DRAM/SLC缓存傻傻分不清？解读固态硬盘的“缓存”

DRAM/SLC缓存傻傻分不清？解读固态硬盘的“缓存” 原创 存储极客 2019-02-03 11:45:20
在固态硬盘界提起"缓存"这个词的时候很容易一头雾水，存储极客简单给大家盘点下：外置DRAM缓存、SRAM缓存、SLC缓存。显然，这些名词说的并不是一回事儿，承担的作用也不相同。


有两种东西，都被叫做缓存：Cache和Buffer，前者在港台地区也被称为快取，后者则还有一个缓冲的名字。很多时候Cache和Buffer被混在一起说，也没有权威和统一的区分方式。小编简单地把Cache快取表述成为了加速应用而提前载入到快速存储区的数据，Buffer则是为了提高写入完成速度而设立的数据"暂存区"。
一旦有机会，Buffer的数据会被写入到闪存并清空。而Cache中的数据则有可能长期保存和维护。
DRAM芯片里装了些什么？


固态硬盘工作时，DRAM芯片中既有属于Cache快取的部分，也有属于Buffer缓冲的部分。
跟很多朋友想象的不同，固态硬盘的Cache快取的内容并不是电脑读写的"用户数据"，而是固态硬盘为了兼容机械硬盘的工作方式而设立的FTL闪存转换层，简单来说FTL就是为了让固态硬盘能跟现有的操作系统所兼容。


固态硬盘也的确需要数据缓冲，但并不是单纯为了提高写入速度。闪存的最小写入单位是Page页，包括东芝BiCS闪存在内的当前大多数闪存页大小是16KB。在DRAM芯片中凑齐至少16KB数据然后再执行实际向闪存的写入，将零碎写入请求合并的操作使得固态硬盘更高效、更长寿。


SLC缓存是干嘛的？


SLC缓存是MLC、TLC或者QLC固态硬盘利用部分闪存空间模拟SLC的方式工作，以达到提速和延寿的效果。如果按照前文中的定义，SLC缓存的正确叫法应该是SLC缓冲。
为什么固态硬盘一定要有SLC缓冲？


我相信大多数人都认为这个问题的答案是：为了加速写入，尤其是顺序写入速度。其实这只是SLC缓冲的作用之一，毕竟固态硬盘用作移动硬盘的机会还是很低的，系统盘的读写是以随机读写为主。
引入SLC缓冲主要是为了降低闪存的写入难度。TLC闪存的一个单元拥有8种数据状态（表达3比特数据）、QLC闪存的一个单元拥有16种数据状态（表达4个比特数据）。要把数据一次性"刷"到TLC/QLC闪存单元中是比较困难的。模拟SLC可以简单快速的将写入数据先接纳下来，然后利用空闲时间释放到TLC/QLC形态。


当TLC/QLC模拟SLC方式写入时，其擦写次数也会相应提高，虽然不能达到等同SLC的水平，但也无需担心SLC缓冲机制会缩短固态硬盘的寿命。
无(DRAM)缓存的固态硬盘怎么工作？


固态硬盘的DRAM芯片主要是用来存储FTL闪存映射表的，这部分数据可以通过主控内集成小容量SRAM缓存并搭配NAND闪存交换来完成。在固件经过优化之后，无DRAM芯片的固态硬盘也可以发挥出理想的随机读写效能，譬如上图中的东芝TR200固态硬盘，在电脑配置足够的情况下，4K读取可以达到50MB/s以上。


完全没有DRAM缓存的固态硬盘：


TR200虽然没有外置DRAM芯片，但它所用的主控内集成了32MB容量的SRAM缓存。另外一种固态硬盘则是彻底消灭了DRAM芯片，比如东芝BG4就采用了NVMe协议当中的HMB特性，通过驱动程序直接向主机内存申请到一块专用空间，用来实现过去由固态硬盘板载DRAM芯片所承担的功能，可以说是一种非常巧妙的方式。

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