天碩（TOPSSD） G40系列工業級固態硬盤采用自研主控及全鏈路國產化替代方案，可在 -40℃~85℃ 寬溫范圍內穩定運行；遵循國家軍用標準進行設計驗證，更能勝任嚴苛環境下的長時任務。系列產品長期服務軍用嵌入式計算機、指揮控制系統、雷達、電子對抗、軌道交通與高端工業自動化等關鍵應用，是艦載、機載、裝甲車輛等裝備的優選核心部件。
當我們拿到一塊標著 2TB 容量的 SSD 時，很難想象這個巴掌大的小盒子里，其實塞進了數以萬億計的存儲單元。更讓人驚嘆的是，這些存儲單元并不是雜亂無章地堆在一起，而是像一座設計精密的城市一樣，有著層層遞進的規劃。
這篇文章，我們就從最底層的存儲單元開始，一層一層往上，看看閃存內部到底是怎么組織的，以及天碩的 Die RAID 技術又是如何在這一架構上為數據安全加上一道保險的。
現在的閃存芯片，一個最小獨立工作單元（Die）容量已經非常大了，常見的有 256Gb、512Gb，甚至 1Tb。
如果我們按一個存儲單元能存 3 個比特來算，一個 1Tb 的 Die 最少需要大約 1024×1024×1024×1024 ÷ 3 個存儲單元。
這么多存儲單元，是怎樣有條理地組織成一個 Die 的呢？
從大的結構看，一個閃存 Die 內部先分成許多塊（Block），每個塊里面又分成許多頁（Page）。這里有個重要的規則：擦除操作的最小單位是塊，而讀寫操作的最小單位是頁。
現在主流的頁大小是 16KB（實際比 16KB 略大，多出來的空間用來存放數據校驗信息，不過我們后面都按 16KB 來介紹）。僅一個 16KB 的頁，就需要至少 16×1024×8 個存儲單元。那這些存儲單元又是怎么進一步組成頁和塊的呢？這就要從更微觀的角度來看了。
我們可以把閃存塊想象成一張巨大的方格網：
● 橫向的線叫字線（WL），
● 縱向的線叫位線（BL），
● 每一個交叉點上，就是一個存儲單元（一個晶體管）。
晶體管的控制極連著字線，源極和漏極連著位線。根據閃存類型不同，一條字線上可以掛不同數量的頁：
● 如果是 SLC（每個單元存 1 比特），一條字線就對應 1 個頁；
● 如果是 MLC（每個單元存 2 比特），一條字線對應 2 個頁，通常稱為 LP 和 UP；
● 如果是 TLC（每個單元存 3 比特），一條字線對應 3 個頁，通常稱為 LP、MP 和 UP（不同廠商的叫法可能不一樣）。
舉個具體的例子：假設一個 SLC 閃存塊總共由 1024 個頁組成，那么橫向就需要 1024 條字線。而一個頁有多少比特，縱向就需要多少條位線。如果一個頁是 16KB，那么位線數量 n 就等于 16×1024×8 條。也就是說，在這個塊里，字線有 1024 條，位線有 16×1024×8 條，它們的每一個交叉點都是一個存儲單元。特別要說明的是，這一個塊里所有的存儲單元，都共用同一塊襯底。當我們要擦除數據時，會給襯底加上一個很高的電壓，把塊內所有存儲單元里的電子一下子“吸”出來，就好像用一塊大磁鐵把整個區域清空一樣。所以，擦除操作只能以整個塊為單位進行。
另外：這里沒有考慮奇偶位線的情況。如果把奇偶位線也考慮進去，那么一條字線上對應的頁數還會再翻倍。
了解了存儲單元、頁和塊的微觀結構之后，我們往上一層，看看一個 Die 內部還有哪些組織。每個 Die 內部又會劃分成多個 Plane。早期閃存通常一個 Die 帶 2 個 Plane，現在主流是 4 個 Plane，甚至已經有 6 個 Plane 的產品了。
為什么需要 Plane 呢？簡單來說，Plane 讓 Die 內部也能并行操作。每個 Plane 都有自己獨立的頁緩存和閃存緩存（也叫 Page Register 和 Cache Register），大小正好等于一個頁的大小（16KB）。這些緩存是閃存內部的臨時存儲區，用來暫存即將寫入或讀出的數據。
有了獨立的緩存，多個 Plane 就可以同時準備數據，讀寫效率大大提高。讀寫過程的思路很像搬運：
● 寫的時候，主控先把數據從外面傳到目標頁所在 Plane 的緩存里，然后再把緩存里的數據正式寫入閃存陣列；
● 讀的時候剛好反過來，閃存先把需要的整頁數據從陣列里讀到緩存，然后再按需傳給主控。
搞清楚了單個 Die 內部的結構（塊、頁、Plane），我們再往上跳一層，看看一個固態硬盤里多個 Die 是怎么協同工作的。
一個固態硬盤里通常貼著多顆 NAND 顆粒。以天碩G40 M.2 NVMe 2TB 寬溫工業級SSD為例，它實際貼了 4 顆 512GB 的顆粒，連接到主控的 8 個通道（CH），每個通道下掛 4 個 CE，總共就是 8×4 = 32 個 Die。
Die 是接收和執行命令的基本單元。不同的 Die 可以同時接收和執行不同的命令（但有一些限制，不同廠商對多 Die 同時操作的規定可能不同）。但是，在同一個 Die 內部，一次只能做一件事，你不能一邊在某個頁上寫數據，一邊又在同一個 Die 的另一個頁上讀數據。
正是因為多個 Die 可以獨立并行工作，天碩地自研主控采用了一種叫做“條帶化”的管理方式。固件會把所有 Die 組織起來，形成一個橫跨所有 Die 的超大邏輯塊，叫作 Super Block，這是固件做空間管理的基本單位。
具體來說，還記得前面說的每個 Die 下面有 4 個 Plane 嗎？固件會從每個 Plane 上各取一個 Block，組合成一個 Super Block。這樣一共能組成 495 個 Super Block，每個容量高達 4236MB 左右。關鍵在于，每一個 Super Block 都跨越了所有 32 個 Die。
正是基于這種“數據天然就分散在所有 Die 上”的條帶化管理，天碩的主控順勢實現了一項關鍵的容錯技術：Die RAID（跨 Die 冗余）。
它的原理和我們熟悉的磁盤 RAID 5 很像，只是把范圍縮小到了 SSD 內部的 NAND 顆粒上。寫入數據時，主控會在 32 個 Die 中動態挑選 1 個 Die，專門用來存放根據其他 31 個 Die 的用戶數據計算出來的校驗信息（Parity Data）。這個存放校驗信息的 Die 不是固定不變的，固件會根據磨損均衡和垃圾回收策略，聰明地動態調整，避免某個 Die 被過度使用。
這樣一來，整個 SSD 就像上了保險。當某個 Die 上的數據讀取出錯時，主控會先嘗試重讀糾錯；如果還是不行，就會立刻啟動 RAID 恢復流程：主控的 RAID 模塊會掃描出錯的物理地址，然后讀取同一個條帶上其他所有 Die 的對應數據，通過異或（XOR）運算，反向推算出丟失的正確數據，再正常返回給主機。整個恢復過程對用戶是完全透明的，這就大大增強了 SSD 的數據可靠性和安全性。
回顧整篇文章，我們其實是從最小的存儲單元出發，一步步往上搭建出了一張完整的閃存組織結構圖：無數個存儲單元排列成頁，頁組成塊，塊和緩存一起歸入 Plane，Plane 構成 Die。只有理解了這個從微觀到宏觀的層級關系，再看 SSD 的容量、性能和可靠性，很多技術細節就不再是孤立的概念，而是一張環環相扣的網絡。
關于天碩（TOPSSD）
湖南天碩創新科技有限公司（TOPSSD）成立于2016年，是國家認定的高新技術企業，長期專注于高可靠、高性能存儲技術的自主創新。公司立足國家戰略需求，面向航空、航天、國防和高端工業等關鍵領域，提供完全自主可控的核心存儲解決方案，切實保障國家關鍵信息基礎設施的數據安全與運行穩定，為實現高水平科技自立自強提供堅實支撐。
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