什么是固态硬盘?SSD为什么快?

固态硬盘固态驱动器(英语:Solid-state driveSolid-state disk,简称SSD)是一种主要以闪存(NAND Flash)作为永久性存储器的电脑存储设备。

固态硬盘采用SATA、PCI Express、mSATA、M.2、ZIF、IDE、U.2、CF、CFast等接口。由于价格及存储空间与机械硬盘有巨大差距,固态硬盘无法取代机械式硬盘。

 

易失性存储器

用DIMM存储器制成固态硬盘

由易失性存储器制成的RAM主要用于临时性存储。因为这类存储器需要靠外界电力维持其记忆,所以由此制成的RAM还需要配合电池才能使用。易失性存储器,例如SDRAM,具有访问速度快的特点。利用这一特点,可以将需要运行的程序从传统硬盘复制到易失性存储器中,然后再交由电脑运行,这样可以避免由于传统硬盘的引导延迟、搜索延迟等对程序以及系统造成的影响。

由易失性存储器制成的RAM通常会依靠电池来保证完成应急备份:当电源意外中断时,靠电池驱动的这类固态硬盘可以有足够的时间将资料转移到传统硬盘中。当电力恢复后,再从传统硬盘中恢复资料。

非易失性存储器

非易失性存储器的资料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资料,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

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

固态硬盘的五大缺点:高昂成本、写入次数、读取干扰、损坏时的不可挽救性及掉速。

价格高昂

原先固态硬盘价格非常高昂,只用于军事及工业用途上;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大多数人所承受。

不过技术更新随着NAND Flash的19nm制程于2012年初进入量产,使得能够在同样大小的闪存空间内塞入倍增的容量;随着NAND Flash从SLC架构到MLC,到最近开始改用TLC;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,固态硬盘已经广泛使用在一般的笔记本电脑上做为主系统碟。预计2018年有过半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资料,大容量机械碟安装资料。但是对于薄型笔记本电脑、Ultra book及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

固态硬盘数据损坏后是难以修复救回资料的。当负责存储资料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资料,相反传统机械硬盘还能通过扇区恢复技术挽回许多资料,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资料时会使用。

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资料损失的风险。[13]

写入次数寿命

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。

而寿命方面,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资料的一小部分。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资料转移和备份。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次数过低。在2015年技术制造的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]

静置时资料消失

JEDEC固态技术协会主席Alvin Cox于2015年的一份报告中探讨SSD长期不使用静置时资料的消失特性,时间长短与气温有相关性,根据英特尔(Intel)所提供的温度与资料保存的研究报告显示只要存放温度提高5度,资料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资料后于30度的温度下静置不通电可保存资料52周,大约相当于一年时间。温度越高时保存时间短,实验运行到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“冷资料”存储来说,SSD原本就不符合存储容量效益,一般的大量资料归档保存,还是以机械硬盘驱动器较为适当。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

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资料丢失。[17]目前此物理现象问题透过SSD上控制芯片的算法解决。[18]

掉速

SSD的另一个问题是掉速,SSD的速度会随着写入次数而降低,若SSD接近装满时速度也会下降,所以使用SSD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解决。

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SSD的剩余寿命还很长,及提高更换频率。在量产之前TLC架构的速度相较于SLC和MLC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

和机械硬盘相比读写速度远远胜出,这也是其最主要的功能,还具有低功耗、无噪音、抗震动、低热量的特点,这些特点可以延长靠电池供电的电脑设备运转时间。

例如三星电子于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。其耗电量只有常规硬盘的5%,写入速度是传统硬盘的1.5倍,读取速度是传统硬盘的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。

固态机械混合碟

目前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 3240×8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也在次年的2012推出了名为313的SSD产品线[25],针对加速用途,提供20与24G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“SSD的性能,HDD的容量”。

预留空间

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Windows及Android)以二进制计算空间大小120×109=112×230,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,因为家用电脑不会大量和持续地写入数据。若以SSD创建RAID,应保留一定空间以弥补没有TRIM的影响。
Over-provisioning on an SSD.png
赞 (0) 打赏

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

微信扫一扫打赏