天硕工业级M.2 NVMe SSD固态硬盘GC垃圾回收提速存储性能
GC垃圾回收是什么？
垃圾回收（Garbage Collection, GC）是针对固态硬盘（SSD）核心组件NAND闪存存储器的一种空间管理机制。它的核心任务是将NAND闪存中有效数据移动到新的位置，并擦除无效数据（不再使用的数据，或称“垃圾”）及其所在的整个存储块。GC机制设计的优劣对 SSD 的耐用性和性能至关重要。
为什么需要GC垃圾回收？
闪存单元本质上是一个金属氧化物半导体场效应晶体管。由于NAND闪存的物理结构限制，浮栅被绝缘层包围，电子无法直接“覆盖”。因此，想要在NAND中写入新数据，必须先擦除数据。
整个过程的本质就是在释放电子，通过在P型衬底上施加高压，从而吸出电子。并且由于整个块都共用一个P型衬底，闪存都是以“块”为单位进行擦除数据的。于是就造成了Flash最小写入单位为页（Page）但最小的擦除单位为块（Block）的写入放大（Write Amplification）现象。
因此，当需要更新或删除页中的部分数据时，SSD 无法原地改写或擦除单页数据，只能将更新后的数据（有效数据）写入新的空白页，并将原页标记为“无效”。长此以往，存储块中会积累大量无效数据页。当空白页不足时，就必须启动GC来回收这些散布着无效数据的块空间。
GC垃圾回收的运行原理
天硕工业级SSD垃圾回收过程的具体步骤如下：
1. 识别目标块：天硕自研主控会先识别出包含大量无效数据的存储块。
2. 迁移有效数据： 将该块中剩余的有效数据页读取出来。
3. 写入新位置： 将这些有效数据复制并写入到新的空白页或具有空白页的新块。
4. 擦除原块： 待有效数据安全迁移后，对该原存储块执行整块擦除操作，将其空间彻底释放为空块，可供后续写入新数据。
5. 更新映射表： 天硕的自研主控会实时更新内部的数据映射表，将指向原有效数据位置的逻辑地址更新到新的物理位置。
垃圾回收是SSD和HDD之间的显著区别。当新数据被编程到包含无效数据的页面时，SSD 不会覆盖现有数据，而是执行GC，但它会导致NAND额外磨损。此问题的解决方案之一是 Trim 命令。它可以帮助 SSD 预测来自用户或操作系统的“文件删除”任务。这会降低写入放大、提高吞吐量并提高 SSD 耐用性。
