固态硬盘

数据存储设备

固态硬盘固态驱动器(英语:Solid-state driveSolid-state disk,简称SSD)是一种以集成电路制作的电脑存储设备,虽然价格及存储容量与机械硬盘有少许差距,但固态硬盘读取的速度可比机械式硬盘的快200倍。[1]页面存档备份,存于互联网档案馆

2.5吋SATA SSD
配合mSATA转SATA转接器使用的mSATA SSD
SSD内部的印刷电路板
左上:7-pin SATA数据接口
左下:15-pin SATA电力接口
中:SandForce主控
右:六片NAND Flash
mini PCI-E SSD,接口与mSATA相同,但互不兼容

可以用非易失性存储器(主要以闪存中的 NAND Flash)作为永久性存储设备,也可以用易失性存储器(例如DRAM)作为临时性存储设备。

固态硬盘常采用SATAPCI ExpressmSATAM.2ZIFIDEU.2CFCFast英语CompactFlash等接口。

分类 编辑

易失性存储器 编辑

 
DIMM存储器制成固态硬盘

由易失性存储器制成的固态硬盘主要用于临时性存储(例如 I-RAM)。易失性存储器(例如DRAM)具有访问速度快的特点,可以将需要运行的程序、数据先行复制到易失性存储器中,然后再执行。这样可以避免永久性存储设备(例如传统硬盘)的启动延迟、搜索延迟…等对程序以及系统造成的影响。因为这类存储器需要持续靠电力维持其记忆,所以由此制成的固态硬盘还需要配合电池才能在断电时维持记忆。

由易失性存储器制成的固态硬盘可能可以搭配电池使用:当关机或电源意外中断时,这类固态硬盘可以靠电池驱动持续记忆数据,当电力恢复后,再将数据转移到永久性存储设备。

非易失性存储器 编辑

非易失性存储器的数据访问速度介于易失性存储器和传统硬盘之间。和易失性存储器相比,非易失性存储器一经写入数据,就不需要外界电力来维持其记忆。因此更适于作为传统硬盘的替代品。

闪存当中的NAND Flash是最常见的非易失性存储器。小容量的NAND闪存可被制作成带有USB接口的移动存储设备,亦即人们常说的“U盘”。随着生产成本的下降,将多个大容量闪存模块集成在一起,制成以闪存为存储介质的固态硬盘已经是目前的趋势。

目前用来生产固态硬盘的NAND Flash有四种,分别是单层式存储(SLC)、多层式存储(MLC,通常用来指称双层式存储)、三层式存储(TLC)、四层式存储(QLC)。有些厂商亦称TLC为3-bit MLC。[1]SLC、MLC、TLC的读写速度依序从快至慢(约4:2:1),使用寿命依序从长至短(约6:3:2),成本依序从高至低,需要纠错比特数(ECC)则是相反地从低至高(同一制程下1:2:4。不过ECC也受制程的影响,同一种芯片,越小尺度的制程需要越多的纠错比特)。[2][3]固态硬盘的主流从SLC芯片转到MLC芯片,促成了2011年的大降价,固态硬盘因此普及。

由于SLC的速度较快但成本过高,用于服务器的企业级SSD都改用了MLC。[4]TLC因为速度较慢但成本低,原本只用来做U盘;不过2012下半年,SAMSUNG首先推出使用TLC的消费级固态硬盘(型号840系列),固态硬盘名牌Plextor也打算于2013年量产TLC产品作为低端廉价市场的主力,[5][6]然而TLC的寿命、速度和可靠性(错误率)成为消费者的最大疑虑(见下文:缺点)。生产商会在TLC SSD使用更先进的主控及更多预留空间(OP)来处理这些问题。

3-bit的TLC错误率较高,需要使用先进的主控及大量的空间进行纠错。4-bit的QLC错误率更高,因而寿命更短。三星已量产两代3D垂直闪存,利用3D堆栈增加存储密度。[7]东芝已于2017年发布QLC(四比特单元) BiCS架构的3D NAND闪存芯片。[8]

形式 编辑

 
华硕Eee PC的SSD

固态硬盘大部分被制作成与传统硬盘相同的外壳尺寸,例如常见的1.8吋、2.5吋或3.5吋规格,并采用了相互兼容的接口;但有些固态硬盘也使用PCI Express或是Express Card作为接口来突破现有硬盘传输接口的速度,或是在有限空间(如上网本超级移动电脑等)中置放固态硬盘。

缺点 编辑

固态硬盘的五大缺点:价格,成本较高、写入次数有一定的上限(容量愈大,寿命愈久)、读取时易受干扰、损坏时不可挽救以及运作时易掉速。[9]

价格高昂 编辑

固态硬盘刚推出时,价格高昂,所以最早只用于军事工业用途上;无论是易失性存储器还是非易失性存储器,其每兆字节(MB)成本都远高于传统硬盘。因此只有小容量的固态硬盘的价格能够被绝大多数人接受。

不过技术更新随着NAND Flash的19nm制程于2012年初进入量产,能够在同样大小的闪存空间内塞入倍增的容量;NAND Flash架构也从SLC到MLC、TLC、QLC;这两项技术都进一步降低每兆字节的成本[10][11]

随着价格逐渐降低,固态硬盘广泛使用在一般的笔记本电脑上做为主系统碟。2018年有超过一半的笔记本电脑搭配固态硬盘出厂。[12]而由于价格与存储空间之比和机械碟仍有较大差距,固态硬盘短时间内依旧无法在容量用途上取代机械硬盘,更多人的电脑上处于两者并存的状态。对于台式机及大型笔记本电脑的用户来说,使用两台硬盘是成本效益比最佳的方法:小容量SSD安装操作系统及常用数据,大容量机械碟存储不常用数据及做为SSD备份用。但是对于薄型笔电、超极本平板电脑的用户来说,SSD的高成本仍是问题:容量够大的SSD很贵而且紧凑的电脑通常无法自行更换SSD而需专业拆机。

损坏时不可挽救 编辑

固态硬盘数据损坏后是难以修复救回数据的。当负责存储数据的闪存颗粒有毁损时,现在的数据修复技术很难在损坏的半导体芯片中救回数据,相反传统机械硬盘还能通过扇区恢复技术挽回许多数据,当然机械硬盘的数据救回服务收费极度高昂,通常只有企业在挽救重要价值数据时会使用。

虽然逐渐有厂商开发SSD轻度损坏时的救援方法,但传统的多存储介质备份习惯还是万全之法,不论是机械碟或SSD只要无备份习惯都将承受数据损失的风险。[13]

写入次数寿命 编辑

寿命方面,由于闪存上每一个电闸都有一定的写入次数限制,寿命结束后会无法写入变成只读状态;而且随着使用的闪存从SLC架构到MLC、TLC,若电闸的质量不变,理论上电闸寿命呈现6:3:2的衰退(因为其原理是在同一个电闸上记录1、2或3个比特,记录越多比特,被写入的机会就越高),[14]因此成为大众接受固态硬盘的另一个障碍。

另一方面,随着固态硬盘主控芯片的改进,能将写入地址依照电闸使用率更平均地分散,使只读状态不会太快到来;而固态硬盘容量的增大也有助于拉低电闸平均使用率,因为一般使用习惯上,会经常改写的文件只占全部数据的一小部分。优秀的厂商通常会用软件算法进一步延长一倍以上的寿命,使固态硬盘能经历极大量使用,甚至比电脑其它硬件还长久耐用,给予用户足够的缓冲时间将数据转移和备份。而最新的3D-nand技术则可以在降低成本、增加容量的同时避免写入寿命过低。 在2015年技术制造主要为MLC的 240-256GB SSD实测中,即使每天写入100GB数据到固态硬盘上也要连续19年才会耗尽其寿命,所以物理寿命问题已经远离一般家用用户的领域。[15]

静置时数据消失 编辑

JEDEC固态技术协会主席Alvin Cox于2015年的一份报告中探讨SSD长期不使用静置时数据的消失特性,时间长短与气温有相关性,根据英特尔(Intel)所提供的温度与数据保存的研究报告显示只要存放温度提高5度,数据保存时间就会缩短一半。在消费级SSD的标准状况下,于40度的运作温度中写入数据后于30度的温度下静置不通电可保存数据52周,大约相当于一年时间。温度越高时保存时间短,实验执行到55度气温的保存情境下,而一般人几乎不会遇到此温度。[16]

事实上就较少使用的“冷数据”存储来说,SSD原本就不符合存储容量效益,一般的大量数据归档保存,还是以机械硬盘、磁带较为适当。同时较新的MLC型SSD已经大幅改善这问题,而基本之道还是尽量将SSD多多使用,作为随身硬盘时也经常接入使其通电,避免长期静置。

读取干扰现象 编辑

读取干扰是容易发生的问题,闪存随着多次的读取,会导致在同一区块中相近的记忆单元内容改变(变成写入动作)。这即是所谓的读取干扰。会导致读取干扰现象的读取次数门槛介于区块被抹除间,通常为10万次。假如连续从一个记忆单元读取,此记忆单元将不会受损,而受损却是接下来被读取的周围记忆单元。

为避免读取干扰问题,闪存控制器通常会计算从上次抹除动作后的区块读取动作总次数。当计数值超过所设置的目标值门槛时,受影响的区块会被复制到一个新的区块,然后将原区块抹除后释放到区块回收区中。原区块在抹除动作后就会像新的一样。若是闪存控制器没有即时介入时读取干扰错误就会发生,如果错误太多而无法被ECC机制修复时就会伴随着可能的数据丢失。[17]目前此物理现象问题透过SSD上控制芯片的算法改善。[18]

掉速 编辑

闪存的另一个问题是掉速,会随着写入次数增加而降低速度,若接近装满时速度也会下降,所以使用时尽量让其保留一定的空闲空间较好,是用户必须改变的使用习惯。同时厂商设计上会通过OP(冗余资源)、磨损均衡等等技术来减缓掉速。

原因包括耗损平均技术的副作用、控制芯片及固件的优劣等。目前较佳的解决方案是Secure Erase(会略微缩短SSD寿命,不过在出现掉速时剩余寿命还很长)及提高更换频率。在量产之前TLC架构的速度相较于SLCMLC产品,原本也是令人质疑的,因为理论上随着每一电闸记录比特数的增加,判读和写入的速度在相同的准确度之下都必然更缓慢。不过正式量产之后,TLC固态硬盘的读写速度甚至略高于同容量MLC的最高速产品,这归功于主控芯片的进步以及多通道的使用。[19]

优点 编辑

和机械硬盘相比读写速度远远胜出,尤其是随机读写,这也是其最主要的优点。还具有无噪音、抗震动,在一般使用情境下平均功耗、热量会比较低的特点。这些特点可以延长靠电池供电的电脑设备运转时间,并且更适合用在行动式设备。

例如三星电子2006年3月推出的容量为32GB的固态硬盘,采用和传统微硬盘相同的1.8吋规格。其耗电量只有机械硬盘的5%,写入速度是1.5倍,读取速度是3倍,并且没有任何噪音。[20]

在2007年台北国际电脑展览会中,闪迪公司发表64GB与32GB的固态硬盘,并有2.5吋、SATA接口与1.8吋、UATA接口两种规格。OCZ Technology现场展出的固态硬盘分为2.5吋与1.8吋两种,其中2.5吋采用SATA接口最大容量可达128GB;1.8吋机种则是采用IDE接口,最大容量可达64GB,可分别使用在笔记本电脑与更小的UMPC上,用来取代传统的硬盘。OCZ的2.5吋固态硬盘OCTANE,容量已达到1TB。[21][22]

三星2015在闪存高峰会(Flash Memory Summit)上发表容量高达16TB的2.5吋固态硬盘PM1633a(V-NAND),其存储容量甚至高过于传统硬盘。固态硬盘的表现与传统硬盘互有胜负,一般在容量、速度、价钱、性价比等作出比较。最初的固态硬盘容量少、价钱高,性价比远不及传统的机械式硬盘。但随着固态硬盘的不断发展,固态硬盘的容量已有实用性,价钱明显下滑之下,已为传统硬盘市场制造危机。

混合固态硬盘 编辑

有众多存储厂商推出融合SSD/HDD优点的固态混合硬盘,像是OCZ RevoDrive Hybrid、Seagate Momentus XT 750GB及之后的SSHD(混合固态硬盘)[23]等等。其它像主板厂商也有使用多个SATA连接端口将SSD/HDD同时使用,像是ASUS的SSD Caching功能。还有磁盘阵列厂商的缓存加速卡,像是HighPoint RocketCache 3240x8等等。

2011年,Intel推出了使用SSD作为缓冲优化磁盘表现的技术——SRT(Smart Response Technology)[24]。在配套的Intel芯片组上,如Z68、QS77、H77等上,可以将SSD与HDD以RAID模式连接,并在系统中以Intel Rapid Storage Technology程序进行加速管理,实现磁盘性能的提升。Intel也在次年2012年推出了名为313的SLC SSD产品线[25],针对加速用途,提供20、24GB容量。

于2012年底,苹果公司发布新一代iMac时同时展示了“Fusion Drive”技术,Fusion Drive技术除了融合HDD和SSD外(合并在同一的逻辑卷),还在操作系统(只限在OS X)上作配合。原理是在用户不知情的情况下,操作系统自动在背景将用户常用应用程序、文件、照片或者其他数据来存储在SSD中,同时将很少访问或者使用的文件留在HDD。苹果公司在发布时指出在正常情况使用下,Fusion Drive的平均性能是SSD的80%,可以让用户体验到“SSD的性能,HDD的容量”。

预留空间 编辑

SSD的预留空间(Over-provisioning,OP)可用作垃圾收回(Garbage collection)、ECC或其他数据保护技术。

预留空间可分成三层

  • 第一层是容量的7.37%,128GB SSD实际上有128GB NAND Flash,厂商以十进制标示容量大小,以二进制计算两者有7.37%差额。这层是不会标示的。所以标示为0% OP的SSD,实际上也有7% OP。
  • 第二层是厂商决定的,通常是0%、7%、28%。所以,我们会看见128GB、120GB、100GB的SSD。它们都有128GB,只是被厂商保留起来作OP。企业版SSD注重稳定性及耐用性,所以会保留多达28%空间作OP。要注意,把一个120GB SSD连接到电脑只可看见112GB空间,是因为大部分操作系统(包括WindowsAndroid)以二进制计算空间大小120x109=112x230,就如16GB SD卡插进手机或电脑只看见15GB一样,与OP无关。
  • 第三层是用户自行划分的,用户在分区时可自行预留空间作为OP,以满足不同需要(稳定性/可用空间)。如果预留多达50%空间作OP,持续地写入大量细小文件的高负载情况下,写入性能只有轻微下降。[26]但一般情况下,没有需要再保留更多空间作OP,因为一般使用情境下不会大量和持续地写入数据。若以SSD建立RAID,应保留一定空间以弥补没有TRIM的影响。
 

分类 编辑

首先按照外观结构接口分类,再按照支持的逻辑设备接口(驱动程序)与总线协议分类:

  • 传统硬盘驱动器接口
    • IDE:罕见
    • SATAAHCI逻辑设备接口、SATA总线
    • SASAHCI逻辑设备接口、SATA总线
    • U.2NVMe逻辑设备接口、PCIe总线。外观上和SAS接口一致。主要应用在企业级的SSD固态上,极大地提高服务器数据传输速度,理论上速度可以达到32GB/s(即256Gbps),近似于PCIe 4.0 x16满速,PCIe3.0 x16的两倍之快。
    • SATAeAHCI逻辑设备接口、SATA总线。由两个SATA接口和一个辅助接口组合而成,理论的速度6GB/s * 2 = 12GB/s,实际可能只能达到10GB/s左右。目前被M.2接口取代。
  • 扩展接口卡
    • mSATAAHCI逻辑设备接口、SATA总线
      • 30mm*50mm 全高
      • 30mm*25mm 半高
    • M.2 即NGFF。尺寸有2230、2242、2260、2280、22110
      • B key
      • M key:理论上兼容B key外观接口,即可以插入B key的槽中。
    • PCIe:可有 PCIe 2.0x2、PCIe 2.0x4、PCIe 2.0x8、PCIe 3.0x4
      • 兼容SATA
      • 不带NVMe逻辑设备接口
      • NVMe逻辑设备接口
  • 可移动磁盘

参见 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ 三星大规模生产128Gb MLC闪存芯片. MyDrivers. [2013-10-17]. (原始内容存档于2013-10-17). 
  2. ^ Flash Chip Type(TLC, MLC, SLC). CENTON. [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-03-30). 
  3. ^ Flash與SSD產業的挑戰─可靠度與總成本. 科技商情Digitimes. 2012-08-30 [2013-03-02]. (原始内容存档于2015-02-27). 
  4. ^ 最佳做法. Enterprise versus Client SSD. Kingston. [2013-10-20]. (原始内容存档于2013-10-20). 
  5. ^ 性能比三星840還要強,浦科特展示TLC快閃記憶體的M5系列SSD. XF ASTEST. 2013-01-09 [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-08-09). 
  6. ^ 快閃記憶體來自東芝,PLEXTOR TLC SSD將在CeBIT展會亮相. XF ASTEST. 2013-02-28 [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-10-14). 
  7. ^ Samsung宣佈量產全球首個3D垂直閃存V-NAND. [2013-10-20]. (原始内容存档于2013-09-19). 
  8. ^ 中关村在线. 东芝全球首发QLC闪存彪悍:竟堪比TLC. ssd.zol.com.cn. [2018-11-21]. (原始内容存档于2018-11-21). 
  9. ^ OCZ VERTEX3 240GB固態硬碟評測. [2009-02-05]. (原始内容存档于2011-07-22). 
  10. ^ 张岚霆. 東芝發表19nm快閃記憶體. iTHome online. 2011-04-25 [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-10-16). 
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  16. ^ SSD資料會消失?. [2019-05-01]. (原始内容存档于2019-05-01). 
  17. ^ TN-29-17 NAND Flash Design and Use Considerations Introduction (PDF). Micron. April 2010 [29 July 2011]. (原始内容 (PDF)存档于2011年7月19日). 
  18. ^ Kawamatus, Tatsuya. TECHNOLOGY FOR MANAGING NAND FLASH (PDF). Hagiwara sys-com co., LTD. [1 August 2011]. [永久失效链接]
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  20. ^ Samsung. Samsung Launches NAND Flash-based Solid State Disk for Mobile PCs. Samsung. 2006-03-21 [2014-12-12]. (原始内容存档于2014-12-13) (英语). 
  21. ^ Anand Lal Shimpi. OCZ's Octane SSD: Indilinx Everest, Up to 1TB in a Consumer Drive. AnandTech. 2011-10-20 [2014-12-12]. (原始内容存档于2014-12-13) (英语). 
  22. ^ Lucas Mearian. OCZ releases first 1TB laptop SSD with 'instant on' boot up. Computer World. 2011-10-20 [2014-12-12]. (原始内容存档于2014-12-13) (英语). 
  23. ^ 固态混合硬盘技术页面存档备份,存于互联网档案馆) - Seagate
  24. ^ Intel® Smart Response Technology页面存档备份,存于互联网档案馆)—Intel(英文)
  25. ^ Intel® SSD 313 Series页面存档备份,存于互联网档案馆) - ARK Intel(英文)
  26. ^ James. 预留下25%最佳?SSD空间/性能关系探寻. PConline. 2012-12-13 [2013-11-13]. (原始内容存档于2013-11-13). 

外部链接 编辑