硬盤基礎(chǔ)知識之SSD硬盤

隨著科技的進(jìn)步，時代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展速度也是極其迅猛。CPU主頻的不斷提升，從單核到雙核，再到多核;內(nèi)存同樣也是蓬勃到發(fā)展，從SDRAM到DDR，從DDR到DDR2再到DDR3;硬盤的發(fā)展也是在不斷的科技進(jìn)步中快速提升，從容量以及速度再到接口方面。從早期的PATA變成SATA，SCSI變到SAS，以及垂直記錄技術(shù)在容量上的突破，但這些進(jìn)步亦未能改變磁盤的記錄方式。

隨著人們對數(shù)據(jù)需求增多，存儲系統(tǒng)的瓶頸越來越明顯。而在嵌入式領(lǐng)域移動設(shè)備和工業(yè)自動化控制等惡劣環(huán)境下，傳統(tǒng)硬盤機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足要求，而所有這一切隨著固態(tài)存儲(SSD)的到來而發(fā)生了改變。

什么是固態(tài)硬盤(SSD)?Solid State Disk(固態(tài)硬盤)，即用固態(tài)電子存儲芯片陣列制成的硬盤，由控制單元(主控芯片)和存儲單元(DRAM或FLASH芯片)兩部分組成。存儲單元負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)，控制單元負(fù)責(zé)讀取、寫入數(shù)據(jù)。

固態(tài)硬盤具有哪些優(yōu)點(diǎn)，具體可以分以下幾個方面：固態(tài)硬盤(SSD)摒棄了傳統(tǒng)磁介質(zhì)，采用電子存儲介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與讀寫的技術(shù)，擁有速度快、無噪音、防震抗摔、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。下面就讓我們更深入的來了解一下固態(tài)硬盤(SSD)。

由于固態(tài)硬盤(SSD)摒棄了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用全芯片存儲，所以在惡劣的環(huán)境下工作，要比傳統(tǒng)的機(jī)械存儲具備更高的防碰撞性，以及更高穩(wěn)定性和可靠性。在讀寫方面也要比傳統(tǒng)的機(jī)械式存儲快很多，因?yàn)楣虘B(tài)硬盤(SSD)完全是半導(dǎo)體化，不存在數(shù)據(jù)的查找、尋道時間、讀取延時等問題，所以數(shù)據(jù)讀取速度快、反映時間短。

▲傳統(tǒng)機(jī)械硬盤與固態(tài)硬盤

據(jù)相關(guān)測試，使用SSD硬盤，win7啟動相比傳統(tǒng)機(jī)械式硬盤快45%，PS應(yīng)用快24%，游戲讀取快20%。固態(tài)硬盤(SSD)采用的是全芯片存儲，所以固態(tài)硬盤(SSD)在工作運(yùn)行時，不會產(chǎn)生任何的噪音，而且功耗也很低，體積與重量也相對小巧。由于傳統(tǒng)的機(jī)械式硬盤大都采用全金屬外殼，體積較大，重量上一般也比較重，不便于攜帶，但是固態(tài)硬盤(SSD)卻沒有這些缺點(diǎn)。由于采用芯片式存儲使得存儲設(shè)備整體上要比傳統(tǒng)機(jī)械式存儲設(shè)備輕了很多，體積也小了很多，無結(jié)構(gòu)限制，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)成各種接口、形狀的特殊電子磁盤，也更便于攜帶。

▲固態(tài)硬盤(SSD)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

▲固態(tài)硬盤讀寫速度測試結(jié)果

工作范圍更大。傳統(tǒng)的機(jī)械式存儲，由于設(shè)計(jì)與制造工藝上以及存儲方式和工作原理等方面的原因，對運(yùn)行環(huán)境要求比較苛刻，工作溫度環(huán)境、不穩(wěn)定環(huán)境、移動工作環(huán)境等都受到很大限制。如工作溫度，一般的機(jī)械式磁盤驅(qū)動器工作溫度基本保持在5攝氏度到55攝氏度之間。但是大多的固態(tài)硬盤(SSD)卻可以在-10攝氏度到+70攝氏度的范圍工作，一些工業(yè)級的固態(tài)硬盤(SSD)還可以在-45攝氏度到+85攝氏度工作，甚至軍工級產(chǎn)品可以在-55攝氏度到135攝氏度的極限溫度下工作。

不過固態(tài)硬盤(SSD)也不是萬能的，不是一點(diǎn)缺點(diǎn)都沒有的，比如制造成本高、容量低、抗磁場、抗靜電差、寫入壽命有限(基于閃存)、數(shù)據(jù)損壞后無法恢復(fù)等諸多問題。下面我們就一起來了解一下。

固態(tài)硬盤(SSD)成本高。由于半導(dǎo)體產(chǎn)品等制造成本以及制造工藝等問題，固態(tài)硬盤(SSD)的每GB價格與傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤相比依然有著一定的差距。不過在2012年固態(tài)硬盤(SSD)每GB有望低于一美元，未來幾年會逐步普及。

容量低。由于固態(tài)硬盤(SSD)成本以及技術(shù)等問題，相比傳統(tǒng)機(jī)械硬盤在存儲容量方面還是存在一定差距，而且傳統(tǒng)機(jī)械硬盤容量依然在不斷增長，據(jù)稱目前突破4TB容量。

寫入壽命以及數(shù)據(jù)損壞后難以恢復(fù)，寫入壽命有限(基于閃存)。一般閃存寫入壽命為1萬到10萬次，特制的可達(dá)100萬到500萬次，然而整臺計(jì)算機(jī)壽命期內(nèi)，文件系統(tǒng)的某些部分(如文件分配表)的寫入次數(shù)仍將超過這一極限。特制的文件系統(tǒng)或者固件可以分擔(dān)寫入的位置，使固態(tài)硬盤的整體壽命達(dá)到20年以上。

數(shù)據(jù)損壞難以恢復(fù)。一般的機(jī)械式硬盤如果發(fā)生損壞，通過數(shù)據(jù)恢復(fù)也許還能挽回一部分?jǐn)?shù)據(jù)，但是如果是固態(tài)存儲，一但芯片發(fā)生損壞，要想在碎成幾瓣或者被電流擊穿的芯片中找回?cái)?shù)據(jù)幾乎就是不可能的。當(dāng)然這種不足也是可以犧牲存儲空間來彌補(bǔ)的，主要用RAID 1來實(shí)現(xiàn)的備份，和傳統(tǒng)的存儲的備份原理相同。由于目前SSD的成本較高，采用這種方式備份還是價格不菲。

基于以上這些關(guān)于固態(tài)硬盤(SSD)優(yōu)勢、劣勢方面的諸多問題，以及網(wǎng)絡(luò)上諸多關(guān)于SSD使用、購買等方面的問題，筆者大致歸納了一些網(wǎng)友們比較關(guān)心的熱點(diǎn)問題，分別加以解答。

問題一，“固態(tài)硬盤(SSD)的制造工藝、類型以及工作原理?”

答：現(xiàn)在的固態(tài)硬盤(SSD)基本可以分成兩大類：

第一類，基于閃存的固態(tài)硬盤(IDE FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk)，采用FLASH芯片作為存儲介質(zhì)，這也是我們通常所說的SSD。它的外觀可以被制作成多種模樣，例如：筆記本硬盤、微硬盤、存儲卡、優(yōu)盤等樣式。這種SSD固態(tài)硬盤最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以移動，而且數(shù)據(jù)保護(hù)不受電源控制，能適應(yīng)于各種環(huán)境，但是使用年限不高，適合于個人用戶使用。

在基于閃存的固態(tài)硬盤中，存儲單元又分為兩類：SLC(Single Layer Cell 單層單元)和MLC(Multi-Level Cell多層單元)。SLC的特點(diǎn)是成本高、容量小、但是速度快，而MLC的特點(diǎn)是容量大成本低，但是速度慢。MLC的每個單元是2bit的，相對SLC來說整整多了一倍。不過，由于每個MLC存儲單元中存放的資料較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，出錯的幾率會增加，必須進(jìn)行錯誤修正，這個動作導(dǎo)致其性能大幅落后于結(jié)構(gòu)簡單的SLC閃存。

此外，SLC閃存的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)寫次數(shù)高達(dá)100000次，比MLC閃存高10倍。此外，為了保證MLC的壽命，控制芯片的校驗(yàn)與智能磨損平衡技術(shù)算法，使得每個存儲單元的寫入次數(shù)可以平均分?jǐn)?，達(dá)到100萬小時故障間隔時間(MTBF)。

第二類，基于DRAM的固態(tài)硬盤，采用DRAM作為存儲介質(zhì)，目前應(yīng)用范圍較窄。它仿效傳統(tǒng)硬盤的設(shè)計(jì)，可被絕大部分操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)工具進(jìn)行卷設(shè)置和管理，并提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI和FC接口用于連接主機(jī)或者服務(wù)器。應(yīng)用方式可分為SSD硬盤和SSD硬盤陣列兩種。它是一種高性能的存儲器，而且使用壽命很長，美中不足的是需要獨(dú)立電源來保護(hù)數(shù)據(jù)安全。

工作原理：MLC架構(gòu)的SSD由多顆MLC NAND閃存顆粒構(gòu)成。大部分MLC NAND閃存的每一Page是4KB，一個block是由許多Page組成的，在STEC的MLC SSD中一個block包含128 Pages(128 Pages x 4KB/Page = 512KB/block = 0.5MB)。Block是可以擦除的最小結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)你寫入SSD時，你一次可寫入4KB數(shù)據(jù)，但是當(dāng)你從SSD擦除數(shù)據(jù)時，一次卻不得不刪除512KB。

無論何時，只要你將數(shù)據(jù)寫入閃存，SSD都會反復(fù)經(jīng)歷同樣的過程：創(chuàng)建一個電場，電子穿過氧化物并儲存電荷(用寄存器單元記錄一個電位值)。擦除數(shù)據(jù)會導(dǎo)致同樣的事情發(fā)生，但卻向著相反的方向。問題是電子穿過氧化物的次數(shù)越多，就會變的越弱，最終電壓也不能再阻止電子的自由活動了。這時候，我們理解為：SSD的這個單元就發(fā)生故障了。