CPU代替SSD主控；是否可行？
将CPU用作SSD主控？这是一个非常有趣且具有颠覆性的想法，但要说它“可行”，答案却需要非常审慎地解读。简单来说，理论上并非完全不可行，但实际上却面临着巨大的技术鸿沟和工程上的难题，导致在当前的主流应用场景下，这样做不仅不经济，效率也极低，可以说是弊大于利，目前来看并不“可行”。
咱们就来好好掰扯掰扯，为什么会有这个想法，以及为什么它这么难实现。
为什么会有“CPU代替SSD主控”的想法？
这个想法的出发点，往往是看到CPU强大的计算能力和SSD主控相对“简单”的逻辑。
1. CPU的计算能力是SSD主控的百倍甚至千倍： 你看CPU有多少个核心，主频有多高，而SSD主控呢？虽然现在的主控也越来越复杂，集成了很多功能，但它毕竟是一个专用的、高度集成的芯片，其核心计算单元的数量和性能，与现代通用CPU相比，简直是小巫见大巫。
2. SSD主控的逻辑似乎“特定化”： SSD主控的核心任务是什么？无非是协调NAND闪存的读写操作、管理磨损均衡、垃圾回收、ECC纠错等等。这些任务，在理论上，都可以用代码来描述，然后让CPU去执行。
3. 潜在的灵活性和性能提升： 如果能用CPU来做这一切，那是不是意味着我们可以根据实际需求，用软件来动态调整SSD的各种工作方式？甚至可以针对特定应用场景，优化算法，榨取NAND闪存的最后一丝性能？
那么，为什么这个想法落地如此困难？ SSD主控到底在做什么？
SSD主控芯片（也称为SSD Controller）绝不是一个简单的“开关”或者“寻址器”，它是一个高度专业化、高度集成的SoC（System on Chip），集成了大量我们通常不会在CPU上看到的特定硬件加速器和接口。它的核心工作可以细分为以下几个层面，而这些正是CPU难以直接替代的关键：
1. 闪存接口控制器（Flash Interface Controller）： 这是SSD主控最核心、最原始的功能。它需要直接、高效地与NAND闪存芯片进行通信，管理地址、数据、命令的时序，处理ONFI/Toggle DDR等协议。这涉及极其精密的信号处理、时序控制和低级逻辑，很多时候是硬件层面的直接映射和高速并行操作。CPU虽然可以访问内存，但它面向的是DRAM，其内存控制器设计和闪存控制器在底层逻辑上有着本质区别，闪存的读写时序、页/块管理等都非常复杂且时间敏感。
2. FTL (Flash Translation Layer) 引擎： 这是SSD的灵魂，也是最消耗计算资源的部分。FTL负责将逻辑块地址（LBA，我们操作系统看到的）映射到物理块地址（PBA）。这不仅仅是一个简单的查找表，它需要处理：
磨损均衡 (Wear Leveling)： 确保所有闪存块的擦写次数尽可能均衡，延长SSD寿命。这需要动态记录和管理每个块的擦写次数，并智能地选择写入位置。
垃圾回收 (Garbage Collection, GC)： NAND闪存的擦除操作是按块（Block）进行的，但写入是按页（Page）进行的。当需要更新数据时，SSD不会直接擦除旧数据所在的块，而是将新数据写入新的位置，并在旧块中标记失效页。GC就是将这些失效页所在的块进行整理，将有效页迁移到新块，然后擦除旧块，以便重复使用。这个过程非常复杂，需要预判、调度和高速的数据迁移。
坏块管理 (Bad Block Management)： NAND闪存出厂时就可能存在坏块，使用过程中也会产生坏块。主控需要识别、标记并屏蔽这些坏块，确保数据不会写入或读取坏块。
映射表管理： FTL维护着一个庞大的逻辑到物理地址的映射表，这个表会随着SSD的使用而不断变化，高效地管理和更新这个表是关键。
3. ECC (Error Correction Code) 引擎： NAND闪存本身存在一定的误码率，尤其是在高密度、高层数的闪存（如QLC）中，误码率更高。主控需要实现强大的ECC算法（如BCH、LDPC）来检测和纠正数据在存储过程中产生的错误。这些算法通常涉及复杂的数学运算，在硬件中实现能提供极高的效率和低延迟。
4. 缓存管理： SSD主控通常内置有DRAM缓存，用于暂存主机数据、映射表、GC任务等，以提高性能和降低NAND访问频率。这需要高效的缓存策略和一致性管理。
5. 固件执行和调度： SSD主控运行着一套精密的固件程序，用于协调上述所有硬件和算法的运行。这些固件需要实时的响应能力，并且对延迟非常敏感。
为什么CPU难以胜任？
现在我们回到CPU，为什么它难以直接胜任SSD主控的角色？
1. 高延迟和低吞吐量的接口问题： CPU通过PCIe接口与系统通信，这是一个非常高效的接口。但CPU内部控制内存的内存控制器，与直接控制NAND闪存的物理接口（闪存控制器）有着本质的区别。SSD主控需要能够以非常高的频率（数十MHz甚至更高）直接驱动闪存芯片的IO引脚，并且以极高的并行度处理多个闪存芯片的读写。CPU的内存控制器是设计来访问结构化、有周期性协议的DRAM的，它没有能力直接、低延迟、高并行地驱动NAND闪存的物理接口。你需要额外的硬件层来桥接。
2. FTL算法的实现挑战：
性能瓶颈： FTL中的磨损均衡、GC等算法，如果单纯依赖软件在CPU上执行，会消耗大量的CPU周期。SSD主控的设计目标就是将这些核心任务尽可能地硬件化或软硬件结合，以极低的延迟完成。如果这些都交给通用CPU处理，那么CPU大部分时间都会被用来干这些“脏活累活”，而无法高效地为应用程序提供计算服务。
实时性要求： GC需要在后台默默进行，不能严重影响用户的前台读写操作。这意味着它需要非常精密的调度和管理。CPU作为通用处理器，其任务调度是为应对各种应用而设计的，未必能满足SSD后台任务的严格实时性要求。
并发与并行： 现代SSD主控往往能同时管理多个NAND闪存通道，并可能包含多个核心来处理不同的任务。让CPU独立承担所有这些并发任务，对CPU的调度和资源分配提出了极高的要求。
3. ECC的硬件加速： ECC算法的计算量非常大，特别是对于低级别的错误检测和纠错。在硬件中集成专门的ECC引擎，可以在极低的延迟下完成计算，节省CPU资源。如果用CPU软件模拟ECC，效率会大打折扣。
4. 成本与功耗： SSD主控芯片的设计成本和制造成本，在于其高度集成和专用性。它将大量必要的功能集成在一个小尺寸的芯片上，成本相对较低，功耗也更优化。如果让一个通用的、强大的CPU来承担这些功能，它不仅需要额外的硬件接口来连接闪存，而且其整体功耗和成本会飙升到不切实际的地步。一个高性能CPU的功耗和成本，远超一个SSD主控的量级。
5. 生态与兼容性： 整个SSD的工作流程是围绕着主控芯片的固件和硬件能力来设计的。操作系统和应用程序都是通过标准的NVMe/SATA协议与SSD通信，而协议的实现细节是隐藏在主控内部的。如果用CPU来直接控制闪存，意味着需要重写大量的底层驱动和协议栈，这几乎是一项全新的操作系统开发工程。
那么，有没有“接近”或者“融合”的场景呢？
虽然直接用通用CPU完全代替SSD主控不太现实，但在某些领域，可以看到一些趋势和融合的影子：
1. SSD主控的智能化与CPU化： 现代的SSD主控本身就像一个迷你型的、高度定制化的处理器。它们集成了ARM或其他RISC指令集的处理器核心，并运行着复杂的嵌入式操作系统和固件。它们也在不断增加计算能力，以应对更复杂的FTL算法、AI驱动的预测性维护等。
2. Host Memory Buffer (HMB) 和 DirectStorage： 这是与你想法稍微有点关系，但方向是相反的。HMB技术允许SSD利用一小部分系统DRAM作为其缓存的一部分，以减少对独立DRAM芯片的依赖，降低成本。DirectStorage则是微软提出的一个技术，旨在绕过CPU，让GPU直接访问NVMe SSD中的数据，从而加速游戏的加载速度。这说明了将计算能力“靠近”存储的趋势，但不是直接“用CPU做主控”。
3. 一些高度定制化的存储解决方案： 在一些特定领域，比如高性能计算或数据中心，可能会有非常定制化的存储设备，它们可能使用更强大的处理器来管理存储介质，以实现特定的性能或功能。但这些通常不是基于标准SSD主控的替代，而是从头设计的存储系统。
总结一下，CPU代替SSD主控：
理论上的可能性： 如果你愿意牺牲极高的效率、极低的延迟、极低的功耗和极低的成本，只是为了证明“能做到”，那么通过一系列额外的硬件桥接（闪存接口控制器、ECC硬件加速器等）和极其复杂的软件栈（模拟FTL、GC、磨损均衡、坏块管理），理论上是可以让CPU去驱动闪存。
实际的可行性（主流应用）： 非常低，几乎为零。 它会面临无法接受的性能瓶颈（特别是FTL和ECC）、巨大的成本和功耗开销、以及几乎不可能完成的软件工程量。这就像你问能不能用一辆卡车拉一个鸡蛋而不用担架一样，答案是可以，但会把鸡蛋弄碎，而且效率极低。
SSD主控之所以存在并被高度优化，正是因为NAND闪存的独特工作方式和对低延迟、高并行度的极致要求，催生了对专门硬件和算法的高度集成需求。CPU作为通用计算的王者，在处理这些特定、低级、高并行、时间敏感的任务时，它的设计理念和架构反而成为了短板。
所以，这个想法非常有创意，也触及到了存储和计算结合的边界，但从工程和经济的角度来看，在当前技术条件下，它并不“可行”。更实际的趋势是，SSD主控本身越来越像一个小型的专用处理器，并且存储与计算的结合会以其他更高效的方式出现。
咱们就来好好掰扯掰扯，为什么会有这个想法，以及为什么它这么难实现。
为什么会有“CPU代替SSD主控”的想法？
这个想法的出发点，往往是看到CPU强大的计算能力和SSD主控相对“简单”的逻辑。
1. CPU的计算能力是SSD主控的百倍甚至千倍： 你看CPU有多少个核心，主频有多高，而SSD主控呢？虽然现在的主控也越来越复杂，集成了很多功能，但它毕竟是一个专用的、高度集成的芯片，其核心计算单元的数量和性能，与现代通用CPU相比，简直是小巫见大巫。
2. SSD主控的逻辑似乎“特定化”： SSD主控的核心任务是什么？无非是协调NAND闪存的读写操作、管理磨损均衡、垃圾回收、ECC纠错等等。这些任务，在理论上，都可以用代码来描述，然后让CPU去执行。
3. 潜在的灵活性和性能提升： 如果能用CPU来做这一切，那是不是意味着我们可以根据实际需求，用软件来动态调整SSD的各种工作方式？甚至可以针对特定应用场景，优化算法，榨取NAND闪存的最后一丝性能？
那么，为什么这个想法落地如此困难？ SSD主控到底在做什么？
SSD主控芯片（也称为SSD Controller）绝不是一个简单的“开关”或者“寻址器”，它是一个高度专业化、高度集成的SoC（System on Chip），集成了大量我们通常不会在CPU上看到的特定硬件加速器和接口。它的核心工作可以细分为以下几个层面，而这些正是CPU难以直接替代的关键：
1. 闪存接口控制器（Flash Interface Controller）： 这是SSD主控最核心、最原始的功能。它需要直接、高效地与NAND闪存芯片进行通信，管理地址、数据、命令的时序，处理ONFI/Toggle DDR等协议。这涉及极其精密的信号处理、时序控制和低级逻辑，很多时候是硬件层面的直接映射和高速并行操作。CPU虽然可以访问内存，但它面向的是DRAM，其内存控制器设计和闪存控制器在底层逻辑上有着本质区别，闪存的读写时序、页/块管理等都非常复杂且时间敏感。
2. FTL (Flash Translation Layer) 引擎： 这是SSD的灵魂，也是最消耗计算资源的部分。FTL负责将逻辑块地址（LBA，我们操作系统看到的）映射到物理块地址（PBA）。这不仅仅是一个简单的查找表，它需要处理：
磨损均衡 (Wear Leveling)： 确保所有闪存块的擦写次数尽可能均衡，延长SSD寿命。这需要动态记录和管理每个块的擦写次数，并智能地选择写入位置。
垃圾回收 (Garbage Collection, GC)： NAND闪存的擦除操作是按块（Block）进行的，但写入是按页（Page）进行的。当需要更新数据时，SSD不会直接擦除旧数据所在的块，而是将新数据写入新的位置，并在旧块中标记失效页。GC就是将这些失效页所在的块进行整理，将有效页迁移到新块，然后擦除旧块，以便重复使用。这个过程非常复杂，需要预判、调度和高速的数据迁移。
坏块管理 (Bad Block Management)： NAND闪存出厂时就可能存在坏块，使用过程中也会产生坏块。主控需要识别、标记并屏蔽这些坏块，确保数据不会写入或读取坏块。
映射表管理： FTL维护着一个庞大的逻辑到物理地址的映射表，这个表会随着SSD的使用而不断变化，高效地管理和更新这个表是关键。
3. ECC (Error Correction Code) 引擎： NAND闪存本身存在一定的误码率，尤其是在高密度、高层数的闪存（如QLC）中，误码率更高。主控需要实现强大的ECC算法（如BCH、LDPC）来检测和纠正数据在存储过程中产生的错误。这些算法通常涉及复杂的数学运算，在硬件中实现能提供极高的效率和低延迟。
4. 缓存管理： SSD主控通常内置有DRAM缓存，用于暂存主机数据、映射表、GC任务等，以提高性能和降低NAND访问频率。这需要高效的缓存策略和一致性管理。
5. 固件执行和调度： SSD主控运行着一套精密的固件程序，用于协调上述所有硬件和算法的运行。这些固件需要实时的响应能力，并且对延迟非常敏感。
为什么CPU难以胜任？
现在我们回到CPU，为什么它难以直接胜任SSD主控的角色？
1. 高延迟和低吞吐量的接口问题： CPU通过PCIe接口与系统通信，这是一个非常高效的接口。但CPU内部控制内存的内存控制器，与直接控制NAND闪存的物理接口（闪存控制器）有着本质的区别。SSD主控需要能够以非常高的频率（数十MHz甚至更高）直接驱动闪存芯片的IO引脚，并且以极高的并行度处理多个闪存芯片的读写。CPU的内存控制器是设计来访问结构化、有周期性协议的DRAM的，它没有能力直接、低延迟、高并行地驱动NAND闪存的物理接口。你需要额外的硬件层来桥接。
2. FTL算法的实现挑战：
性能瓶颈： FTL中的磨损均衡、GC等算法，如果单纯依赖软件在CPU上执行，会消耗大量的CPU周期。SSD主控的设计目标就是将这些核心任务尽可能地硬件化或软硬件结合，以极低的延迟完成。如果这些都交给通用CPU处理，那么CPU大部分时间都会被用来干这些“脏活累活”，而无法高效地为应用程序提供计算服务。
实时性要求： GC需要在后台默默进行，不能严重影响用户的前台读写操作。这意味着它需要非常精密的调度和管理。CPU作为通用处理器，其任务调度是为应对各种应用而设计的，未必能满足SSD后台任务的严格实时性要求。
并发与并行： 现代SSD主控往往能同时管理多个NAND闪存通道，并可能包含多个核心来处理不同的任务。让CPU独立承担所有这些并发任务，对CPU的调度和资源分配提出了极高的要求。
3. ECC的硬件加速： ECC算法的计算量非常大，特别是对于低级别的错误检测和纠错。在硬件中集成专门的ECC引擎，可以在极低的延迟下完成计算，节省CPU资源。如果用CPU软件模拟ECC，效率会大打折扣。
4. 成本与功耗： SSD主控芯片的设计成本和制造成本，在于其高度集成和专用性。它将大量必要的功能集成在一个小尺寸的芯片上，成本相对较低，功耗也更优化。如果让一个通用的、强大的CPU来承担这些功能，它不仅需要额外的硬件接口来连接闪存，而且其整体功耗和成本会飙升到不切实际的地步。一个高性能CPU的功耗和成本，远超一个SSD主控的量级。
5. 生态与兼容性： 整个SSD的工作流程是围绕着主控芯片的固件和硬件能力来设计的。操作系统和应用程序都是通过标准的NVMe/SATA协议与SSD通信，而协议的实现细节是隐藏在主控内部的。如果用CPU来直接控制闪存，意味着需要重写大量的底层驱动和协议栈，这几乎是一项全新的操作系统开发工程。
那么，有没有“接近”或者“融合”的场景呢？
虽然直接用通用CPU完全代替SSD主控不太现实，但在某些领域，可以看到一些趋势和融合的影子：
1. SSD主控的智能化与CPU化： 现代的SSD主控本身就像一个迷你型的、高度定制化的处理器。它们集成了ARM或其他RISC指令集的处理器核心，并运行着复杂的嵌入式操作系统和固件。它们也在不断增加计算能力，以应对更复杂的FTL算法、AI驱动的预测性维护等。
2. Host Memory Buffer (HMB) 和 DirectStorage： 这是与你想法稍微有点关系，但方向是相反的。HMB技术允许SSD利用一小部分系统DRAM作为其缓存的一部分，以减少对独立DRAM芯片的依赖，降低成本。DirectStorage则是微软提出的一个技术，旨在绕过CPU，让GPU直接访问NVMe SSD中的数据，从而加速游戏的加载速度。这说明了将计算能力“靠近”存储的趋势，但不是直接“用CPU做主控”。
3. 一些高度定制化的存储解决方案： 在一些特定领域，比如高性能计算或数据中心，可能会有非常定制化的存储设备，它们可能使用更强大的处理器来管理存储介质，以实现特定的性能或功能。但这些通常不是基于标准SSD主控的替代，而是从头设计的存储系统。
总结一下，CPU代替SSD主控：
理论上的可能性： 如果你愿意牺牲极高的效率、极低的延迟、极低的功耗和极低的成本，只是为了证明“能做到”，那么通过一系列额外的硬件桥接（闪存接口控制器、ECC硬件加速器等）和极其复杂的软件栈（模拟FTL、GC、磨损均衡、坏块管理），理论上是可以让CPU去驱动闪存。
实际的可行性（主流应用）： 非常低，几乎为零。 它会面临无法接受的性能瓶颈（特别是FTL和ECC）、巨大的成本和功耗开销、以及几乎不可能完成的软件工程量。这就像你问能不能用一辆卡车拉一个鸡蛋而不用担架一样，答案是可以，但会把鸡蛋弄碎，而且效率极低。
SSD主控之所以存在并被高度优化，正是因为NAND闪存的独特工作方式和对低延迟、高并行度的极致要求，催生了对专门硬件和算法的高度集成需求。CPU作为通用计算的王者，在处理这些特定、低级、高并行、时间敏感的任务时，它的设计理念和架构反而成为了短板。
所以，这个想法非常有创意，也触及到了存储和计算结合的边界，但从工程和经济的角度来看，在当前技术条件下，它并不“可行”。更实际的趋势是，SSD主控本身越来越像一个小型的专用处理器，并且存储与计算的结合会以其他更高效的方式出现。
网友意见
首先，这玩意在嵌入式领域太常见了，很多板子上就是焊着一块NAND FLASH，然后操作系统自己负责控制CPU擦写，前面有人说了，Linux就有支持，不止Linux，很多其他嵌入式OS都有，甚至还有第三方厂商专门做这个。
好处，做板子的厂商省事了（焊个片子很简单），坏处，做软件的厂商很麻烦（不同板子的接口不一样，需要软件做适配）。
答案是可行的，但操作系统需要单独配驱动，需要每个板子配一个驱动，而如果是SATA口，只要适配AHCI/ATA驱动就可以了，二者的难度明显不一样。作为一些写嵌入式系统的人，我几乎没见过谁喜欢NFTL/MTD这套代码，逻辑太复杂太难看了，别指望Windows给每个厂商做适配。
并且这样做速度一定就快吗？未必，CPU是比SSD主控性能要好的多，但影响SSD性能的还包括算法、通道数、缓存，这些如果都打包给CPU做的话，反而是一个负担，只有在特定场景下，这么做才有意义。还就就是怎么访问呢？嵌入式用GPIO，x86的架构下还要跟ACPI结合一下吧？掉电管理咋做呢？
现在NAND FLASH的种类繁多，并没有像DDR那样有统一的标准，所以，拿CPU代替SSD主控只会增加系统复杂度。
如果不计一切代价，技术上当然没问题。
毕竟什么主控啊，什么芯片啊，本质上都和 CPU 一样，都是计算器和控制器。只要把针脚引脚接口暴露出来，CPU 当然可以接管控制。
但是奇怪的是，为什么要这么干？
毕竟那么多外围的控制芯片，其最初的目的就是要分担 cpu 的负担。尤其是高速 CPU 和低速外设之间的速度差异，会导致 CPU 性能严重的空耗（每次存取数据都要慢慢等，而不是外部控制器先操作好加载好再通知 CPU）。
我粗略的估计一下的话，这么一来，恐怕50%的性能下降恐怕少不了。如果把所有外设都用 CPU 直接接管，那相当于废掉了 DMA，我觉得就是一夜回到奔一甚至586的水平了。
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