固态硬盘的基本认识

2016/5/5 14:01:27 来源:生活奇事网

 固态硬盘(Solid State Drives),简称固盘,固态硬盘(Solid State Drive)用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,由控制单元存储单元FLASH芯片、DRAM芯片)组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控网络监控网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。

其芯片的工作温度范围很宽,商规产品(0~70℃)工规产品(-40~85℃)。虽然成本较高,但也正在逐渐普及到DIY市场。由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同,所以产生了不少新兴的存储器厂商。厂商只需购买NAND存储器,再配合适当的控制芯片,就可以制造固态硬盘了。新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口和SFF-8639接口。
中文名固态硬盘外文名Solid State Disk应用领域军事、车载、工控、电力、医疗等组    成由控制单元与存储单元组成

分类

分类方式:

固态硬盘的存储介质分为两种,一种是采用闪存FLASH芯片)作为存储介质,另外一种是采用DRAM作为存储介质。
基于闪存类:基于闪存的固态硬盘(IDEFLASH DISK、Serial ATA Flash Disk):采用FLASH芯片作为存储介质,这也是通常所说的SSD。它的外观可以被制作成多种模样,例如:笔记本硬盘微硬盘存储卡U盘等样式。这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动,而且数据保护不受电源控制,能适应于各种环境,适合于个人用户使用。[1]  一般它擦写次数普遍为3000次左右,以常用的64G为例,在SSD的平衡写入机理下,可擦写的总数据量为64G X 3000 = 192000G,假如你是个变态视频王每天喜欢下载视频看完就删每天下载100G的话,可用天数为192000 / 100 = 1920,也就是 1920 / 366 = 5.25 年。如果你只是普通用户每天写入的数据远低于10G,就拿10G来算,可以不间断用52.5年,再如果你用的是128G的SSD的话,可以不间断用104年!这什么概念?它像普通硬盘HDD一样,理论上可以无限读写,
云储固态硬盘
基于DRAM类:
基于DRAM的固态硬盘:采用DRAM作为存储介质,应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计,可被绝大部分操作系统文件系统工具进行卷设置和管理,并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器,而且使用寿命很长,美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。DRAM固态硬盘属于比较非主流的设备。[1] 

发展历程

1956年,IBM公司发明了世界上第一块硬盘。
英特尔固态硬盘 (8张)
1968年,IBM重新提出“温彻斯特”(Winchester)技术的可行性,奠定了硬盘发展方向。
1970年,StorageTek公司(Sun StorageTek)开发了第一个固态硬盘驱动器。
1989年,世界上第一款固态硬盘出现。
2006年3月,三星率先发布一款32GB容量的固态硬盘笔记本电脑,
2007年1月,SanDisk公司发布了1.8寸32GB固态硬盘产品,3月又发布了2.5寸32GB型号。
2007年6月,东芝推出了其第一款120GB固态硬盘笔记本电脑。

2008年9月,忆正MemoRight SSD的正式发布,标志着中国企业加速进军固态硬盘行业。
2009年,SSD井喷式发展,各大厂商蜂拥而来,存储虚拟化正式走入新阶段。
2010年2月,镁光发布了全球首款SATA 6Gbps接口固态硬盘,突破了SATAII接口300MB/s的读写速度。

2010年底,瑞耐斯Renice推出全球第一款高性能mSATA固态硬盘并获取专利权。
2012年,苹果公司在笔记本电脑上应用容量为512G的固态硬盘。[1] 
2015年8月1日,特科芯推出了首款Type-C接口的移动固态硬盘。[2]  该款SSD提供了最新的Type-C接口,支持USB接口双面插入。[2] 
2016年1月1日,中国存储厂商特科芯发布了全球首款Type-C指纹加密SSD。[2] 


基本结构

基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别,其内部构造十分简单,固态硬盘内主体其实就是一块PCB板,而这块PCB板上最基本的配件就是控制芯片,缓存芯片(部分低端硬盘无缓存芯片)和用于存储数据的闪存芯片。


市面上比较常见的固态硬盘有LSISandForce、Indilinx、JMicron、Marvell、Phison、Goldendisk、Samsung以及Intel等多种主控芯片。主控芯片是固态硬盘的大脑,其作用一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,二则是承担了整个数据中转,连接闪存芯片和外部SATA接口。不同的主控之间能力相差非常大,在数据处理能力、算法,对闪存芯片的读取写入控制上会有非常大的不同,直接会导致固态硬盘产品在性能上差距高达数十倍。

主控芯片

大固态硬盘主控芯片品牌、型号、产品一览

品牌[3]  型号[3]  代表产品[3]  是否拥有自主优化软件[3] 
Intel PC29AS21AA0、PC29AS21BA0 Intel 320 Series G3(80G)
SandForce SF-1500/SF-1200、SF-2000系列 OCZ Agility3、威刚 S511/S510、ShineDisk
LSISandForce
SF-2141、SF-2241和SF-2281
SF-2200/2100系列
威刚SP900、金士顿HyperX 系列、ShineDisk
JMicron JMF602、JMF612、JMF618、JMF667H、Heracles 威刚 SP600、ShineDisk、金士顿的SSD Now V系列、影驰系列
Marvell 88SS9174-BJP2、88SS9174-BKK2 Intel的510系列、镁光C400、浦科特 PX-128M2S、威刚 SP920/SP910
Indilinx IDX110M00-LC、IDX110M01-LC SOLIDATA K5-64Me
三星 S3C49RBX01-YH80、S3C29RBB01-YK40 三星 SLC 3.5 100GB
东芝 TC58NCF602GAT、TC58NCF618GBT、T6UG1XBG 东芝(TOSHIBA) Q系列
Goldendisk GDSA25、GDMSA、GDCFA,GDSAI 云存科技 SLC 2.5 60GB
慧荣 SM2242,SM2244,SM2246 SM2235 金固德KINGOOD 8G 16G 32G 64G 128G系列
Novel Data Solution NDS334F NDS334 系列

  特科芯[2] 
PER820系列 、PER860系列 
  特科芯per820 、特科芯PER860 [2]   

  否 








缓存芯片

主控芯片旁边是缓存芯片,固态硬盘和传统硬盘一样需要高速的缓存芯片辅助主控芯片进行数据处理。这里需要注意的是,有一些廉价固态硬盘方案为了节省成本,省去了这块缓存芯片,这样对于使用时的性能会有一定的影响。[4] 

闪存芯片

除了主控芯片和缓存芯片以外,PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash闪存芯片了。NAND Flash闪存芯片又分为SLC(单层单元)MLC(多层单元)以及TLC(三层单元)NAND闪存。[4] 

对比传统硬盘

固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘几近相同,外形和尺寸也基本与普通的 2.5英寸硬盘一致。
固态硬盘具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点,同时其劣势也较为明显。尽管IDC认为SSD已经进入存储市场的主流行列,但其价格仍较为昂贵,容量较低,一旦硬件损坏,数据较难恢复等;并且亦有人认为固态硬盘的耐用性(寿命)相对较短。
影响固态硬盘性能的几个因素主要是:主控芯片、NAND闪存介质和固件。在上述条件相同的情况下,采用何种接口也可能会影响SSD的性能。
主流的接口是SATA(包括3Gb/s和6Gb/s两种)接口,亦有PCIe 3.0接口的SSD问世。
由于SSD与普通磁盘的设计及数据读写原理的不同,使得其内部的构造亦有很大的不同。一般而言,固态硬盘(SSD)的构造较为简单,并且也可拆开;所以我们通常看到的有关SSD性能评测的文章之中大多附有SSD的内部拆卸图。
而反观普通的机械磁盘,其数据读写是靠盘片的高速旋转所产生的气流来托起磁头,使得磁头无限接近盘片,而又不接触,并由步进电机来推动磁头进行换道数据读取。所以其内部构造相对较为复杂,也较为精密,一般情况下不允许拆卸。一旦人为拆卸,极有可能造成损害,磁盘无法正常工作。这也是为何在对磁盘进行评测时,我们基本看不到关于磁盘拆卸图的原因。[5] 

优点

读写速度快:采用闪存作为存储介质,读取速度相对机械硬盘更快。固态硬盘不用磁头,寻道时间几乎为0。持续写入的速度非常惊人,固态硬盘厂商大多会宣称自家的固态硬盘持续读写速度超过了500MB/s!固态硬盘的快绝不仅仅体现在持续读写上,随机读写速度快才是固态硬盘的终极奥义,这最直接体现在绝大部分的日常操作中。与之相关的还有极低的存取时间,最常见的7200转机械硬盘的寻道时间一般为12-14毫秒,而固态硬盘可以轻易达到0.1毫秒甚至更低。[6] 
防震抗摔性:传统硬盘都是磁碟型的,数据储存在磁碟扇区里。而固态硬盘是使用闪存颗粒(即mp3、U盘等存储介质)制作而成,所以SSD固态硬盘内部不存在任何机械部件,这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用,而且在发生碰撞和震荡时能够将数据丢失的可能性降到最小。相较传统硬盘,固态硬盘占有绝对优势。[6] 
低功耗:固态硬盘的功耗上要低于传统硬盘。
无噪音:固态硬盘没有机械马达和风扇,工作时噪音值为0分贝。基于闪存的固态硬盘在工作状态下能耗和发热量较低(但高端或大容量产品能耗会较高)。内部不存在任何机械活动部件,不会发生机械故障,也不怕碰撞、冲击、振动。由于固态硬盘采用无机械部件的闪存芯片,所以具有了发热量小、散热快等特点。[6] 
工作温度范围大:典型的硬盘驱动器只能在5到55摄氏度范围内工作。而大多数固态硬盘可在-10~70摄氏度工作。固态硬盘比同容量机械硬盘体积小、重量轻。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的相同,在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致。其芯片的工作温度范围很宽(-40~85摄氏度)。
轻便:固态硬盘在重量方面更轻,与常规1.8英寸硬盘相比,重量轻20-30克。

缺点

容量:固态硬盘最大容量仅为4TB,由闪迪(SanDisk)发布的Optimus MAX(擎天柱)[7] 
寿命限制:固态硬盘闪存具有擦写次数限制的问题,这也是许多人诟病其寿命短的所在。闪存完全擦写一次叫做1次P/E,因此闪存的寿命就以P/E作单位。34nm的闪存芯片寿命约是5000次P/E,而25nm的寿命约是3000次P/E。随着SSD固件算法的提升,新款SSD都能提供更少的不必要写入量。一款120G的固态硬盘,要写入120G的文件才算做一次P/E。普通用户正常使用,即使每天写入50G,平均2天完成一次P/E,3000个P/E能用20年,到那时候,固态硬盘早就被替换成更先进的设备了(在实际使用中,用户更多的操作是随机写,而不是连续写,所以在使用寿命内,出现坏道的机率会更高)。另外,虽然固态硬盘的每个扇区可以重复擦写100000次(SLC),但某些应用,如操作系统的LOG记录等,可能会对某一扇区进行多次反复读写,而这种情况下,固态硬盘的实际寿命还未经考验。不过通过均衡算法对存储单元的管理,其预期寿命会延长。SLC有10万次的写入寿命,成本较低的MLC,写入寿命仅有1万次,而廉价的TLC闪存则更是只有可怜的500-1000次。
售价高:市场上的128GB 固态硬盘产品的价格大约在在550元人民币左右,而256GB的产品价格大约在950元人民币(2014年价格)左右。计算下来,每GB价格在4.2元人民币(2014年价格)左右,依然比传统机械硬盘每 GB 0.3元人民币(2014年价格)的价格高出了十几倍。市场上128GB MLC(多层单元)固态硬盘,一般价格为550元(2014年)左右,部分较型号甚至达到750元左右。而这个价钱足够买一个容量3TB的传统硬盘了。128GB SLC(单层单元)固态硬盘价格则高达2000元以上。[1] 

正确使用与保养

对于固态硬盘的使用和保养,最重要的一条就是:在机械硬盘时代养成的“良好习惯”,未必适合固态硬盘。

一、不要使用碎片整理

碎片整理是对付机械硬盘变慢的一个好方法,但对于固态硬盘来说这完全就是一种“折磨”。
消费级固态硬盘的擦写次数是有限制,碎片整理会大大减少固态硬盘的使用寿命。其实,固态硬盘的垃圾回收机制就已经是一种很好的“磁盘整理”,再多的整理完全没必要。Windows的“磁盘整理”功能是机械硬盘时代的产物,并不适用于SSD。
除此之外,使用固态硬盘最好禁用win7的预读(Superfetch)和快速搜索(Windows Search)功能。这两个功能的实用意义不大,而禁用可以降低硬盘读写频率。

二、小分区 少分区

还是由于固态硬盘的“垃圾回收机制”。在固态硬盘上彻底删除文件,是将无效数据所在的整个区域摧毁,过程是这样的:先把区域内有效数据集中起来,转移到空闲的位置,然后把“问题区域”整个清除。
这一机制意味着,分区时不要把SSD的容量都分满。例如一块128G的固态硬盘,厂商一般会标称120G,预留了一部分空间。但如果在分区的时候只分100G,留出更多空间,固态硬盘的性能表现会更好。这些保留空间会被自动用于固态硬盘内部的优化操作,如磨损平衡、垃圾回收和坏块映射。这种做法被称之为“小分区”。
“少分区”则是另外一种概念,关系到“4k对齐”对固态硬盘的影响。一方面主流SSD容量都不是很大,分区越多意味着浪费的空间越多,另一方面分区太多容易导致分区错位,在分区边界的磁盘区域性能可能受到影响。最简单地保持“4k对齐”的方法就是用Win7自带的分区工具进行分区,这样能保证分出来的区域都是4K对齐的。

三、保留足够剩余空间

固态硬盘存储越多性能越慢。而如果某个分区长期处于使用量超过90%的状态,固态硬盘崩溃的可能性将大大增加。
所以及时清理无用的文件,设置合适的虚拟内存大小,将电影音乐等大文件存放到机械硬盘非常重要,必须让固态硬盘分区保留足够的剩余空间。

四、及时刷新固件

“固件”好比主板上的BIOS,控制固态硬盘一切内部操作,不仅直接影响固态硬盘的性能、稳定性,也会影响到寿命。优秀的固件包含先进的算法能减少固态硬盘不必要的写入,从而减少闪存芯片的磨损,维持性能的同时也延长了固态硬盘的寿命。因此及时更新官方发布的最新固件显得十分重要。不仅能提升性能和稳定性,还可以修复之前出现的bug。

五、学会使用恢复指令

固态硬盘的Trim重置指令可以把性能完全恢复到出厂状态。但不建议过多使用,因为对固态硬盘来说,每做一次Trim重置就相当于完成了一次完整的擦写操作,对磁盘寿命会有影响。

随着互联网的飞速发展,人们对数据信息的存储需求也在不断提升,现在多家存储厂商推出了自己的便携式固态硬盘,更有支持Type-C接口的移动固态硬盘和支持指纹识别的固态硬盘推出。

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