SSD产品核心参数

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于 2023-04-13 10:40:44 首次发布

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本文介绍了SSD的核心参数，包括容量（考虑裸容量与用户容量）、性能（IOPS、吞吐量和响应时间）、寿命（DWPD和TBW）以及数据可靠性（如UBER、RBER和MTBF）。此外，还提到了功耗和其他因素，如SSD的空闲、最大工作和低功耗模式。这些参数对于理解和选择合适的SSD至关重要。

SSD产品核心参数

前言
SSD产品核心参数

前言

在购买SSD之前，会关注它的一些参数指标，比如能跑多快、用的是什么闪存等。本文将简单介绍SSD产品的核心参数。

SSD产品核心参数

基本信息：包括容量配置（Capacity）、介质信息（Component）、外观尺寸（Form Factor）、重量（Weight）、环境温度（Temperature）、震动可靠性（Shock和Vibration）、认证（Certifications）、加密（Encryption）等信息。
性能指标：连续读写带宽、随机读写IOPS、时延（Latency）、最大时延（Quality of Service）。
数据可靠性和寿命：Reliability、Endurance。
功耗：Power Management、Active Power和Idle Power。
兼容性等：Compliance、Compatibility（与操作系统集成时参考）

1. 基本信息剖析

1.1 SSD容量

SSD容量是指提供给终端用户使用的最终容量大小，以字节（Byte）为单位。这里要注意，标称的数据都以十进制为单位的，以二进制为单位的容量行业内称为裸容量，以十进制为单位的容量称为用户容量。

十进制128GB：128×1000×1000×1000=128000000000字节
二进制128GB：128×1024×1024×1024=137438953472字节

对于闪存本身，它是裸容量。那么，裸容量多出的在SSD内部做什么用呢？SSD可以利用这多出来的7%空间管理和存储内部数据，比如把这部分额外的空间用作FTL映射表存储空间、垃圾回收所需的预留交换空间、闪存坏块的替代空间等。这里的7%多余空间也可以转换为OP概念（Over Provisioning），公式是：

OP = $\cfrac{SSD裸容量 - 用户容量}{用户容量}$

1.2 介质信息

当前SSD盘核心存储介质是闪存，闪存这种半导体介质有其自身物理参数，例如寿命（PE cycles，编程擦除次数）、Program（写编程）、Erase（擦除）和Read（读）时间、温度对读写擦的影响、闪存页的大小、闪存块的大小……这些都是介质的信息，介质的好坏直接影响数据存储的性能和完整性。

闪存分SLC、MLC、TLC（甚至QLC），它指的是一个存储单元存储的比特数。

SLC（Single-Level Cell）即单个存储单元存储1bit的数据。SLC速度快，寿命长（5万～10万次擦写寿命），但价格超贵（约是MLC 3倍以上的价格）。
MLC（Multi-Level Cell）即单个存储单元存储2bit的数据。MLC速度一般，寿命一般（约为3k～10k次擦写寿命），价格一般。
TLC（Trinary-Level Cell）即单个存储单元存储3bit的数据，也有闪存厂家叫8LC，速度慢，寿命短（约500～1500次擦写寿命），价格便宜。

1.3 外观尺寸

细分为3.5寸、2.5寸、1.8寸、M.2、PCIe card、mSATA、U.2等Form Factor标准，每个Form Factor也都有三围大小、重量和接口引脚等明确规范。

2. 性能剖析

硬盘性能指标一般包括IOPS（Input Output Operations Per Second，反映的是随机读写性能）、吞吐量（Throughput，单位MB/s，反映的是顺序读写性能）、Response Time/Latency（响应时间/时延，单位ms或μs）。

2.1 IOPS

单位IOPS，即设备每秒完成IO请求数，一般是小块数据读写命令的响应次数，比如4KB数据块尺寸。IOPS数字越大越好。

2.2 吞吐量

单位MB/s，即每秒读写命令完成的数据传输量，也叫带宽（Bandwidth），一般是大块数据读写命令，比如512KB数据块尺寸。吞吐量越大越好。

2.3 响应时间

也叫时延（Latency），即每个命令从发出到收到状态回复所需要的响应时间，时延指标有平均时延（Average Latency）和最大时延两项（Max Latency）。响应时间越小越好。

3. 寿命剖析

衡量SSD寿命主要有两个指标，一是DWPD（Drive Writes Per Day），即在SSD保质期内，用户每天可以把盘写满多少次；另一指标是TBW（Terabytes Written），在SSD的生命周期内可以写入的总的字节数。

3.1 DWPD

e.g.S3710SSD的Endurance项:200GB SSD五年使用期限内对应的寿命是3600TB，平均到每天可以写入3600TB/（5×365）=1972GB，这块盘本身200GB，1972GB相当于每天写入10次，也就是规范书说的10Drive Writes Per Day，简称10DWPD。DWPD为5年的寿命期内每天可以满盘写入的次数。

3.2 TBW

TBW就是在SSD的生命周期内可以写入的总的字节数，用来表达SSD的寿命指标。
总写入TBW = Capacity(单盘容量) * $\cfrac{NAND PE Cycles(NAND写擦出寿命）}{WA（写放大）}$

NAND PE Cycles：SSD使用的闪存标称写擦除次数，如3K、5K。
Capacity：SSD单盘用户可使用容量。
WA：写入放大系数，这跟SSD FW的设计和用户的写入的数据类型（顺序写还是随机写）强相关。

TBW和DWPD的计算公式:
DWPD = $\cfrac{TBW}{Years(SSD标称使用年限) * 365 * Capacity(单盘容量)}$

4. 数据可靠性剖析

SSD有几个关键指标来衡量其可靠性：UBER、RBER和MTBF。

UBER：Uncorrectable Bit Error Rate，不可修复的错误比特率。
RBER：Raw Bit Error Rate，原始错误比特率。
MTBF：Mean Time Between Failure，平均故障间隔时间。

为什么会产生错误数据？SSD的存储介质是闪存，闪存有天然的数据比特翻转率。主要有以下几种原因导致：

擦写磨损（P/E Cycle）
读取干扰（Read Disturb）
编程干扰（Program Disturb）
数据保持（Data Retention）发生错误
虽然SSD主控和固件设计会用纠错码（ECC）的方式（可能还包括其他方式，如RAID）来修正错误数据，但错误数据在某种条件下依然有纠不回来的可能，所以需要用UBER让用户知道数据误码纠不回来的概率。闪存原始的数据比特翻转加上BCH码（一种ECC纠错算法）经ECC校验码保护后，可以计算转换到UBER。影响UBER最核心的因素是RBER。

5. 功耗和其他剖析

SSD定义了以下几种功耗类型：

空闲（Idle）功耗：当主机无任何命令发给SSD，SSD处于空闲状态但也没有进入省电模式时，设备所消耗的功耗。
Max active功耗：最大功耗是SSD处于最大工作负载下所消耗的功耗，SSD的最大工作负载条件一般是连续写，让闪存并发忙写和主控ASIC满负荷工作，这时的功耗值对应最大功耗。
Standby/Sleep功耗：规范规定了SSD状态，包括：Active、Idle、Standby和Sleep，功耗值从Active到Sleep逐级递减，具体的实现由各商家自行定义。一般来讲，在Standby和Sleep状态下，设备应尽可能把不工作的硬件模块关闭，降低功耗。一般消费级SSD Standby和Sleep功耗为100～500mW。
DevSleep功耗：这是SATA和PCIe新定义的一种功耗标准，目的是在Standby和Sleep基础上再降一级功耗，配合主机和操作系统完成系统在休眠状态下（如Hibernate），SSD关掉一切自身模块，处于极致低功耗模式，甚至是零功耗。一般是10mW以下。