯SSD控制器的高價值特性

憶聯SSD產品在固件中集成多種智能算法以及硬件加速能力，滿足高速數據處理和高可靠性要求場景，并提供豐富的可維護性。

?加速處理性能方面：憶聯SSD產品支持TRIM操作提高垃圾回收效率，提供SR-IOV with QoS提高I/O性能，并用智能多流技術對寫入放大進行優化等。

?可靠性方面：憶聯SSD提供獨有智能算法，提升閃存讀電壓一次命中率，提升盤片生命末期可靠性和時延表現，并作為多級數據校驗保護機制的一環，實現數據通路的端到端保護。

?可維護性方面：憶聯支持SMART和健康監控，通過標準的管理接口獲取健康監控信息并提供智能預警以及建議，另外也提供OOB帶外管理、后臺巡檢、在線診斷等可降低維護成本的一系列功能。

在當前AI場景快速發展并落地到普通消費者的這一進程中，憶聯SSD產品搭載新代際的控制器，并實現性能、安全性、定制功能、功耗等多個層面的全面優化，為產業的新發展筑就堅實的存力基石。

圖片來源：

https://www.researchgate.net/figure/General-Architecture-of-SSD_fig1_340092076