專利技術

因為SSD使用快閃記憶體來儲存資料，電路特性會產生三個傳統硬碟所沒有的限制，這也導致SSD和硬碟儲存方式的差異。

首先，資料不能重複寫入。在快閃記憶體上最小的儲存空間稱為一個Cell，一個Cell可以儲存一個位元的資訊，可以是1或0，這就是所謂的SLC儲存方式（Single Bit per Cell）。若要寫入新資料，必須充電來清除這個Cell的電位資訊以後，才可以重新寫入。不像硬碟磁盤上記錄資料的磁性可以反覆改變，也就說可反覆將資料寫入磁盤上同一個位置，達到重複寫入。另一種快閃記憶體技術MLC（Multi-level Cell），也是一樣在一個Cell上用不同電位來儲存2個位元的資訊，同樣也有不能重複寫入的特性。這是硬碟和SSD儲存方式第一個不同點。

第二，快閃記憶體刪除資料的方法也和硬碟磁盤不同，必須採取「逐一寫入整批抹除」的作法。

SSD寫入資料時最小的單位是Page，一個Page依SSD採用的快閃記憶體而有不同，可以是2,048、4,096或8,192Bit等，每次可以寫入1個Page的資料。但是，抹除資料時無法一次抹除1個Page的資料，而必須一整批Page同時抹除，這個整批抹除的單位就是Block，1個Block通常是64或128個Page，也可以更多如128或256。

基本原則是，寫入時每次1個Page，抹除時則要每次1個Block。因為每次最少要抹除1個Block，即使這個Block只有寫入了幾個Page的資料，SSD還是會一次抹除這個Block中所有Page的資料。因為必須採取整批寫入的方式，所以SSD的抹除速度會比讀取速度慢很多。

若是要更新某一個Page資料的作法也相當繁複，必須先將整個Block中記錄的資訊取出，存放到快取記憶體中，再更新這段快取記憶體中的資料，最後再逐一將Page資料寫回這個Block中。

最後一個特性是快閃記憶體寫入資料有次數限制，例如有的快閃記憶體的電路特性可以寫入10萬次。當一個區域寫入次數達到這個限制以後，就無法再寫入，成為壞死區域（Bad Sector）。為了延長SSD的使用壽命，就必須避免寫入集中在少數區域，讓寫入資料平均分配到每一個Cell上。

用FTL中間層 解決快閃記憶體的儲存限制

因為快閃記憶體這三個特性，所以，SSD採取了一種和傳統硬碟截然不同的存取架構，在檔案系統和實體資料儲存層之間，增加一個FTL層（Flash Translation Layer），FTL層會負責提供檔案系統和實體資料層之間的對應，讓作業系統仍舊看到和硬碟一樣的檔案系統。但是在實際儲存資料時，FTL層會將資料分散到不同的位置儲存，避免寫入動作集中在少數區域。

雖然SSD底層的實際寫入機制和硬碟不同，但FTL會模擬出像硬碟一樣的檔案系統，讓作業系統用同樣控制硬碟的指令，來控制SSD的寫入。

因為FTL層會移動資料實際存放的位置，這會造成資料覆寫的效果和傳統硬碟不同。

在傳統硬碟上，作業系統可以知道資料實際寫入的位置，若要覆蓋原來的資料，就在相同位置寫入資料。但是在SSD中，作業系統以為自己寫入相同位置的資料，但FTL層可能將第二次覆寫的資料，儲存到SSD中其他位置，而沒有蓋掉原來的資料，導致在SSD中無法透過資料覆寫來刪除原有資料。

還有另一個造成資料不易刪除的原因，是廠商特別為SSD設計的資料抹寫方式TRIM機制。因為SSD必須整批寫入的特性，導致抹寫速度遠比讀取速度慢。減少實際寫入的次數，除了能延長使用壽命也可以提高SSD的存取效能，所以，廠商讓SSD的TFL層先對需要刪除的資料加註記號，而不實際進行刪除，等到這個Block中多數Page的資料都需要刪除時，才真正實際抹除這個Block。

例如SSD要刪除大量小檔案時，若每刪除一個檔案就要抹除一次，一個Block可能需要抹寫數十次。改用TRIM的作法以後，可以逐次將需要刪除的檔案標記下來，等到系統有閒暇時再一次抹除。這樣的作法，更讓資料在SSD中實際存活的時間更久，甚至是，作業系統以為資料已經刪除，但實情剛好相反。

FTL是黑盒子 隱藏資料遺漏的隱憂

吳晉賢表示，FTL層就像是一個黑盒子，將作業系統的檔案系統和實際寫入動作隔離，作業系統不知道盒子裡會發生了什麼事情。

加州大學聖地牙哥分校NVSL研究團隊正是打開這個黑盒子以後，發現了SSD會有資料無法刪除的隱憂。

NVSL研究團隊購買了12款常見的SSD，容量從32GB到120GB不等，包括使用MLC和SLC快閃記憶體的產品。他們自製了一個快閃記憶體讀取裝置，來避開FTL層的控制，直接取得實際儲存在快閃記憶體中的資訊，再測試各種不同的資料刪除情境和作法，來比較FTL層的影響，找出SSD資料刪除的問題。