固态硬盘SSD读写变慢的根源在哪里？

qhkj999 · 发表于 2022-12-2 10:14:23

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在剖析读写延迟的来源之前，我们还是先来回顾一下固态硬盘的架构。从下图可以清晰的了解到，固态硬盘主要由主控，DRAM缓存以及NAND闪存构成。主控负责的任务主要是Wear Leveling, Garbage Collection(垃圾回收), Bad Block Management(坏块管理), ECC纠错等. 同时，在主控中，与主机对接的是Host interface，Host与固态硬盘的之间的通信协议可以是PCIe，SAS或者SATA等，和NAND闪存对接的是NAND controller.

了解了固态硬盘的结构之后，我们需要再认识一下主机和固态硬盘数据通信的逻辑关系。从主机的角度来看，对固态硬盘进行的操作均是逻辑上的读写内容。而从NAND闪存的角度讲，主机要求的逻辑上的读写，实际到NAND闪存后，变成了物理上的读，写，擦除等执行操作。

我们知道，固态硬盘的好坏以及用户体验集中归因于带宽，IOPS，延迟，一致性等。其中，固态硬盘的延迟，大部分原因在于NAND闪存的读写延迟造成的。

垃圾回收是固态硬盘延长寿命，减少读写次数的手段。在垃圾回收过程中，会增加数据的搬迁，擦除等操作，所以垃圾回收也会带来一定程度的写入延迟。不过，这个写入延迟并不是直接的，而是由DRAM等造成的间接延迟。

从上图，我们可以看到，在4KB随机写，队列深度QD=1的情况下，有些固态硬盘的写入延迟超过了200ms。虽然这200ms并不能让我们有深刻的感觉，但对于高性能系统而言，这个200ms是灾难性的。

如果说，写入延迟是垃圾回收间接造成的，那么读取延迟则是垃圾回收带来的直接恶果。因为，在垃圾回收启动之后，固态硬盘的主控将需要做垃圾回收的区块中的数据搬迁到spare区域，然后在数据搬迁完成后再擦除整个区块的内容。这个过程影响了固态硬盘的读取速度。这也是当我们的固态硬盘在写入一段时间之后，性能会变慢的原因，因为内部启动了垃圾回收的步骤。

从上图，可以看到，在4KB随机写，队列深度QD=1的情况下，有些固态硬盘的读取延迟超过了35ms。

如果对NAND闪存先发了一个read block1 page2的命令，之后接着再发个erase Block0的命令，这个时候，读取延迟会因为后面的erase操作增大了延迟了，此时延迟的大小基本等于NAND读取时间tR加上块擦除时间tErase.

同样，如果对NAND闪存先发了一个read block2 page3的命令，之后接着再发个program Block0 page1的命令，这个时候，读取延迟会因为后面的program操作增大了延迟了，此时延迟的大小基本等于NAND读取时间tR加上后面program的时间tPROG.