SSD知多少(3): FTL
FTL也是SSD之中最核心的技術，曾經有業內人士說過: “沒有寫過FTL，就不算是寫過SSD韌體。”就可以明白FTL在SSD之中的重要性。控制了SSD的磨損也大程度決定了SSD的壽命，同時也決定了SSD的讀取速度。Why?可以決定讀取速度
Performance, Reliability, Endurance這些很大程度上都是被FTL所影響的，那怎麼影響的呢？
Performance為什麼會被FTL的內容所影響？
Reliablility跟FTL之間的關係是？跟壞塊管理，掉電恢復有關係嗎？
Endurance很直接的被FTL磨損均衡的演算法所控制。
有個都市傳說是SSD愈寫愈慢，其實這是真的，因為前期總是有餘裕可以去寫入的時候不需要去做garbage collection，所以自然會比較快，可是到了後期寫入空間不足之後，需要去做garbage collection自然就會需要更多時間。
Write Amplification (WA) = 寫入falsh的資料量/用戶寫的資料量Write Amplification (WA): 因為可能會有garbage collection的情況，所以寫入的次數並不會完全等同於user寫入的資料量，一般來說都會是大於的，而這個被稱為Write Amplification (WA)
Over Provisioning (OP)= (總體Flash空間-用戶使用空間)/用戶使用空間一個SSD的 WA愈大愈不好，因為你寫入的資料量比你預期寫入的資料量大，會造成壽命的減少，同時進行garbage collection也會讓SSD的速度下降。
這時候要提到Over Provisioning (OP)再韌體上預留空間，因為OP大導致user space少，平均每塊flash上你的有效數據相對少。FTL在進行清除，並重新寫入有效數據的時候，清掉較多的都會是垃圾。
而如果今天OP小，你user space多，對於單塊flash的有效數據比例就較高，你清除再重新寫入的有效數據較多，那自然讓WA的數字較大。
簡單統整一句話，就是因為OP大你單塊flash比例上的垃圾比較多，清掉再重新寫入時，WA也會比OP小的情況來的小。那也因為，OP大的時候，需要重新寫入的有效數據少，在進行garbage collection的時候的時間也會較少，那也就讓SSD的效能更好。
在SSD深入淺出筆記有展示OP與WA以及endurence的關係圖，但是可能有版權問題，我就不放了，想要了解的讀者可以自行購買後閱讀。
上面我們提到Garbage collection(GC)，
要對哪一塊進行Garbage collection我們又是什麼時候要進行Garbage collection呢？
GC實行的Block當然會希望是 block上面有效數據最多的，這樣之後要進行寫入的數據最少，可以有效地減少Write Ampilfy(WA)。但是通常不會兩全其美，所以會在這之間設置權重。目前大多廠商似乎都是以Greedy的方式去進下GC的。
那我們需要去進行GC的時機點分為兩種，Foreground GC在空間不足的時候被動去進行GC。另一個是在SSD 閒置時期，Background GC避免Foreground GC減少SSD效能。
如何去做磨損平衡(WL)？
這邊需要先講四個東西，Cold data, hot data，cold表示不常更新的資料，hot則是常更新的資料。同時，你在寫入的時候需要去判斷，目前的block是年輕還是老（也就是被使用的次數多寡，多的老，少的年輕，寫入較多次可能block會掛掉）。
這邊衍伸出兩個策略，動態WL，靜態WL。動態WL也就是把hot data放到年輕的數據上；靜態WL也就是把cold data放到年老的block。
目前心中的疑問在於，你要怎麼判斷他是cold data, hot data？畢竟類似這件事情在virtual memory之中也是用LFU Algorithm (least frequently used) 或是MFU Algorithm (most frequently used)
LFU Algorithm或是MFU Algorithm，但是兩個都會有overflow的可能，所以cold, hot之間到底要怎麼判斷我也不清楚，可能不同公司有不同作法吧，至少在深入淺出SSD我沒有找到答案。
SSD使用途中如果掉電會產生什麼影響嗎？
SSD上可能會有voliate的RAM, DRAM, SRAM等等先做暫存，之後才存入SSD之中，所以如果中途掉電會導致資料流失。
部分SSD上面會裝配電容，一旦SSD掉電就開始放電，讓RAM可以上面的數據寫入Flash之中。只是電容也不保證能讓RAM上面的數據完整寫入flash之中。另一種解法是Intel與Micron合作開發的3DX point，是利用 non-voliate來代替RAM，但是目前似乎Micron已經放棄開發，所以不清楚後續如何。
掉電除了會損失資料本身，也會失去在RAM之中的邏輯地址，導致無法映射到物理地址。所以掉電之後會需要重建映射表。那要怎麼重建映射表呢？
需要從Flash之中的Meta Data之中獲得我們需要的資訊，Meta Data之中有：邏輯位址，時間戳，Others。有了邏輯地址，我們就可以連結他的物理地址。可能可能會遇到在同樣的邏輯地址寫入在不同的物理地址，這時候就會需要時間戳去協助辨別哪一個才是比較新的資料。
SSD整顆重新掃描也是耗費時間的，因此我們可以選擇每經過固定時間就建立快照，這樣當需要重建映射表的時候花費的時間也更加的少。
閃存篇提到的壞塊要怎麼處理呢？
壞塊的處理方式有兩種：略過策略，替換策略。略過策略很直觀，就是跳過。替換策略，則是每個Die上面會有預留空間，當Die上面有壞塊的時候就會使用預留空間。
略過策略會導致SSD的效能不穩定，效能表現不如替換策略，但是替換策略如果有個別的Die品質較差，可能導致SSD效能受限於這個Die，這個也可以被理解為木桶效應，劣勢決定了整個系統的水準。
壞塊本身又分為出廠壞塊，以及使用之後出現的增長壞塊。出廠壞塊通常由Flash製造商對壞塊打上標注，比如說在特定字節打上非0xFF的值。參照文檔掃描所有block之後就可以建立壞塊表。也有些廠商會儲存在閃存之中；增長壞塊，則是在發現block出現UECC (Uncorrectable error correction)，擦除失敗或是寫失敗，都是壞塊的表現。
延伸閱讀：
SSD知多少(4): PCIe (撰寫中…)
Reference:
