序2 Forword

信息存儲是人類社會的重要組成部分。有了存儲，人類的知識才有機會傳承，新一代才能在前輩積累的知識的基礎上發展出對自然和科學更加深刻的認識，形成更加有組織的社會結構，從而更好地利用自然?？梢哉f，對信息的存儲是區別人類和其他動物的主要特征之一。

近幾十年的信息化革命也離不開存儲。現在全球的計算機大多數采用的是馮·諾依曼架構。這個計算機架構主要由控制單元、計算單元、存儲單元、輸入輸出單元組成。這些單元相輔相成，迭代發展，支撐了過去幾十年算力的提升。

早期的存儲單元是以磁介質為主的，包括磁帶和磁盤。磁介質天然具有的南北極的特性恰好對應了信息的單元“位”（bit），比如從南到北的極化對應“0”，從北到南的極化則對應“1”。磁盤外部的磁頭通過電磁效應控制磁介質的極化，這就使磁介質可以一對一存儲二進制的數字信息。在計算機發展的前60多年里，通過對磁介質、磁頭、控制磁頭位置的機械單元、連接數據接口的控制器的不斷改進，機械硬盤成為計算機存儲的絕對主力。在這個過程中，兩個“標準化”為存儲行業的發展鋪平了道路。一是外觀尺寸（form factor）的標準化，從早期的5.25in[1]硬盤到3.5in，再到2.5in，整個硬盤的外形、尺寸和接口位置都形成了標準。二是接口的電氣性能的標準化，從早期的ATA到SATA、SAS等。這兩個標準化為產品的互換提供了便利，使更多的廠商能夠參與存儲產品的開發，促進存儲行業的發展。

到了21世紀初期，磁介質的發展遇到了瓶頸：一方面，隨著存儲密度的提高，每個位單元包含的原子數量越來越少，從而導致每個單元的穩定性變差，讀取信息時更容易出錯；另一方面，雖然硬盤里面電子部分的速度遵循摩爾定律不斷提升，但機械部分的速度（比如磁盤的轉速）一直沒有很大提高，這就導致機械硬盤的隨機讀寫速度多年來維持在較低的水平。存儲單元成為整個計算體系結構發展的瓶頸。幸運的是，以NAND閃存為介質的固態硬盤（SSD）及時出現，為存儲單元的發展提供了新的動力。

閃存在2000年前后開始應用在MP3播放器和數碼相機中。它的出現跟過去50年集成電路的發展息息相關。閃存利用集成電路里面金屬氧化物場效應晶體管的浮柵或者絕緣層存儲電荷，通過控制電荷的有無達到記錄0和1的目標。由于閃存對信息的存取是依靠電荷的移動實現的，SSD不需要機械裝置來進行讀寫操作，從而在可靠性和節能方面相對于機械硬盤有了質的飛躍。同時，由于電子的移動速度遠超機械部件的移動速度，SSD的讀寫速度，尤其是隨機讀寫速度相比機械硬盤有了數量級的提升。這些優點使得SSD在PC和數據中心中被廣泛采用，成為過去15～20年綜合算力提升的重要推手。

與機械硬盤相似，SSD也由存儲介質（閃存顆粒）和控制器組成。存儲介質是信息的載體，而控制器是存儲單元與其他計算單元的接口，對于整個SSD起到調度和管控的作用。SSD的發展延續了機械硬盤的兩大特征——統一的接口和統一的外觀尺寸。在這兩方面的統一之下，閃存顆粒和控制器都可以自由發展。這就保證了各個廠家之間的SSD既可以互換使用，又可以通過選擇不同的閃存顆粒和控制器滿足定制化的需要，促進了整個SSD行業的發展。

SSD是一個跨學科的復雜系統。閃存顆粒的演進既跟隨又在一定程度上超越了集成電路摩爾定律的發展規律。近年來多閾值存儲單元（MLC、TLC和QLC）、3D NAND技術和長江存儲發明的Xtacking?技術使得閃存顆粒的密度增長速度超越了單純依靠光刻技術帶來的增長。同時，這些技術也對制造工藝和材料提出了更高的要求。

控制器則是一個以數字邏輯為主的SoC（System-on-Chip，片上系統）芯片。它像一個大腦，通過嵌入式的CPU和固件控制數據的傳輸與調度。與閃存顆粒不同的是，控制器需要相對強大的計算和數據處理能力，因此需要采用CMOS邏輯工藝來制造。

正因為閃存顆粒和控制器截然不同的特性，以往對于SSD的技術討論以分散的論文為主?！渡钊霚\出SSD》這本書的出現為SSD行業的從業者和科研人員提供了一個快速了解相關知識的入口。4年前，我讀到《深入淺出SSD》第1版的時候就深深感受到它的及時性和全面性，這次出新版，SSDFans團隊在第1版的基礎上修改或者重寫了大部分章節，補充了閃存顆粒和控制器方面的最新進展，增加了ZNS等最新的技術。此外，這一版增加了閃存文件系統，能夠讓讀者對SSD的應用有更好的了解。無論是SSD行業的資深研發人員還是對存儲有興趣的人員，都能從本書中獲得想要的知識。

SSD省電、體積小、速度快的特征決定了它比傳統磁介質的存儲有更廣泛的應用場景。帶有UFS或者eMMC接口的嵌入式SSD是智能手機和穿戴設備的主要存儲單元。類似的小型SSD還被廣泛用于工業級設備，比如智能電表，以記錄各種儀器的數據。由于計算單元都需要配套存儲單元，所以IoT的廣泛部署也為SSD打開了新的應用領域。

我在半導體行業工作20多年，有幸見證了存儲行業的持續飛速發展以及存儲從機械硬盤到SSD的演進。我相信在可以預見的未來，SSD還會有更加廣泛的應用，性能還會不斷提升。希望有更多的科研人員和工業界的朋友加入SSD的研發隊伍當中。

吳子寧 博士

英韌科技董事長

前Marvell全球CTO

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