序2 Forword
信息存储是人类社会的重要组成部分。有了存储，人类的知识才有机会传承，新一代才能在前辈积累的知识的基础上发展出对自然和科学更加深刻的认识，形成更加有组织的社会结构，从而更好地利用自然。可以说，对信息的存储是区别人类和其他动物的主要特征之一。
近几十年的信息化革命也离不开存储。现在全球的计算机大多数采用的是冯·诺依曼架构。这个计算机架构主要由控制单元、计算单元、存储单元、输入输出单元组成。这些单元相辅相成，迭代发展，支撑了过去几十年算力的提升。
早期的存储单元是以磁介质为主的，包括磁带和磁盘。磁介质天然具有的南北极的特性恰好对应了信息的单元“位”（bit），比如从南到北的极化对应“0”，从北到南的极化则对应“1”。磁盘外部的磁头通过电磁效应控制磁介质的极化，这就使磁介质可以一对一存储二进制的数字信息。在计算机发展的前60多年里，通过对磁介质、磁头、控制磁头位置的机械单元、连接数据接口的控制器的不断改进，机械硬盘成为计算机存储的绝对主力。在这个过程中，两个“标准化”为存储行业的发展铺平了道路。一是外观尺寸（form factor）的标准化，从早期的5.25in[1]硬盘到3.5in，再到2.5in，整个硬盘的外形、尺寸和接口位置都形成了标准。二是接口的电气性能的标准化，从早期的ATA到SATA、SAS等。这两个标准化为产品的互换提供了便利，使更多的厂商能够参与存储产品的开发，促进存储行业的发展。
到了21世纪初期，磁介质的发展遇到了瓶颈：一方面，随着存储密度的提高，每个位单元包含的原子数量越来越少，从而导致每个单元的稳定性变差，读取信息时更容易出错；另一方面，虽然硬盘里面电子部分的速度遵循摩尔定律不断提升，但机械部分的速度（比如磁盘的转速）一直没有很大提高，这就导致机械硬盘的随机读写速度多年来维持在较低的水平。存储单元成为整个计算体系结构发展的瓶颈。幸运的是，以NAND闪存为介质的固态硬盘（SSD）及时出现，为存储单元的发展提供了新的动力。
闪存在2000年前后开始应用在MP3播放器和数码相机中。它的出现跟过去50年集成电路的发展息息相关。闪存利用集成电路里面金属氧化物场效应晶体管的浮栅或者绝缘层存储电荷，通过控制电荷的有无达到记录0和1的目标。由于闪存对信息的存取是依靠电荷的移动实现的，SSD不需要机械装置来进行读写操作，从而在可靠性和节能方面相对于机械硬盘有了质的飞跃。同时，由于电子的移动速度远超机械部件的移动速度，SSD的读写速度，尤其是随机读写速度相比机械硬盘有了数量级的提升。这些优点使得SSD在PC和数据中心中被广泛采用，成为过去15～20年综合算力提升的重要推手。
与机械硬盘相似，SSD也由存储介质（闪存颗粒）和控制器组成。存储介质是信息的载体，而控制器是存储单元与其他计算单元的接口，对于整个SSD起到调度和管控的作用。SSD的发展延续了机械硬盘的两大特征——统一的接口和统一的外观尺寸。在这两方面的统一之下，闪存颗粒和控制器都可以自由发展。这就保证了各个厂家之间的SSD既可以互换使用，又可以通过选择不同的闪存颗粒和控制器满足定制化的需要，促进了整个SSD行业的发展。
SSD是一个跨学科的复杂系统。闪存颗粒的演进既跟随又在一定程度上超越了集成电路摩尔定律的发展规律。近年来多阈值存储单元（MLC、TLC和QLC）、3D NAND技术和长江存储发明的Xtacking®技术使得闪存颗粒的密度增长速度超越了单纯依靠光刻技术带来的增长。同时，这些技术也对制造工艺和材料提出了更高的要求。
控制器则是一个以数字逻辑为主的SoC（System-on-Chip，片上系统）芯片。它像一个大脑，通过嵌入式的CPU和固件控制数据的传输与调度。与闪存颗粒不同的是，控制器需要相对强大的计算和数据处理能力，因此需要采用CMOS逻辑工艺来制造。
正因为闪存颗粒和控制器截然不同的特性，以往对于SSD的技术讨论以分散的论文为主。《深入浅出SSD》这本书的出现为SSD行业的从业者和科研人员提供了一个快速了解相关知识的入口。4年前，我读到《深入浅出SSD》第1版的时候就深深感受到它的及时性和全面性，这次出新版，SSDFans团队在第1版的基础上修改或者重写了大部分章节，补充了闪存颗粒和控制器方面的最新进展，增加了ZNS等最新的技术。此外，这一版增加了闪存文件系统，能够让读者对SSD的应用有更好的了解。无论是SSD行业的资深研发人员还是对存储有兴趣的人员，都能从本书中获得想要的知识。
SSD省电、体积小、速度快的特征决定了它比传统磁介质的存储有更广泛的应用场景。带有UFS或者eMMC接口的嵌入式SSD是智能手机和穿戴设备的主要存储单元。类似的小型SSD还被广泛用于工业级设备，比如智能电表，以记录各种仪器的数据。由于计算单元都需要配套存储单元，所以IoT的广泛部署也为SSD打开了新的应用领域。
我在半导体行业工作20多年，有幸见证了存储行业的持续飞速发展以及存储从机械硬盘到SSD的演进。我相信在可以预见的未来，SSD还会有更加广泛的应用，性能还会不断提升。希望有更多的科研人员和工业界的朋友加入SSD的研发队伍当中。
吴子宁 博士
英韧科技董事长
前Marvell全球CTO
[1] 1in=0.0254m。——编辑注