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引言

近年來國家大力支持半導體行業(yè)，鼓勵自主創(chuàng)新，中國SSD技術和產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈在不斷完善，與國際廠商的差距逐漸縮小。但從行業(yè)發(fā)展趨勢來看，SSD相關技術仍有大幅進步的空間，SSD相關技術也確實在不斷前進。隨著閃存芯片制程工藝的進步、堆疊層數(shù)的增加等，SSD面臨閃存大頁問題、寫放大導致的性能問題、3D堆疊導致的可靠性問題等，因此，我們?nèi)孕璨粩喙タ撕诵募夹g，通過軟硬件協(xié)同等多種方法提升SSD的性能和壽命，從而滿足日益增長的應用需求。

中國在SSD技術方面只有面向國際前沿，加強企業(yè)研發(fā)和自主創(chuàng)新，才能逐步建立起核心競爭力，并在市場中占據(jù)更高份額。

**《深入淺出SSD》第1版在2018年上市，隨即成為SSD從業(yè)者，包括研究者、設計者、生產(chǎn)者和應用者，了解SSD工作原理和技術的暢銷書。**快5年過去了，SSD技術在不斷發(fā)展，標準也在不斷更新，出現(xiàn)了系列新技術或新標準，如可計算存儲、ZNS、NVMe協(xié)議標準、NVMe over Fabrics、NAND新協(xié)議標準等，于是，本書誕生了。**本書在第1版的基礎上增加了大量新內(nèi)容，覆蓋面更廣。**本書的作者團隊依然來自固態(tài)存儲行業(yè)的技術精英，他們有多年經(jīng)驗，秉持專業(yè)、通俗和易懂風格著書，相信本書將繼續(xù)給讀者以良好的體驗，助力SSD技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

內(nèi)容介紹

作為經(jīng)典暢銷書的升級版，本書在第1版的基礎上新增了大量新知識（如閃存、UFS、測試、文件系統(tǒng)等），并改寫或刪減了許多過時或不適用的內(nèi)容，總修改量超過60%。本書由SSD技術社區(qū)SSDFans的核心團隊成員聯(lián)合業(yè)界、高校SSD方面的專家共同完成，相對于第1版，內(nèi)容更全面、更新，也更有深度。
本書從產(chǎn)品、技術和應用3個維度展開，全面、詳細講解了SSD的發(fā)展歷史、產(chǎn)品形態(tài)、工作原理、整體架構，以及各個功能模塊的原理和使用，從SSD的前端接口協(xié)議到FTL算法，再到后端的閃存和糾錯，以及測試，本書都有涉及。本書既可以作為一本入門書籍幫讀者快速上手工作，也可以作為工具書供讀者在需要的時候進行查閱。

• 產(chǎn)品市場篇：介紹了SSD與HDD的比較、SSD的發(fā)展歷史及產(chǎn)品形態(tài)，固態(tài)存儲市場、NAND原廠動態(tài)及閃存發(fā)展趨勢，以及可計算存儲和航天存儲產(chǎn)品等。

核心技術篇：重點介紹了主控內(nèi)部模塊構成和工作原理，閃存的實現(xiàn)原理、實踐應用、特性及數(shù)據(jù)完整性等，FTL的映射管理、磨損均衡、垃圾回收、壞塊管理等功能，以及LDPC解編碼原理等。

• 協(xié)議篇：從實現(xiàn)原理、實踐應用、發(fā)展趨勢等多個維度對NVMe、PCIe、UFS等進行深度解讀，讓讀者既知其然又知其所以然。

• 測試篇：詳述了與SSD相關的常用測試軟件、測試流程、儀器設備、業(yè)界認證及專業(yè)的測試標準等。

• 擴展篇：從傳統(tǒng)的EXT4文件系統(tǒng)到對閃存更友好的F2FS文件系統(tǒng)都進行了全面解讀。

作者介紹

SSDFans　由蛋蛋（段星輝，江波龍首席軟件工程師）、阿呆（趙占祥，云岫資本合伙人兼CTO）、Marx（王圣，CNEXLABS 固件開發(fā)高級經(jīng)理）、SSD攻城獅于2014 年創(chuàng)立，他們因共同的夢想和追求走到一起。SSDFans 創(chuàng)立的初衷是普及固態(tài)存儲相關知識，為祖國的固態(tài)存儲事業(yè)添磚加瓦。SSDFans 是目前國內(nèi)乃至在世界范圍內(nèi)的華人圈中都頗具影響力的 SSD固態(tài)硬盤技術社區(qū)。

• 胡波　畢業(yè)于華中科技大學控制系，在固態(tài)存儲行業(yè)從業(yè)15年，現(xiàn)就職于Solidigm從事企業(yè)級SSD相關工作，曾就職于美光、戴爾、聯(lián)蕓等，負責研發(fā)、PM、市場、銷售、質(zhì)量、AE/FAE等工作，涉及的產(chǎn)品有NAND、DRAM、SSD、UFS、控制器等。業(yè)余時間熱衷寫作和分享交流，希望為推動國內(nèi)固態(tài)存儲生態(tài)和技術發(fā)展貢獻自己的力量。

• 石亮　華東師范大學教授/博導，上海市“科技啟明星”。研究方向包括存儲介質(zhì)可靠性、存儲控制算法、存儲文件系統(tǒng)以及全系統(tǒng)軟硬件協(xié)同技術。在FAST、ATC、MICRO、HPCA等國際頂級會議上發(fā)表多篇論文。在存儲領域有較高的學術和企業(yè)貢獻。

• 岑彪 上海鸞起科技創(chuàng)始人，復旦BI MBA 。曾就職于AMD、Seagate(LSI)、CNEXLABS等公司，當前所在的上海鸞起科技是一家專注于存儲產(chǎn)品測試設備開發(fā)的科技公司。10余年SSD主控及模組測試經(jīng)驗，是國內(nèi)較早一批從事SSD研發(fā)的工程師，參與過的產(chǎn)品包括SandForce的SATA主控，CNEXLABS PCIe系列主控、DPU等產(chǎn)品。SSD產(chǎn)品測試經(jīng)驗豐富。

名人推薦

我國企業(yè)近幾年在存儲領域發(fā)展迅速，在存儲技術創(chuàng)新和制造方面的實力越來越強，在這個過程中《深入淺出SSD》在技術普及方面的貢獻也是一股推動力。

——蔡華波 江波龍董事長

《深入淺出SSD》第2版對閃存技術原理和發(fā)展趨勢進行了專業(yè)、系統(tǒng)、全面、完整的講解，必將推動SSD的進一步發(fā)展和普及。

——陳 軼 長江存儲執(zhí)行副總裁

《深入淺出SSD》第2版在內(nèi)容方面進行大幅升級，補充更新了ZNS等新技術和對市場新格局的介紹，強烈推薦大家閱讀。

——楊亞飛 博士/大普微電子董事長

我代表得瑞領新祝賀《深入淺出SSD》第2版成功上市，希望這本書能給行業(yè)帶來更多新關注、新血液、新資源。

——張建濤 得瑞領新董事長

本書最大的價值是幫助你系統(tǒng)而深入地學習SSD技術及知識，是所有固態(tài)存儲領域的從業(yè)者必讀書籍。

——康 毅 芯盛智能總裁

本書分析了SSD技術發(fā)展的脈絡，并全面覆蓋了SSD技術棧，真正做到了“深入淺出”，是有志從事SSD行業(yè)的工程師的良師益友。

——王 燦 佰維存儲CTO

通過閱讀本書，相信無論是剛剛進入這一行業(yè)的新人，還是久戰(zhàn)沙場的老兵都會收獲滿滿。

——張?zhí)?憶恒創(chuàng)源CEO

《深入淺出SSD》第2版必將成為數(shù)據(jù)存儲領域不可或缺的參考書。

——張 彤 ScaleFlux首席科學家

SSD形態(tài)、協(xié)議、訪問接口及存內(nèi)計算等技術的不斷演進，驅(qū)動了《深入淺出SSD》第2版的上市。希望第2版能夠給廣大存儲從業(yè)者、愛好者帶來幫助和提高。

——黃 亮 “企業(yè)存儲技術”微信公眾號作者

完整目錄

Contents目　　錄贊譽序1序2前言產(chǎn)品與市場篇第1章　SSD綜述  21.1　引子  21.2　SSD與HDD  41.3　固態(tài)存儲及SSD技術發(fā)展史  71.4　SSD基本工作原理  151.5　SSD產(chǎn)品核心指標  171.5.1　基本信息剖析  181.5.2　性能剖析  211.5.3　壽命剖析  241.5.4　數(shù)據(jù)可靠性剖析  261.5.5　功耗和其他剖析  291.5.6　SSD系統(tǒng)兼容性  321.6　接口形態(tài)  331.6.1　2.5in  351.6.2　M.2  351.6.3　BGA SSD  371.6.4　U.2  381.6.5　EDSFF  38第2章　SSD及閃存市場  432.1　SSD市場  432.1.1　消費級SSD取代HDD  432.1.2　SSD和HDD應用場合  452.1.3　SSD市場情況  452.1.4　國產(chǎn)SSD廠商和產(chǎn)品  462.2　閃存市場  572.2.1　最新原廠動態(tài)  572.2.2　閃存發(fā)展趨勢  72第3章　專用SSD存儲  763.1　可計算存儲  763.1.1　可計算存儲的誕生背景  763.1.2　可計算存儲的應用探索  783.1.3　可計算存儲的成功案例  843.1.4　可計算存儲的前景展望  863.2　航天存儲  873.2.1　背景  873.2.2　航天存儲系統(tǒng)技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢  88核心技術篇第4章　SSD主控  944.1　解讀控制器架構  944.2　SSD主控廠商  994.2.1　SSD主控國際大廠  1004.2.2　SSD主控國內(nèi)廠商  103第5章　NAND閃存  1225.1　閃存基本原理  1225.1.1　存儲單元及相關操作  1225.1.2　閃存類型  1255.1.3　閃存組織結構  1285.1.4　擦、寫、讀操作  1305.1.5　閾值電壓分布圖  1335.2　閃存可靠性問題  1365.2.1　磨損  1365.2.2　讀干擾  1375.2.3　寫干擾和抑制編程干擾  1385.2.4　數(shù)據(jù)保持  1405.2.5　存儲單元之間的干擾  1415.3　數(shù)據(jù)可靠性問題的解決方案  1425.4　3個與性能相關的閃存特性  1445.4.1　多Plane操作  1445.4.2　緩存讀寫操作  1465.4.3　異步Plane操作  1475.5　3D閃存  1485.5.1　使用3D技術提高閃存密度  1485.5.2　3D閃存存儲單元  1505.5.3　3D閃存組織結構  1525.5.4　3D閃存外圍電路架構  154第6章　FTL詳解  1566.1　FTL綜述  1566.2　映射管理  1586.2.1　映射的種類  1586.2.2　映射的基本原理  1606.2.3　HMB  1636.2.4　映射表寫入  1646.3　垃圾回收  1656.3.1　垃圾回收原理  1656.3.2　寫放大  1746.3.3　垃圾回收實現(xiàn)  1766.3.4　垃圾回收時機  1876.4　解除映射關系  1876.5　磨損均衡  1896.6　掉電恢復  1916.7　壞塊管理  1936.7.1　壞塊鑒別  1946.7.2　壞塊管理策略  1956.8　SLC緩存  1966.8.1　SLC緩存寫入策略和分類  1966.8.2　讀寫過程  1976.8.3　數(shù)據(jù)遷移  1986.9　讀干擾和數(shù)據(jù)保持  199第7章　ECC原理  2027.1　信號和噪聲  2027.2　通信系統(tǒng)模型  2037.3　糾錯編碼的基本思想  2047.3.1　編碼距離  2057.3.2　線性糾錯碼的基石—奇偶校驗  2057.3.3　校驗矩陣H和生成矩陣G  2067.4　LDPC原理簡介  2077.4.1　LDPC是什么  2077.4.2　Tanner圖  2087.5　LDPC解碼  2097.5.1　Bit-f?lipping算法  2097.5.2　和積信息傳播算法  2117.6　LDPC編碼  2167.7　LDPC糾錯碼編解碼器在SSD中的應用  217協(xié)　議　篇第8章　PCIe介紹  2228.1　從PCIe的速度說起  2228.2　PCIe拓撲結構  2258.3　PCIe分層結構  2288.4　PCIe TLP類型  2318.5　PCIe TLP結構  2348.6　PCIe配置和地址空間  2398.7　TLP的路由  2448.8　數(shù)據(jù)鏈路層  2518.9　物理層  2568.10　PCIe重置  2598.11　PCIe最大有效載荷和最大讀請求  2648.12　PCIe SSD熱插拔  2658.13　SSD PCIe鏈路性能損耗分析  2668.14　PCIe省電模式ASPM  2698.15　PCIe其他省電模式  2728.16　PCIe 4.0和5.0介紹  2738.17　SR-IOV  274第9章　NVMe介紹  2779.1　AHCI到NVMe  2779.2　NVMe綜述  2799.3　吉祥三寶：SQ、CQ和DB  2839.4　尋址雙雄：PRP和SGL  2899.5　Trace分析  2959.6　端到端數(shù)據(jù)保護  2999.7　Namespace  3039.8　NVMe動態(tài)電源管理  3089.9　NVMe over Fabrics  3129.9.1　概述  3149.9.2　NVMe over RDMA概述  3189.9.3　NVMe over TCP概述  3229.9.4　案例解讀  3259.9.5　全閃存陣列  3349.10　ZNS簡介  3479.10.1　從Open-Channel說起  3479.10.2　ZNS的核心概念  3509.10.3　ZNS中的核心命令  3549.10.4　ZNS的優(yōu)勢  3569.10.5　ZNS SSD應用場景和軟件生態(tài)  3569.11　CMB和HMB簡介  3589.11.1　CMB簡介  3589.11.2　HMB簡介  3589.12　Key Value命令集簡介  3599.12.1　Key Value存儲架構  3599.12.2　NVMe Key Value命令集  361第10章　UFS介紹  36310.1　UFS簡介  36310.2　UFS協(xié)議棧  36810.2.1　應用層  36910.2.2　傳輸層  37110.2.3　互聯(lián)層  37110.3　UPIU  37310.3.1　UPIU事務  37410.3.2　UPIU格式  37710.4　邏輯單元  37910.5　RPMB  38110.6　UFS低功耗簡介  38610.7　WriteBooster  38810.8　HPB  390測　試　篇第11章　SSD測試  39411.1　初始SSD測試  39411.1.1　協(xié)議驗證測試  39411.1.2　系統(tǒng)應用測試  39511.1.3　SSD的主要測試內(nèi)容  39511.2　SSD常規(guī)性能測試  39811.2.1　消費級SSD性能測試  39911.2.2　企業(yè)級SSD性能測試  40011.2.3　SNIA測試  40611.3　FTL功能模塊測試  41211.3.1　寫放大測試  41211.3.2　垃圾回收測試  41311.3.3　磨損均衡測試  41511.4　掉電恢復測試  41611.4.1　SSD掉電恢復測試  41611.4.2　整機掉電測試  41711.5　數(shù)據(jù)完整性測試  41811.6　回歸測試  41911.7　DevSlp測試  42011.8　PCISIG測試  42211.9　耐久度測試  42411.10　驗證與確認  42911.11　測試設備與儀器  43011.11.1　仿真器  43011.11.2　PCIe協(xié)議分析儀  43111.11.3　Jammer  43811.11.4　測試平臺eBird介紹  43911.11.5　Gen 4&5 NVMe SSD研發(fā)測試工具  44211.11.6　NVMe SSD熱插拔、掉電、電壓拉偏、功耗測試、邊帶信號測試  44311.11.7　NAND閃存測試工具  44711.11.8　SSD存儲開放實驗室介紹  447擴　展　篇第12章　閃存文件系統(tǒng)  45212.1　EXT4文件系統(tǒng)  45212.1.1　EXT4的發(fā)展歷史  45212.1.2　EXT4的物理結構  45512.1.3　EXT4的內(nèi)存結構  45712.1.4　EXT4的容量擴展：范圍映射  46212.1.5　EXT4的分配策略  46412.1.6　EXT4的可靠性  46512.1.7　EXT4的局限性  46512.2　F2FS文件系統(tǒng)  46612.2.1　F2FS磁盤布局  46612.2.2　F2FS中的重要算法  47012.2.3　F2FS特點總結  47312.2.4　F2FS最新進展  474

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