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固態(tài)硬盤 又名:SSD

固態(tài)硬盤(Solid State Disk、Solid State Drive,簡稱SSD)是一種以存儲器作為永久性存儲器的電腦存儲設(shè)備。[1]雖然SSD已不是使用“碟”來記存數(shù)據(jù),而是使用NAND Flash,但是人們依照命名習(xí)慣,仍然稱為固態(tài)硬盤(Solid-State Disk)或固態(tài)驅(qū)動器(Solid-State Drive)。當(dāng)然,SSD內(nèi)也沒有用來驅(qū)動(Drive)旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)。

  由于固態(tài)硬盤技術(shù)與傳統(tǒng)硬盤技術(shù)不同,所以產(chǎn)生了不少新興的存儲器廠商。廠商只需使用閃存(NAND),再配合適當(dāng)?shù)目刂?span id="oks2i6o" class='hrefStyle'>芯片,就可以制造固態(tài)硬盤了。新一代的固態(tài)硬盤普遍采用SATA-3接口,也有使用PCI-E x8或者mSATA、ZIF、IDE、CF、CFast等接口的固態(tài)硬盤銷售,如Intel 910,Goldendisk CFast,Glodendisk Esatadom。

  分類

  易失性存儲器

  由易失存儲器制成的固態(tài)硬盤主要用于臨時性存儲。因為這類存儲器需要靠外界電力維持其記憶,所以由此制成的固態(tài)硬盤還需要配合電池才能使用。易失性存儲器,例如SDRAM,具有訪問速度快的特點。利用這一特點,可以將需要運行的程序從傳統(tǒng)硬盤復(fù)制到固態(tài)硬盤中,然后再交由電腦運行,這樣可以避免由于傳統(tǒng)硬盤的啟動延遲、搜索延遲等對程序以及系統(tǒng)造成的影響。

  由易失性存儲器制成的固態(tài)硬盤通常會依靠電池來保證完成應(yīng)急備份:當(dāng)電源意外中斷時,靠電池驅(qū)動的這類固態(tài)硬盤可以有足夠的時間將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)硬盤中。當(dāng)電力恢復(fù)后,再從傳統(tǒng)硬盤中恢復(fù)數(shù)據(jù)。

  非易失性存儲器

  非易失性存儲器的數(shù)據(jù)訪問速度介于易失性存儲器和傳統(tǒng)硬盤之間。和易失性存儲器相比,非易失性存儲器一經(jīng)寫入數(shù)據(jù),就不需要外界電力來維持其記憶。因此更適于作為傳統(tǒng)硬盤的替代品。

  閃存當(dāng)中的NAND Flash是最常見的非易失性存儲器。小容量的NAND閃存可被制作成帶有USB接口的移動存儲設(shè)備,亦即人們常說的“U盤”。隨著生產(chǎn)成本的下降,將多個大容量閃存模塊集成在一起,制成以閃存為存儲介質(zhì)的固態(tài)硬盤已經(jīng)是目前的趨勢。

  目前用來生產(chǎn)固態(tài)硬盤的NAND Flash有三種,分別是單層式存儲(SLC)、多層式存儲(MLC,通常用來指稱兩層式存儲)、三層式存儲(TLC)?,F(xiàn)在,廠商已不使用TLC這個名字,她們稱作3-bit MLC。SLC、MLC及TLC的讀寫速度依序從快至慢(約4:2:1),使用壽命依序從長至短(約6:3:2),成本依序從高至低,需要糾錯比特數(shù)(ECC)則是相反地從低至高(同一制程下1:2:4。不過ECC也受制程的影響,同一種芯片,越小尺度的制程需要越多的糾錯比特)。固態(tài)硬盤的主流從SLC芯片轉(zhuǎn)到MLC芯片,促成了2011年的大降價,固態(tài)硬盤因此普及。

  由于SLC的成本過高,用于服務(wù)器的企業(yè)級SSD都改用了MLC。TLC因為速度較慢但成本低,原本只用來做U盤;不過2012下半年,SAMSUNG首先推出使用TLC的消費級固態(tài)硬盤(型號840系列),固態(tài)硬盤名牌Plextor也打算于2013年量產(chǎn)TLC產(chǎn)品作為低級廉價市場的主力,然而TLC的壽命、速度和可靠性(錯誤率)成為消費者的最大疑慮(見下文:缺點)。生產(chǎn)商會在TLC SSD使用更先進(jìn)的主控及更多預(yù)留空間(OP)來處理這些問題。

  TLC的錯誤率已經(jīng)很高,需要使用先進(jìn)的主控及大量的空間進(jìn)行糾錯。如果發(fā)展4-bit MLC會令錯誤率升得更高,同時壽命更短。三星已量產(chǎn)兩代3D垂直閃存,利用3D堆棧增加存儲密度。[8]

  形式

  固態(tài)硬盤大部分被制作成與傳統(tǒng)硬盤相同的外殼尺寸,例如常見的1.8吋、2.5吋或3.5吋規(guī)格,并采用了相互兼容的接口;但有些固態(tài)硬盤也使用PCI Express或是Express Card作為接口來突破現(xiàn)有硬盤傳輸接口的速度,或是在有限空間(如上網(wǎng)本、超級移動電腦等)中置放固態(tài)硬盤。

  優(yōu)點

  和傳統(tǒng)硬盤相比,固態(tài)硬盤具有低功耗、無噪音、抗震動、低熱量的特點。這些特點不僅使得數(shù)據(jù)能更加安全地得到保存,而且也延長靠電池供電的設(shè)備的連續(xù)運轉(zhuǎn)時間。

  例如三星電子于2006年3月推出的容量為32GB的固態(tài)硬盤,采用和傳統(tǒng)微硬盤相同的1.8吋規(guī)格。其耗電量只有常規(guī)硬盤的5%,寫入速度是傳統(tǒng)硬盤的1.5倍,讀取速度是傳統(tǒng)硬盤的3倍,并且沒有任何噪音。[9]

  在2007年臺北國際電腦展覽會中,閃迪公司發(fā)表64GB與32GB的固態(tài)硬盤,并有2.5吋、SATA接口與1.8吋、UATA接口兩種規(guī)格。OCZ Technology現(xiàn)場展出的固態(tài)硬盤分為2.5吋與1.8吋兩種,其中2.5吋采用SATA接口,最大容量可達(dá)128GB;1.8吋機種則是采用IDE接口,最大容量可達(dá)64GB,可分別使用在筆記本電腦與更小的UMPC上,用來取代傳統(tǒng)的硬盤。OCZ的2.5吋固態(tài)硬盤OCTANE,容量已達(dá)到1TB。

  固態(tài)硬盤的表現(xiàn)與傳統(tǒng)硬盤互有勝負(fù),一般在容量、速度、價錢、性價比等作出比較。最初的固態(tài)硬盤容量少、價錢高,性價比遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)的機器性硬盤。但隨著固態(tài)硬盤的不斷發(fā)展,固態(tài)硬盤的容量已有實用性,價錢明顯下滑之下,已為傳統(tǒng)硬盤市場制造危機。

  缺點

  目前固態(tài)硬盤普及的四大問題:成本、寫入次數(shù)、損壞時的不可挽救性及掉速。

  固態(tài)硬盤以往由于價格高昂,通常只用于軍事及工業(yè)用途上;不過隨著NAND閃存成本的不斷下降,如今固態(tài)硬盤已經(jīng)使用在一般的筆記本電腦上,并預(yù)計逐步于刀片服務(wù)器上采用,提供全新的電腦使用體驗。固態(tài)硬盤比起傳統(tǒng)硬盤,具有速度快、耗電量低與不會出現(xiàn)實體壞軌的優(yōu)點。由于硬盤早已是系統(tǒng)性能的瓶頸,因此改用固態(tài)硬盤可以帶來明顯及令人興奮的性能提升。但由于價格與存儲空間比于傳統(tǒng)硬盤仍有較大差距,固態(tài)硬盤成為真正主流存儲設(shè)備而取代傳統(tǒng)硬盤仍需一定時間。

  成本方面,無論是易失性存儲器還是非易失性存儲器,其每百萬字節(jié)(MB)成本都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硬盤。因此只有小容量的固態(tài)硬盤的價格能夠被大多數(shù)人所承受。當(dāng)消費級傳統(tǒng)硬盤2012年已經(jīng)來到2T、3T甚至5T時,相當(dāng)價位的固態(tài)硬盤只有128G或256G。壽命方面,由于閃存上每一個電閘都有一定的寫入次數(shù)限制,壽命結(jié)束后會無法寫入變成只讀狀態(tài);而且隨著使用的閃存從SLC架構(gòu)到MLC,到最近開始改用TLC,若電閘的質(zhì)量不變,理論上電閘壽命呈現(xiàn)6:3:2的衰退(因為其原理是在同一個電閘上記錄1、2或3個比特,記錄越多比特,被寫入的機會就越高),因此成為大眾接受固態(tài)硬盤的另一個障礙。

  不過技術(shù)總是在更新:成本方面,隨著NAND Flash的19nm制程于2012年初進(jìn)入量產(chǎn),使得能夠在同樣大小的閃存空間內(nèi)塞入倍增的容量;隨著NAND Flash從SLC架構(gòu)到MLC,到最近開始改用TLC;這兩項技術(shù)都進(jìn)一步降低每百萬字節(jié)的成本。而壽命方面,隨著固態(tài)硬盤主控芯片的改進(jìn),能將寫入地址依照電閘使用率更平均地分散,使只讀狀態(tài)不會太快到來;而固態(tài)硬盤容量的增大,也有助于拉低電閘平均使用率,因為一般使用習(xí)慣上,會經(jīng)常改寫的文件只占全部數(shù)據(jù)的一小部分。

  對于臺式機及大型筆記本電腦的用戶來說,使用兩臺硬盤是成本效益比最佳的方法:小容量的SSD來安裝操作系統(tǒng)及常用數(shù)據(jù),大容量HDD安裝數(shù)據(jù)。但是對于小型筆記本電腦、Ultra book及平板電腦的用戶來說,SSD的高成本仍是問題:容量夠大的SSD很貴,而且緊湊的電腦通常無法自行更換SSD。

  第三大問題,也是很多人最在意的問題:固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)損壞后是難以修復(fù)的。當(dāng)負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)的閃存顆粒有毀損時,現(xiàn)時的數(shù)據(jù)修復(fù)技術(shù)不可能在損壞的芯片中救回數(shù)據(jù),相反傳統(tǒng)機械硬盤或許還能通過一些數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)挽回一些數(shù)據(jù)。不過真正在意數(shù)據(jù)保存的人士一般也會定期備份數(shù)據(jù)。

  在量產(chǎn)之前,TLC架構(gòu)的速度相較于SLC和MLC產(chǎn)品,原本也是令人質(zhì)疑的,因為理論上隨著每一電閘記錄比特數(shù)的增加,判讀和寫入的速度在相同的準(zhǔn)確度之下都必然更緩慢。不過正式量產(chǎn)之后,TLC固態(tài)硬盤的讀寫速度甚至略高于同容量MLC的最高速產(chǎn)品,這歸功于主控芯片的進(jìn)步,以及多通道的使用。

  SSD的另一個問題是掉速,SSD的速度會隨著寫入次數(shù)而降低,若SSD接近裝滿時速度也會下降;原因包括耗損平均技術(shù)的副作用、控制芯片及固件的優(yōu)劣等。目前較佳的解決方案是Secure Erase(會略微縮短SSD壽命,不過在出現(xiàn)掉速時、SSD的剩余壽命還很長)及提高更換頻率。

  演變

  目前有眾多存儲廠商推出融合SSD/HDD優(yōu)點的固態(tài)混合硬盤,像是OCZ RevoDrive Hybrid. Seagate Momentus XT 750GB等等。其它像主板廠商也有使用多個SATA連接端口將SSD/HDD同時使用,像是ASUS的SSD Caching功能。還有磁盤陣列廠商的緩存加速卡,像是HighPoint RocketCache 3240x8等等。

  于2012年底,蘋果公司發(fā)布新一代iMac時同時展示了“Fusion Drive”技術(shù),F(xiàn)usion Drive技術(shù)除了融合了HDD和SSD外(合并在同一的邏輯卷),還在操作系統(tǒng)(只限在OS X)上作配合。原理是在用戶不知情的情況下,操作系統(tǒng)自動在背景將用戶常用應(yīng)用程序、文件、照片或者其他數(shù)據(jù)來存儲在SSD中,同時將很少訪問或者使用的文件留在HDD。蘋果公司在發(fā)布時指出在正常情況使用下,F(xiàn)usion Drive的平均性能是SSD的80%,可以讓用戶體驗“SSD的性能,HDD的容量”。

  預(yù)留空間

  SSD的預(yù)留空間(Over-provisioning,OP)可用作垃圾收回(Garbage collection)、ECC或其他數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)。

  預(yù)留空間可分成三層。第一層是容量的7.37%,128GB SSD實際上有128GiB NAND Flash,廠商以十進(jìn)制標(biāo)示容量大小,以二進(jìn)制計算兩者有7.37%差額。這層是不會標(biāo)示的。所以標(biāo)示為0% OP的SSD,實際上也有7% OP。

  第二層是廠商決定的,通常是0%、7%、28%。所以,我們會看見128GB、120GB、100GB的SSD。它們都有128GB,只是被廠商保留起來作OP。企業(yè)版SSD注重穩(wěn)定性及耐用性,所以會保留多達(dá)28%空間作OP。要注意,把一個120GB SSD連接到電腦只可看見112GB空間,是因為大部份操作系統(tǒng)(包括Windows及Android)以二進(jìn)制計算空間大小120x109=112x230,就如16GB SD卡插進(jìn)手機或電腦只看見15GB一樣,與OP無關(guān)。

  第三層是用戶自行劃分的,用戶在分區(qū)時可自行預(yù)留空間作為OP,以滿足不同需要(穩(wěn)定性/可用空間)。如果預(yù)留多達(dá)50%空間作OP,持續(xù)地寫入大量細(xì)小文件的高負(fù)載情況下,寫入性能只有輕微下降。[17]但一般情況下,沒有需要再保留更多空間作OP,因為家用電腦不會大量和持續(xù)地寫入數(shù)據(jù)。若以SSD創(chuàng)建RAID,應(yīng)保留一定空間以彌補沒有TRIM的影響。

  Over-provisioning on an SSD.png


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