对于刚入行SSD产业的小白来说，一路坎坷迷茫过来，非常想将网络上前辈们零散的讲解，再做个适合自己理解的收集整理归纳，同时也方便能为后来者参考，共同进步。
SSD: 固态硬盘 (Solid State Drive) 的缩写。SSD是一种可将数据读写到闪存芯片上的存储设备，其存储介质称为NAND闪存。与HDD相比，SSD具有包括更快的处理速度和更低的功耗在内的诸多优势。SSD通常有闪存+控制器IC+缓存(可省)组成。
Nand闪存：有两种类型的闪存，NOR和NAND，NAND用于高容量数据存储。
控制器IC：一种具有控制闪存读写和纠错等功能的IC。
谈闪存，须从Wafter（晶圆）讲起。沙子经过高温提炼做成高纯度硅晶体柱，再切割成圆形薄片，称为晶圆，再经过激光精密蚀刻等无数道工序，在其上形成无数个具有特殊功能的晶粒（Die）。
Die 就是芯片未封装前的晶粒，每一个Die就是一个独立的功能芯片，它无数个晶体管电路组成，但最终将被作为一个单位而被封装起来，便成为我们常见的闪存颗粒了。
什么是ink Die
在晶圆制造过程中，会对Wafer中的每个Die进行严格测试，通过测试的Die，就是Good Die，未通过测试的即为Ink Die。这个测试过程完成后，会出一张Mapping图，在Mapping里面会用颜色标记出不良的Die，故称Ink Die。
由闪存原厂亲自对Wafer完成检测和封装的Good Die叫原片，Ink Die叫黑片。若由大的第三方检测封装厂将激光蚀刻好的晶圆(Wafer)买回去，自己来检测和封装的，叫白片。
Die和颗粒的关系
白片和原片都是封装后的闪存颗粒，不同在于只有原片是闪存制造商亲自完成筛选和品质认证。由于NAND Flash单颗Die的容量有限，为了实现更高的容量，需要在一个封装片内堆叠几个Die。在Wire Bond的时候，用金线互连。通过叠Die（(Stack Die）可以在一个闪存颗粒中封装1~16个不等的Die，封装的Die数量越多，闪存颗粒容量越大。
Flash芯片封装技术分类
目前NAND Flash常见的封装方式多采取TSOP、FBGA等方式，TSOP封装只需要一个引脚框架，把NAND FLASH Die的Pad打线(Wire Bond)连接到引进框架上面即可。封装技术简单，成本低。但其打线方式只能从两边打线，因此stack die就比较困难。
BGA封装与TSOP封装不同在于其采用了Substrate，用电路板来对引脚走线，因此可以进行四面打线，这样在进行叠die的时候，就变得更加容易操作。但成本会比TSOP要高。
NAND Flash工艺分类
若按工艺分类，可分为SLC，MLC，TLC，QLC。
SLC英文全称(Single Level Cell)，每个Cell单元存储1bit信息，也就是只有0、1两种电压变化，结构简单，电压控制也快速，反映出来的特点就是寿命长，性能强，P/E寿命在1万到10万次之间，但缺点就是容量低而成本高，毕竟一个Cell单元只能存储1bit信息。
MLC英文全称(Multi Level Cell)，每个cell单元存储2bit信息，需要更复杂的电压控制，有00,01,10,11四种变化，这也意味着写入性能、可靠性能降低了。其P/E寿命根据不同制程在3000-5000次不等
TLC英文全称(Triple Level Cell)，每个cell单元存储3bit信息，电压从000到001有8种变化，容量比MLC再次增加1/3，成本更低，但是架构更复杂，P/E编程时间长，写入速度慢，P/E寿命也降至1000-3000次，部分情况会更低。寿命短只是相对而言的，通常来讲，经过重度测试的TLC颗粒正常使用5年以上是没有问题的。TLC又有2D-TLC与3D-TLC两种，那如何理解2D NAND和3D NAND之间的区别和联系呢？2D NAND就如何在一块有限的平面上建立数间平房，这些平房整齐排列，但随着需求量的不断增加，平房的数量不断井喷，可最终这块面积有限的平面只能容量一定数量的平房，而无法继续增加。
3D NAND则如何在同一块平面上盖起的楼房，在同样的平面中，楼房的容积率却远远高于平房，因而它能提供更多的空间，也就是提供了更大的存储空间，而32层，48层及64层则是这些楼房的高度，一共堆叠了多少层。目前市面上以3D-TLC居多。3D-TLC又再细分为32层3D-TLC、64层3D-TLC、96层3D-TLC以及最新的128层3D-TLC。
QLC英文全称(Quad Level Cell),或者可以叫4bit MLC，电压有16种变化，但是容量能增加33%，就是写入性能、P/E寿命与TLC相比会进一步降低。具体的性能测试上，美光有做过实验。读取速度方面，SATA接口中的二者都可以达到540MB/S，QLC表现差在写入速度上，因为其P/E编程时间就比MLC、TLC更长，速度更慢，连续写入速度从520MB/s降至360MB/s，随机性能更是从9500 IOPS降至5000 IOPS，损失将近一半。
这四类闪存颗粒中，SLC的性能最优，价格也是最高，一般用作对于可靠性、稳定性和耐用性有极高要求的工业控制、航天军工、通信设备等企业级客户；MLC性能够用，稳定性比较好，价格适中，为工业级和车规级SSD应用主流；TLC是目前消费级SSD的主流，价格便宜，但可以通过高性能主控、主控算法来弥补、提高TLC闪存的性能；QLC是奔着更大容量和更低成本来的，相信未来QLC闪存颗粒会使得固态硬盘进入大容量廉价时代。
Flash固有坏块
由于制造工艺的原因，通常普通的NAND FLASH从出厂开始就有坏块了，一般在2‰以下。一般芯片原厂都会在出厂时都会将坏块第一个page的spare area的第6个byte标记为不等于0xff的值，所以这些固有坏块也叫原厂坏块。
NAND Flash的存储单元也是有使用寿命的。NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。隧道注入和隧道释放的产生都需要20V左右瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。
SSD硬盘的寿命
如果每天对SSD写入4.8GB的数据，假设SSD总容量为16GB，那么，你至少需要3.34天才能对整个SSD的每个单元擦写一次；如果此SSD为擦写次数为100K的SLC单元，那么，你至少需要3.34×100K天才能使这个SSD完全失效；3.34×100K天＝913年，因此16G的SSD可以使用913年。那么，如果是MLC的话，也至少可以使用91.3年。
SSD硬盘性能指标：
顺序读写Seq：顺序读写是我们日常使用电脑做一下数据的拷贝，转移时常见的操作，这是读写的过程都是有规律的序列。所以一般SSD的顺序读取速度都是不会太慢的。
4K随机读写（4K）：4K随机读写一般是指在系统级别的操作，比如系统开关机，调用软件运行等操作时的读写速度，因为这些操作调用的数据都是无规律的小数据，而4KB是目前系统内不受压缩的最小数据块规模，所以才将4K读写作为一个测试的指标。4K的读写速度越快，说明系统的运行越流畅，反过来也说明SSD的性能越强。
访问延迟（Acc.time）：一般指系统调用硬盘数据时需要的时间，一般的SSD的访问延迟都是低于1ms的，速度是传统机械硬盘的一千倍左右。这也是SSD做系统盘之后我们都可以感受的提升巨大的原因，越高端的SSD的访问延迟越低。
IOPS：是指单位时间内系统能处理的I/O请求数量，一般都是以每秒的I/O请求处理量为基准，IOPS数值越高，说明系统处理速度越快，SSD的性能也越强。
总线与协议
总线就是数据拿到CPU中要走的路线。有两条路，一条叫SATA，最快也只有550M/S的传输速度。另一条叫PCI-e，通常能达到3000M/S。其差异巨大在于两条路行驶规则不同，SATA使用AHCI协议，最多只能同时处理1个队列32个指令，而PCI-e使用NVME协议，能同时处理65000个队列65000个指令。
也可以这么理解，SATA是单行道(AHCI协议)，即使数据都到了，但路窄，通行缓慢，而PCI-e是多行道(NVME协议)，同样多的数据，人家走的就快，这就是总线和总线协议的简单比方。关于有协议和无协议，在说明一下，PCI-E x4好比一条平坦的告诉公路，而现实中的高速公路上每辆车车速是不同的，跑车总会比轿车跑的快。有用NVMe协议的SSD就相当于专门针对这条平坦告诉公司而设计的超级跑车，同样走PCI-E x4的车道，不支持NVMe协议的SSD，最大只能跑1500M/S，而支持NVMe协议的SSD就可以跑到3000M/S甚至以上。
PCI-E总线又有几个等级，PIC-E x1，PIC-E x2，PIC-E x4，PIC-E x4，PIC-E x8，PIC-E x16，数字越大，速度就越快。目前都是用x2，x3这个等级。
常见接口类型
为了实现更快的速度，更多的使用环境，更好的体验，SSD的接口也在不断进化革新，像主流SSD就有SATA接口，M.2接口，PCIe接口和mSATA接口。其各有何不同，有适合何种平台使用呢？
1- 作为目前应用最多的硬盘接口，SATA3.0接口最大优势是成熟。普通2.5英寸SSD及HDD硬盘都采用这种接口，理论传输带宽6Gbps，虽然比起新接口的10Gbps及32Gbps带宽有一定的差距，但相对于100MB/s左右读写速度HDD机械硬盘来说，普通2.5SSD可以满足大多数用户日常需求，其500MB/s的读写速度也够用。
2- 在传统SATA硬盘中，当进行数据操作时，数据会先从硬盘读取到内存，再将数据提取至CPU内部进行计算，计算后再反馈给内存，最后写入硬盘中。而PCIe接口则不同，数据直接通过总线与CPU直连，省去了内存调用硬盘的过程，传输效率与速度都成本提升。打个比方，PCIe像汽车在高速上行驶，而SATA像汽车在崎岖山路上行驶。因PICe SSD闪存颗粒和主控的品质极高，其总体成本也相对较高，售价比传统SATA SSD贵一些。
3- M.2接口，有M Key和B Key两种接口。B KEY接口插在B KEY插槽中，金手指5针在左边，为老式M.2插槽，又称“SOCKET 2"，用在老式主板和笔记本上，支持：PCI-E x2总线，和SATA总线上，速度上线为1000M/S。M KEY接口插在M KEY插槽中，金手指4针在右边，为新式M.2插槽，又称"SOCKET 3",用在近几年的新主板上，支持：PCI-E x4总线，与CPU直连，速度可达1500M/S以上，如果支持NVMe协议，速度轻松达到2000M/S以上。B KEY和M KEY可以同时用成为B&M型接口，对SSD兼容性好，两种M.2插槽都能用，但是速度稍慢，虽大也就是1000M/S.
可见，M.2接口可以同时支持SATA及PCIe通道，后者更容易提高带宽，如果是采用SATA通道的M.2接口SSD，则读写速度在550MB/S左右。虽然M.2 SSD在性能上与SATA SSD没有太大优势，在其纤薄五外壳设计，且价格也跟SATA SSD差不多，特别适合用在超薄类笔记本/MINI/HTPC主机里。那同是M.2接口，为何会有PCIe和SATA之分？在于两者所走的通道不同，M.2有两种接口定义：Socket2和Socket3。Socket2支持SATA，PCI-Ex2通道的SSD，而Socket3专为高性能存储设计，支持PCI-Ex4。至于M.2接口支持哪种通道的SSD，这是由SSD的主控决定的。走不同通道，速度自然有差异，SATA3.0通道理论带宽是6Gb/s。理论极限传输速度600MB/s，若主板M.2接口走PCIe通道，其传输带宽为10Gb/s，其连续读写可达1500MB/s和1000MB/s，完全超过了SATA3.0极限传输速度。
4- 早期为适应超极本这里超薄设备的使用环境，针对便携设备开发的mSATA接口产生，可看作标准SATA接口的mini版，物理接口跟mini PCIe接口一样。mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程，不过mSATA依然没有摆脱SATA接口，依然是SATA通道，速度是6Gbps，但诸多原因，其被M.2 SSD取代。
所以，四种接口类型，见证了高性能存储SSD的发展历程。
关于NAND组成结构
当前，3D TLC NAND技术已成为行业主流，其凭借颗粒立体式堆叠方式，突破了因晶圆物理极限而无法进一步扩大单Die可用容量的限制，从而实现了在相同大小的体积内存储颗粒总体容量的飙升。同时，NVMe协议的普及应用，为PCI-e SSD的性能提升再次带来飞跃，主要体现在低延时，可拓展性，安全性等方面。
一方面NVMe设备和CPU直连，协议开销大幅减小，另一方面可以最大化利用CPU Lane资源，例如显卡使用 x16个Lane，网卡一般用 x4或者 x8个Lane，而PCIe SSD可以启用更多Lane资源，单个Lane的理论带宽可达1GB/s，支持Lane越多，性能越高。所以若设备支持 x16 Lane，总带宽将达16 GB/s
说起多Plane概念，须从Die讲起。Die（晶粒）就是以半导体材料制作成未经封装的一小块集成电路，通常情況下，集成电路是以大批方式，经过光刻等多項步驟，制作在大片的半导体晶圆（wafer）上，然后再分割成方形小片，这一小片就称为Die。
在NAND结构中，自下而上的组成元素为Cell（存储单元）、Page（页）、B lock（块）、Die（晶粒，也称LUN）、Target、存储颗粒。如下NAND结构图，4个“Plane”集成为一个Die，并可以对4个“Plane”同时做并发工作，这一技术称为多Plane操作。在物理上多个Die会被封装成一个Target，共享一套控制信号线 。
而不同的NAND厂商提供的“Die”封装所有不同，如单Die封装（SDP，Single Die per Package）、 两个Die的封装（Double Die per Package)、4 Die封装（QDP，Quad Die per Package）和8 Die封装（ODP，Octal Die per Package）
多Plane操作为什么会提升SSD性能？多Plane操作通过指令对4个“Plane”同时进行并发工作（读、写、擦），来平衡“垃圾回收”和前端写入，从而确保SSD读写性能。“垃圾回收”通俗来讲，就是将存放在“Page”中的数据进行擦除，从而写入新的数据。但这些指令必须满足以下条件，方能事半功倍。
- 访问相同的Die地址
- 同一个Die中访问不同的Plane地址
- 每个Plane中访问的Page地址必须一致
如下示意图，即可看出多Plane写和单Plane写的不同。如果SSD接收到64K的用户写请求，NAND Page大小为16K，单Plane写操作分别将切分的用户数据块（16K）写入不同Die中的Page；如果64K的写入符合多Plane写操作的条件，会同时写入同一个Die，不同Plane的Page中。这样一来，多Plane写操作充分发挥并发写能力，进而提升数据写入的速率。
而NAND的组成结构的细分，会体现在主控FW对NAND操控上，例如下图所示，是合肥沛睿(RealTek子公司)SSD方案主控RM1135 MPTOOL的UI界面：
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