SSD 与传统磁盘的本质区别

机械硬盘 (HDD) 是”可原地覆盖”的磁介质；而 NAND Flash 不能原地覆盖——写入前必须先擦除，且擦除单位远大于写入单位。这一不对称性塑造了 SSD 的全部工程难题，也直接影响数据库的写入策略。

存储单元：浮栅晶体管

NAND 的每个存储单元是一个浮栅 (Floating Gate) 晶体管，通过俘获电荷表示比特：

         控制栅 (Control Gate)
             │
        ┌────┴────┐
        │ 浮栅 FG │ ← 注入电子 = 0（阈值电压升高）
        │  (电荷) │ ← 放出电子 = 1（阈值电压降低）
        └────┬────┘
         隧道氧化层
             │
          衬底 (Substrate)
  • 电子注入浮栅（隧穿）→ 阈值电压高 → 记为 0
  • 放出电子 → 阈值电压低 → 记为 1
  • 电荷可保留多年（但有泄漏，需 ECC 纠错）

SLC / MLC / TLC / QLC：一个单元存 1/2/3/4 比特，密度越高越便宜，但擦写寿命与速度越差。

页、块与读写擦的不对称

NAND 以页 (Page, 4-16KB) 为读写单位，但以块 (Block, 数十至数百页) 为擦除单位：

Block (如 256 页)
┌────┬────┬────┬─────┬────┐
│Page│Page│Page│ ... │Page│  ← 读/写以页为单位
└────┴────┴────┴─────┴────┘
        ↑ 整块一起擦除

关键约束：

操作最小单位速度
读页快 (~100 μs)
写(编程)页中 (~200 μs)
擦除块慢 (~2-3 ms)

不能原地更新：要改某页，必须先把整个块读到缓存，擦除整块，再写回新数据。

FTL：闪存转换层

SSD 内部有控制器运行 FTL (Flash Translation Layer)，把操作系统的”逻辑块地址 (LBA)“映射到物理页，并对外伪装成可随机覆盖的块设备：

OS: 写 LBA 100 → 覆盖
        │
        ▼
   FTL: 实际写到新物理页 P新，
        把旧页 P旧 标记为无效 (invalid)
        更新映射表 100 → P新
  • 写入放大 (Write Amplification)：逻辑写 4KB，物理可能写 16KB+（含块回收）
  • 映射表常驻 DRAM（断电靠掉电保护电容刷回）

写放大与垃圾回收

有效页 (valid) 与无效页 (invalid) 混在一个块里。回收必须：

1. 选中有较多无效页的块
2. 把块内有效页 搬移 到别处
3. 整块擦除
4. 标记为可用
回收前:  [V][I][V][I][I]   V=有效 I=无效
搬移后:  [V][V]  →  另存
擦除后:  [ ][ ][ ][ ][ ]   整块清空，可再写

写放大因子 = 物理写入量 / 主机写入量。随机小写入、填充率过高都会放大写放大，拖慢 SSD 并加速磨损。

磨损均衡 (Wear Leveling)

每个块擦写次数有限（TLC ~1000-3000 次，SLC 数万次）。FTL 通过磨损均衡均衡各块擦写：

  • 动态：优先用擦写少的块接收新数据
  • 静态：偶尔把”只读冷数据”搬移，让长期不写的块也参与磨损

TRIM 与读取干扰

  • TRIM/DISCARD：OS 告知 SSD 某 LBA 已删除，FTL 提前标记无效页，减少后续垃圾回收负担。数据库的 VACUUM / 文件删除后及时 TRIM 很重要。
  • 读取干扰 (Read Disturb)：频繁读某页可能干扰同块其他页电荷，控制器会定期重定位。

对数据库的启示

SSD 特性数据库应对
顺序写远快于随机写WAL 顺序追加；LSM 顺序 Compaction
写放大避免频繁小随机更新；批写
不能原地更新追加写 / COW（如 WAL、B-tree 的 HOT）
TRIM 重要删除后 TRIM；定期 vacuum
磨损有限写密集负载选高耐久盘 (TLC/企业级)

SSD 让”随机读”不再致命（比 HDD 快 ~100 倍），但随机写仍是其相对弱点——这正是 WAL 与 LSM-Tree 设计的核心动机。

参考