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固态硬盘

固态硬盘(Solid State Disk、Solid State Drive,简称SSD)是一种以存储器作为永久性存储器的电脑存储设备。[1]虽然SSD已不是使用“碟”来记存数据,而是使用NAND Flash,但是人们依照命名习惯,仍然称为固态硬盘(Solid-State Disk)或固态驱动器(Solid-State Drive)。当然,SSD内也没有用来驱动(Drive)旋转的马达。

  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。厂商只需使用闪存(NAND),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-3接口,也有使用PCI-E x8或者mSATA、ZIF、IDE、CF、CFast等接口的固态硬盘销售,如Intel 910,Goldendisk CFast,Glodendisk Esatadom。

  分类

  易失性存储器

  由易失存储器制成的固态硬盘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,所以由此制成的固态硬盘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固态硬盘中,然后再交由电脑运行,这样可以避免由于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。

  由易失性存储器制成的固态硬盘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数据转移到传统硬盘中。当电力恢复后,再从传统硬盘中恢复数据。

  非易失性存储器

  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有三种,分别是单层式存储(SLC)、多层式存储(MLC,通常用来指称两层式存储)、三层式存储(TLC)。现在,厂商已不使用TLC这个名字,她们称作3-bit MLC。SLC、MLC及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)。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的成本过高,用于服务器的企业级SSD都改用了MLC。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产品作为低级廉价市场的主力,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。

  TLC的错误率已经很高,需要使用先进的主控及大量的空间进行纠错。如果发展4-bit MLC会令错误率升得更高,同时寿命更短。三星已量产两代3D垂直闪存,利用3D堆栈增加存储密度。[8]

  形式

  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。

  优点

  和传统硬盘相比,固态硬盘具有低功耗、无噪音、抗震动、低热量的特点。这些特点不仅使得数据能更加安全地得到保存,而且也延长靠电池供电的设备的连续运转时间。

  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。[9]

  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。

  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器性硬盘。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。

  缺点

  目前固态硬盘普及的四大问题:成本、写入次数、损坏时的不可挽救性及掉速。

  固态硬盘以往由于价格高昂,通常只用于军事及工业用途上;不过随着NAND闪存成本的不断下降,如今固态硬盘已经使用在一般的笔记本电脑上,并预计逐步于刀片服务器上采用,提供全新的电脑使用体验。固态硬盘比起传统硬盘,具有速度快、耗电量低与不会出现实体坏轨的优点。由于硬盘早已是系统性能的瓶颈,因此改用固态硬盘可以带来明显及令人兴奋的性能提升。但由于价格与存储空间比于传统硬盘仍有较大差距,固态硬盘成为真正主流存储设备而取代传统硬盘仍需一定时间。

  成本方面,无论是易失性存储器还是非易失性存储器,其每百万字节(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。当消费级传统硬盘2012年已经来到2T、3T甚至5T时,相当价位的固态硬盘只有128G或256G。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,到最近开始改用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),因此成为大众接受固态硬盘的另一个障碍。

  不过技术总是在更新:成本方面,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百万字节的成本。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数据的一小部分。

  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:小容量的SSD来安装操作系统及常用数据,大容量HDD安装数据。但是对于小型笔记本电脑、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。

  第三大问题,也是很多人最在意的问题:固态硬盘数据损坏后是难以修复的。当负责存储数据的闪存颗粒有毁损时,现时的数据修复技术不可能在损坏的芯片中救回数据,相反传统机械硬盘或许还能通过一些数据恢复技术挽回一些数据。不过真正在意数据保存的人士一般也会定期备份数据。

  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。

  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;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。

  演变

  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。

  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技术除了融合了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128GiB 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,是因为大部份操作系统(包括Windows及Android)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。[17]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


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