1.5.5 功耗和其他剖析

1.SSD产品功耗

SSD中定义了以下几种功耗类型。

❑ 空闲（Idle）功耗：当主机无任何命令发给SSD，即SSD处于空闲状态但也没有进入省电模式时，设备所消耗的功耗。

❑ 最大峰值（Max active）功耗：这是SSD处于最大工作负载时的功耗。SSD的最大工作负载条件一般是连续写，让闪存并发忙写和主控ASIC满负荷工作，这时的功耗即为最大功耗。

❑ Standby/Sleep功耗：规范规定了SSD状态，包括Active（活跃）、Idle（空闲）、Standby（待机）和Sleep（睡眠），功耗值从Active到Sleep逐级递减，具体的实现由各商家自行定义。一般来讲，在Standby和Sleep状态下，设备应尽可能把不工作的硬件模块关闭，以降低功耗。一般消费级SSD在Standby和Sleep状态下功耗为100～500mW。

❑ DevSleep（深度睡眠）功耗：这是SATA和PCIe新定义的一种功耗标准，目的是在Standby和Sleep的基础上再降一级功耗，即主机和操作系统在休眠状态下，SSD关掉一切自身模块，处于极致低功耗模式，甚至是零功耗，一般功耗在10mW以下。

对于主机而言，功耗状态和SSD（作为设备端）状态是一一对应的，而功耗模式发起端是主机，SSD被动执行和切换对应功耗状态。

系统功耗状态（Power State，SATA SSD作为OS盘）如下。

❑ S0：工作模式，OS可以管理SATA SSD的功耗状态，D0或者D3都可以。

❑ S1：低唤醒延时的状态，系统上下文不会丢失（CPU和Chipset），硬件负责维持所有的系统上下文。

❑ S2：与S1相似，不同的是处理器和系统缓存上下文会丢失（OS负责维护缓存和处理器上下文）。收到唤醒请求后，从处理器的reset vector（重置向量）开始执行请求。

❑ S3：睡眠模式（Sleep），CPU不运行指令，SATA SSD关闭，除了内存之外的所有上下文都会丢失。硬件会保存一部分处理器和L2缓存以配置上下文，从处理器的reset vector开始执行唤醒请求。

❑ S4：休眠模式（Hibernation），CPU不运行指令，SATA SSD关闭，DDR内容写入SSD中，所有的系统上下文都会丢失，OS负责上下文的保存与恢复。

❑ S5：软关闭状态（Soft off state），与S4相似，但OS不会保存和恢复系统上下文。消耗很少的电能，可通过鼠标、键盘等设备唤醒。

进入功耗模式有一定的延时，退出功耗模式也有，通常恢复SSD到初始功耗模式所花费的时间更长，如表1-10所示。

延时和性能之间存在某种平衡，频繁地在低功耗模式与正常模式之间进行切换一定会带来性能损失。对于SSD设备功耗模块设计而言，建议尽可能缩短低功耗模式的进入和退出时间。

从正常工作模式Active状态切换到低功耗模式，需要找到正确的切换时间。太短的时间会较早进入低功耗模式，但唤醒需要延时，进而带来主机端性能损失；太长的时间有利于维持性能，但牺牲了功耗。

总之低功耗是一个好的SSD特性，消费级应用出于低功耗需求，非常需要这个特性，但企业级应用为了维持性能，对低功耗的需求较弱。

最后，SSD各项功耗是SSD产品竞争力的一个方面，尤其是对功耗敏感的消费级SSD，最大写入功耗和低功耗是核心竞争力之一。最大写入功耗代表的是写入同样数据量所消耗的电能，主要是闪存写入功耗；低功耗是设备处于空闲或休眠状态时的功耗，这些对绿色能源数据中心等有很大意义。我们来看看几款消费级SSD的功耗对比，如图1-30所示。

最大写入功耗的对比（除了ASIC主控和板级PCB工作状态功耗，最大写入功耗和连续写性能紧密相关，写性能越高，功耗越高）如图1-31所示。

2.最大工作功耗与发热控制

前面已解释过最大工作功耗，这里再次单独把最大工作功耗拿出来讨论，是因为当SSD一直处于最大工作功耗模式下，器件会存在发热问题。SSD中功耗最大的是ASIC主控和闪存模块，因此二者也是发热大户，当热量积累到一定程度时，器件会损坏，而这是不能容忍的。当外界环境温度（Ambient Temperature）处在50℃或60℃时，如不加以控制，发热的速度和损坏器件的概率也会随之增大。所以工作在最大负载下，控制SSD温度是固件设计要考虑的，此时重点是设计降温的处理算法。

算法的具体原理为：当SSD温度传感器侦测到温度达到阈值，如70℃时，固件会启动降温算法模块，限制闪存后端并发写的个数。由于SSD中发热大户是闪存芯片，故当写并发数减少后，温度自然下降。同时由于写并发数量下降，SSD写性能也会下降，这是性能和温度的一个折中。

当温度下降到阈值70℃以下后，SSD固件重新恢复到正常的后端写并发个数，性能上升，温度也会再次上升，如此往复，如图1-32所示。