【深入浅出SSD】话说固态硬盘里的HMB和SLC Cache技术

木植水土

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现在看到一些固态硬盘提到采用一种名为“SLC Cache”的智能缓存技术，例如这款致钛ZHITAI Tiplus7100 M.2 NVMe PCIe4.0×4 SSD就用到了SLC Cache技术，即采用HMB机制+SLC Cache组成智能缓存，匹配高速运行状况，让电脑开机、启动应用程序、加载游戏、保存文件、传输数据等环节流畅，无卡顿。


一、何为HMB？

HMB是Host Memory Buffer（中文描述即主机内存缓冲技术）的简写，该项技术可使SSD在无独立缓存的情况下，借助内存的高速读写特性来提升自身性能，以最终达到与自带独立缓存的SSD的多数性能效果。从NVMe 1.2协议规范开始，到现在新版本的NVMe协议规范，均可支持HMB主控内存缓冲功能，这意味着只要主控芯片支持HMB技术，采用该主控芯片的NVMe SSD在进行读写时，会自动启用HMB功能提速，当遇到系统内存不稳定，可能会危及SSD数据安全时，主控会自动关闭HMB功能来保全数据。根据HMB技术的原理，虽然SSD没有配置独立缓存，但是可以在主机的内存中留出一块缓存区（只需占用主机内存很小的空间，如128MB）专门供SSD使用，这部分调用的内存会根据读写情况智能协调主机CPU与固态硬盘之间的数据交换，对主机CPU和整机性能没有任何影响。


虽然说可以让整体性能跟得上带独立缓存的SSD，但是带独立缓存DRAM的SSD的个别性能如IOPS性能还是具有一定的优势，对SSD的寿命更有保障一些。带独立DRAM缓存的SSD，也可以有SLC Cache智能缓存应用。
二、大话SLC Cache

1、FLASH闪存类型与SLC Cache关系

在介绍SLC Cache之前，先来介绍一下FLASH闪存颗粒的类型。我们知道闪存颗粒的主要类型有SLC、MLC、TLC、QLC等，目前消费市场上的主流固态硬盘多数采用TLC闪存颗粒，有少量大容量的固态硬盘采用QLC颗粒，或者采用QLC+TLC颗粒混搭模式。SLC、MLC、TLC、QLC在性能和寿命上的对比如下所示。

闪存类型	SLC	MLC	TLC	QLC
每单元比特数	1	2	3	4
擦写次数（次）	约10万	约5000	约1000	约150
读时间（μs）	约25	约50	约75	比TLC更长
写时间（μs）	约300	约600	约900	比TLC更长
擦写时间（μs）	约1500	约3000	约4500	比TLC更长

显然，同容量的TLC固态硬盘和QLC固态硬盘对比，TLC固态硬盘在速度性能和使用寿命上比QLC固态硬盘要优秀，TLC固态硬盘有更好的读写性能和更长的擦写寿命。
那么，针对现在主流的TLC固态硬盘，有些TLC固态硬盘采用了一项名为“SLC Cache”的技术，利用SLC先天比TLC具有更好的读写性能、更长的擦写寿命和更好的耐写性，来提升固态硬盘TLC闪存的性能和使用寿命。
固态硬盘采用SLC来做Cache缓存可以让固态硬盘具有更优秀的随机突发性能，这一点毋容置疑，但是要特别提醒的是，不会单独拿SLC闪存做Cache，而是把TLC（MLC也一样）里面的一些较好的闪存块配置成SLC模式来访问，在SLC模式下的闪存块比TLC模式下（MLC模式下同样原理）的闪存块具有更快的读写速度、更耐久的擦写寿命（更耐写），将模拟成SLC模式使用的闪存块用作Cache是可以充分利用SLC性能好、寿命长、更耐写的优点。
2、SLC Cache的用途

SLC Cache的用途包括：利用SLC性能；防止Lower Page数据被带坏；解决闪存缺陷；能有更多的数据写入量（SLC更耐写）等。


3、SLC Cache是如何写入数据的？

SLC Cache的写入策略有两种机制，一种是强制SLC写入，另一种则是非强制SLC写入。


4、SLC Cache应用状况

SLC Cache常见应用于消费级固态硬盘SSD，在一些eMMC、UFS等移动存储中也常使用SLC Cache，这些产品一般都没有电脑保护，而SLC Cache能保证Lower Page数据不丢失，并且SLC Cache的应用，有助于让固态硬盘等产品具有更好的突发性能来处理电脑开机、应用程序启动、游戏加载、文件保存和传输数据等各个环节。
在企业级固态硬盘SSD中不见得需要应用SLC Cache，因为企业级固态硬盘SSD主要求稳，很多时候不希望企业级固态硬盘的速度一会飙升（写“SLC”），接着速度急剧下降（写TLC）。另外，企业级固态硬盘一般都设计有保护电容，用来保护闪存的正常写入，不需要处理Lower Page数据被带坏的问题，因为不会出现Lower Page数据被带坏的状况，也就没有必要采用SLC Cache这种方法来保护数据。
5、SLC Cache配置“SLC闪存块”的方式

SLC Cache配置“SLC闪存块”的方式除了上面提到的从TLC/MLC颗粒中挑选部分用来当SLC Cache，即挑选部分TLC/MLC颗粒模拟成SLC使用，这样SLC和TLC其实就是一家人，只是被挑选出来的颗粒被赋予了一些“高级能力”实现了潜能升级，这是所谓的“动态SLC Cache”方式。此外，还可以拿出一些通用SLC闪存块的Block（区）专门用作SLC Cache，以构建成静态SLC Cache。或者两者混合，即动态SLC Cache和静态SLC Cache一起混用。
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