Nonvolatile Memory (NVM)
Overview
NVM 裝置（nonvolatile memory）的核心特性是斷電後仍能保留資料。一個 NVM 裝置在硬體層面由 controller 和 NAND flash die 兩部分組成，controller 負責管理所有讀寫邏輯，NAND die 才是實際儲存資料的地方。
NVM 有多種 form factor：封裝成硬碟形式的稱為 SSD，其他包括 USB drive（thumb drive、flash drive）、以 M.2 形式直接焊在主機板上的 SSD，以及手機內建儲存。高效能的 SSD 通常走 NVMe 協議透過 PCIe 連接，傳統 SATA bus 在頻寬上已逐漸成為瓶頸。
和 HDD 相比，NVM 更可靠、速度更快、沒有移動零件所以也沒有 seek time 和 rotational latency ；代價是每 MB 的成本更高、總容量較低，且壽命有限需要仔細管理。
NAND Flash 結構
Memory Cell
NAND Flash 的最小單位是 memory cell，其原理和 DRAM 類似，但關鍵差異是就算停止通電，cell 中記錄的資訊仍能維持。電子原本存在 N 區，施以高壓電後電子會穿過 P 區進入 Float Gate；Float Gate 中沒有電子記作 1，有電子記作 0。
Die Layout
NAND Flash 的儲存單位有四個層級：最小的是 page，多個 page 組成一個 block，多個 block 組成一個 plane，多個 plane 則組成一個 die。Die 是一片完整的 NAND flash 晶片，一個 SSD 裝置通常包含多個 die。
SLC, MLC, TLC, QLC
每個 cell 能儲存的位元數決定了 SSD 的規格等級：SLC 每個 cell 存 1 bit、MLC 存 2 bits、TLC 存 3 bits、QLC 存 4 bits。能容納的電子層數越多，延遲越高、壽命越短，但同樣面積能儲存的資料量也越大。
Operations
Read, Write, Erase
SSD 有三個基本操作，其單位和延遲各不相同。Read 和 Write 以 page 為單位，Erase 則必須以 block 為單位，這個不對稱是 SSD 許多設計問題的根源。
| SLC | MLC | TLC | HDD | RAM | |
|---|---|---|---|---|---|
| Read latency | 25 | 50 | 100 | 2000-7000 | 0.04-0.1 |
| Write latency | 250 | 900 | 1500 | 2000-7000 | 0.04-0.1 |
| Erase latency | 1500 | 3000 | 5000 | - | - |
從上表可以看出 SSD 遠快於 HDD 但慢於 RAM，且延遲關係是 Erase >> Write > Read；cell 能容納的層數越多，延遲越高。
Write Issue
SSD 無法直接 overwrite 已有資料的 page，必須先 erase 再 write，而 erase 是以整個 block 為單位。這意味著若只想改動一個 page 的內容，實際上必須把整個 block 讀出來、搬到新的 block 重新寫入，只在輸入中修改那個 page 的部分——這個流程非常沒效率，也是後續幾個機制存在的動機
壽命限制
每個 block 大約只能承受 100,000 次 erase 操作，超過後就會損壞
Controller Algorithms
FTL（Flash Translation Layer）
由於 SSD 無法 overwrite in place，page 被更新後舊版本就成了「已廢棄但尚未清除」的狀態，一個 block 中可能同時存在 valid 和 invalid 的 page。Controller 維護一張 FTL table，負責追蹤每個 logical block address 對應到哪個實體 page 是 valid 的，後續的 GC 和 wear leveling 都依賴這張表。
Garbage Collection
當某個 block 中有 invalid page 時，我們並不能直接 erase 那幾個 page，因為 erase 以 block 為單位。GC 的做法是：把該 block 中所有 valid page 搬到新的 block，跳過 invalid 的部分，再 erase 整個舊 block 回收空間，這樣就避免了搬移 invalid 資料的無謂開銷。
TRIM
TRIM 是 OS 通知 SSD controller「這些 page 已經不需要了」的機制，讓 controller 能提前在 FTL 中將它們標為 invalid，使後續的 GC 能更快完成。
Over-provisioning
SSD 實際上會保留一部分儲存空間不對外暴露，作為 GC 的工作緩衝區。當 GC 需要搬移 valid page 時，這塊預留空間提供了寫入的目的地，避免整個裝置都被佔滿時 GC 無法運作
Write Amplification
因為改一個 page 需要 erase 整個 block 再重寫，實際被寫入的資料量遠大於我們原本想改動的大小，這個倍率稱為 write amplification。GC 的搬移操作也會加劇 write amplification，因此降低 write amplification 是 SSD 效能優化的核心指標之一。
Wear Leveling
每個 block 的壽命有限，若讀寫集中在少數幾個 block，它們會比其他 block 提早損壞。Wear leveling 是 controller 的分配機制，讓所有 block 的寫入次數盡量均勻分佈，延長整顆 SSD 的使用壽命。