独家揭秘｜小米14魔改存储芯片多出8GB空间背后的秘诀

news2024/11/28 4:34:51

在昨天发表的文章下面，有粉丝朋友要求“评价下小米256GB多8GB的技术”。小编也是好奇，本文就让我们一起来看看这个“高科技”背后的秘密。（提前声明：本文内容仅代表个人观点，如果不当之处，小米公司不要投诉我哈，我支持雷总！）

首先，让我们看看雷总在小米14发布会上对这个“小创新”的阐述：

发布会内容中，提到的256GB内存，其实就是一个UFS4.0设备（基于NAND存储颗粒的移动存储产品）。这里还有一个名词“FBO焕新存储”。小编认为这个就是可以多8GB的关键。

根据公开信息查到，针对UFS文件系统功能优化FBO特性是由小米与西部数据联合研发，并得到了其他厂商（比如美光、三星、海力士、铠侠等）支持，合入了UFS 4.0规范，在2022年8月正式发布在JEDEC组织。基于这一点，也得给小米点这个赞，创新不易！

小米工程师向linux社区提交的UFS FBO功能优化patch记录：

基于文件优化特性（FBO）是一种帮助移动设备在其使用寿命内保持性能优势的新技术，主要目的是为了解决手机的碎片化。

碎片化的本质：碎片化会导致数据存储效率低下。随着时间的推移，当一个存储设备被填满并且无法再按顺序写入数据时，或者当一个数据更新过程发生时，碎片化就会产生。在更新过程中，新的NAND块被使用，而未更新的数据仍然保留在原始的NAND块中。即使数据在逻辑上是顺序更新的，它也可能不是物理NAND块中的顺序存储。当这种情况发生时，数据会分散（随机）存储在存储设备的不同位置上。这反过来会导致较慢的性能，因为设备需要从各个物理位置收集数据时进行多次读取。

小米14中的UFS 4.0，跟SSD一样，底层存储颗粒都是NAND。那你知道NAND闪存是怎么工作的吗？其实，它就是由很多个晶体管组成的。这些晶体管里面存储着电荷，代表着我们的二进制数据，要么是“0”，要么是“1”。NAND闪存原理上是一个CMOS管，有两个栅极，一个是控制栅极(Control Gate), 一个是浮栅(Floating Gate). 浮栅的作用就是存储电荷，而浮栅与沟道之间的氧化层(Oxide Layer)的好坏决定着浮栅存储电荷的可靠性，也就是NAND闪存的寿命。

但是呢，这些晶体管的电荷可不是永久存在的。它们就像一群顽皮的孩子，喜欢跑来跑去。如果你经常让它们进行“擦除”和“写入”的操作（NAND闪存中，P/E Cycle，也称为擦除次数），它们就会觉得累，电荷的存储能力也会逐渐下降（浮栅与沟道之间的氧化层被磨损的越来越严重，导致浮栅中电子的控制越来越艰难）。直到有一天，它们再也不想存储电荷了，那这个时候，你的SSD的寿命也就差不多了。

所以呢，SSD寿命评估的底层机理，其实就是计算NAND闪存的擦除和写入次数（P/E Cycle）。每个晶体管都有一个固定的擦除和写入次数，就像我们的腿一样，跑多了会累，会磨损。当这些晶体管达到一定的磨损程度时，它们就再也存储不了电荷了，这时候你的SSD可就要退休了哦！

目前市面上主要流通的就是4种NAND类型：SLC、MLC、TLC、QLC。随着每个寿命从高到低依次是SLC>MLC>TLC>QLC.

随着单个cell含有的bit数越多，NAND的可靠性也会有所降低。同时写延迟也在不断的增加。SLC写延迟在0.5ms级别，到QLC写延迟达到10-20ms，40倍的差距。

NAND存储产品的寿命，最怕垃圾数据太多，也就是碎片化严重，会导致NAND颗粒的写放大增加，降低NAND的寿命。

举个例子，最坏情况下的，假如我要写入一个4KB的数据Z覆盖A，并恰好目标块没有空余的页区，需要进行GC回收。这个时候就需要把B、C、D、E、F五分数据都搬走，然后擦除整个数据块，擦除完成后再整体写入6个数据页。这个整个过程，Host虽然只写了4KB的数据，但实际过程中，由于GC的问题，NAND最终写入了24KB。那么写放大WAF=24KB/4KB=6.

SSD产品中影响WAF的因素有很多，其中“OP预留空间”是跟本次雷总说的魔改8GB的空间有关。

SSD FTL算法的设计会影响写入放大的大小
Wear Leveling，WL磨损均衡：这一机制主要是通过均衡所有的闪存颗粒，从而延长整体的使用寿命，然而依旧是增加整体的写放大
Over-Provisioning，OP预留空间：也会影响NAND写入的比例，最终影响写放大
Garbage Collection，GC垃圾回收：比如上面的例子，就是GC垃圾回收搬迁数据，擦除数据块后写入带来了整体写放大提升。
业务读写的数据模型：随机写和顺序写对NAND的写入比例有非常大的影响，直接影响写放大的系数
系统层的TRIM操作：会影响invalid无效数据是否在GC过程中搬迁，对写放大影响也有重要的作用。

预留空间OP是什么呢？
当一块SSD的数据写满时，需要额外的空间在启动垃圾回收之前接受新写入的数据，这块额外的空间，我们就称为预留空间。当然，这块预留空间是对用户不可见的。

预留空间主要分为两个部分：

（1）由于标称容量与NAND闪存计算差异造成的本征预留空间OP1。
市场上SSD标称的容量是按照千进制（1000）来计算的，但是NAND闪存的容量是按照1024计算的。
我们简单列个式子计算一下：

市场SSD标称 1GB(GigaByte)= 1000MB= 1000*1000KB= 1000*1000*1000Byte= 10^9Byte (1,000,000,000Byte).

NAND闪存 1GB(GibiByte)= 1024MB= 1024*1024KB =1024*1024*1024Byte =2^30Byte (1,073,741,824Byte).

这两个计算方式之间正好相差7.37%。所以说SSD本征的预留空间就有7.37%。

（2）SSD由于性能要求而预留空间OP2，这部分也是标称OP。
这个部分预留空间主要用于垃圾回收GC，存储SSD主控的固件（Firmware），备用数据块（Spare Blocks)等。
标称预留空间OP=（SSD物理总容量-用户数据空间）/用户数据空间

从上面这个表格中我们看到标称预留空间（Marketed OP）为0%的时候，其实这时的内部仍然有7%的本征预留空间。

预留空间OP有什么好处？预留空间牺牲了用户数据空间，那TA要是再没有什么好处，用户就真的要崩溃咯。其实预留空间OP的好处有很多：提高写入性能、降低写放大、提升NAND闪存使用寿命等。

所以，结合上面几个关键信息点，这个事情的逻辑应该是这样：

小米研发了基于文件优化的特性FBO，减小碎片化，增加NAND的顺序写入，降低了写放大，提升了UFS使用寿命。
原本UFS 4.0 256GB预留了10GB空间，用于坏块管理和FW垃圾回收等功能，现在由于有FBO的出现，只需要2GB就可以完成原本10GB的工作，这样就省出来了8GB给用户。

小编理解大概是这个逻辑，不知道各位是否有其他的看法，欢迎评论区留言交流！

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