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固态驱动器(Solid State Disk或Solid State Drive,简称SSD),俗称固态硬盘,固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,因为台湾英语里把固体电容称之为Solid而得名。SSD由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等诸多领域。其芯片的工作温度范围很宽,商规产品(0~70℃)工规产品(-40~85℃)。虽然成本较高,但也正在逐渐普及到DIY市场。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。厂商只需购买NAND存储器,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-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口、SFF-8639接口和M.2 NVME/SATA协议。 [1] 展开全文
固态驱动器(Solid State Disk或Solid State Drive,简称SSD),俗称固态硬盘,固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,因为台湾英语里把固体电容称之为Solid而得名。SSD由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等诸多领域。其芯片的工作温度范围很宽,商规产品(0~70℃)工规产品(-40~85℃)。虽然成本较高,但也正在逐渐普及到DIY市场。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。厂商只需购买NAND存储器,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-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口、SFF-8639接口和M.2 NVME/SATA协议。 [1]
信息
英文缩写
SSD
应用领域
军事、车载、工控、电力、医疗等
外文名
Solid State Disk或Solid State Drive [2]
中文名
固态硬盘/固态驱动器
组    成
由控制单元与存储单元组成
固态硬盘分类
分类方式: 固态硬盘的存储介质分为两种,一种是采用闪存(FLASH芯片)作为存储介质,另外一种是采用DRAM作为存储介质。 基于闪存类:基于闪存的固态硬盘(IDEFLASH DISK、Serial ATA Flash Disk):采用FLASH芯片作为存储介质,这也是通常所说的SSD。它的外观可以被制作成多种模样,例如:笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、U盘等样式。这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动,而且数据保护不受电源控制,能适应于各种环境,适合于个人用户使用。 [1]  一般它擦写次数普遍为3000次左右,以常用的64G为例,在SSD的平衡写入机理下,可擦写的总数据量为64G X 3000 = 192000G,假如你是个变态视频王每天喜欢下载视频看完就删每天下载100G的话,可用天数为192000 / 100 = 1920,也就是 1920 / 366 = 5.25 年。如果你只是普通用户每天写入的数据远低于10G,就拿10G来算,可以不间断用52.5年,再如果你用的是128G的SSD的话,可以不间断用104年!这什么概念?它像普通硬盘HDD一样,理论上可以无限读写,基于DRAM类:基于DRAM的固态硬盘:采用DRAM作为存储介质,应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计,可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理,并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器,而且使用寿命很长,美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。DRAM固态硬盘属于比较非主流的设备。 [1] 
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  • 如何选择固态硬盘

    千次阅读 2018-02-03 19:15:47
    现在市面上有很多鱼龙混杂的固态硬盘,如何挑选性价比高质量好的固态硬盘,也许是很多朋友比较关心的事情。今天,我就在这里献丑了,给大家分析一下怎么选择好的固态硬盘。 首先,我们先要了解一下固态硬盘的结构...

    其实,我不止一次在悟空问答看到过这类的问题了。现在市面上有很多鱼龙混杂的固态硬盘,如何挑选性价比高质量好的固态硬盘,也许是很多朋友比较关心的事情。今天,我就在这里献丑了,给大家分析一下怎么选择好的固态硬盘。

    首先,我们先要了解一下固态硬盘的结构

    固态硬盘(SSD, Solid State Drive)主要包括四个部分:接口,主控,缓存以及存储介质闪存。如下图,是一个典型的固态硬盘的结构图。

    其次,我们结合固态硬盘的结构来来解读一下如何挑选固态硬盘。

    接口:固态硬盘的接口负责与Host主机进行交互。接口种类蛀牙有:2.5 英寸 SATA,mSATA, M.2接口等,同时,接口的不同运行的接口协议也不同。SATA协议的接口有2.5 英寸 SATA,mSATA, M.2接口;PCIe/NVMe协议的接口主要是M.2接口。其中,M.2接口有两种规格,一种是Socket 2,主要用于SATA SSD;一种是Socket 3,主要用于PCIe SSD。所以,在我们选择M.2接口SSD的时候一定要注意咯。SATA SSD和PCIe SSD的性能相差很大,SATA SSD的性能不会超过600MB/s, 一般在500MB/s上下; 而PCIe SSD的性能一般会在GB/s级别,目前最快的消费级PCIe SSD性能可以达到3GB/s以上。

    主控:SSD主控是固态硬盘的核心部件,就类似于CPU对于电脑的作用。主控主要控制着数据的读写,以及FTL层的算法(比如磨损平衡WL,垃圾回收GC等等)。一块SSD主控的好坏,很大程度上会决定固态硬盘的整体质量。目前市场主流的主控供应商主要有Samsung(三星), Intel(英特尔),Marvell(美满电子)以及台系主控商慧荣科技(SMI,SiliconMotion), 群联(Phison),智微JMicron。在购买固态硬盘的时候,一定不要选择那些山寨的主控芯片。

    缓存:缓存对于固态硬盘的作用就是数据中转,利用DRAM快速读写的优势,提升固态硬盘性能。目前市场提供缓存的无非那几家大的供应商:三星,海力士,美光等。DRAM缓存这块没有太的区别。可以不用太关注。

    闪存:闪存是固态硬盘最终实现数据存储的介质。闪存的好坏直接关系着固态硬盘的寿命。在市场上NAND闪存主要有三个等级:原厂颗粒,白片,黑片。原厂颗粒,不用说,就是NAND闪存供应原厂的正规颗粒,有品质保证,在NAND上有清晰的logo, 如下图。白片,是比原厂颗粒低一个级别,因为白片是原厂淘汰下来,有些许缺陷的颗粒。不过这些白片颗粒经过主控的优化,也可以提供可靠的性能和品质。黑片,是最低等级的闪存颗粒,因为黑片颗粒是已经被原厂判"死刑"的颗粒。一部分黑心厂商买回来用在固态硬盘上,这样的固态硬盘一定是不能保证品质,随时有丢失数据的风险。生命短暂,一定要远离黑片。

    结语

    在大家选购固态硬盘的时候,按照上面提到的接口,主控,缓存和闪存等四个方面对固态硬盘进行判断,这样就不会被黑心商家坑了。如果觉得这样麻烦,还有一个更简单的方式,就是选择固态硬盘大厂的产品,品质肯定不会差。你觉得这样的选择方式合适吗?或者你有更加有效的方法吗?欢迎留言哦~

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  • SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    万次阅读 多人点赞 2018-01-27 10:37:47
    我们都知道,早期的电脑CPU是可以直接从硬盘上面读取数据进行处理的,随着科技的进步,时代的发展,计算机硬件的发展速度也是极其迅猛。CPU主频的不断提升,从单核到双核,再到多核;CPU的处理速度越来越快,而硬盘...

    我们都知道,早期的电脑CPU是可以直接从硬盘上面读取数据进行处理的,随着科技的进步,时代的发展,计算机硬件的发展速度也是极其迅猛。CPU主频的不断提升,从单核到双核,再到多核;CPU的处理速度越来越快,而硬盘的的读写速度已经远远跟不上CPU的读写速度,后来增加了内存这个读写速度相对较快的缓存,而内存也是蓬勃到发展,从SDRAM到DDR,从DDR到DDR2再到DDR3,但是无论怎样,内存缓存速度还是跟不上CPU的运算处理速度,后来便在CPU中增加了快速缓存机制!而硬盘这个持久化存储器呢?之前的文章,聊到了机械硬盘的结构和工作原理,今天就来聊一聊SSD固态硬盘的结构和基本工作原理,如理解有所变差,或文章有所不足,皆因水平所限!

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    硬盘的发展在不断的科技进步中快速提升,从容量以及速度再到接口方面。从早期的PATA变成SATA,SCSI变到SAS,以及垂直记录技术在容量上的突破,但这些进步亦未能改变磁盘的记录方式。随着人们对数据需求增多,存储系统的瓶颈越来越明显。而在嵌入式领域移动设备和工业自动化控制等恶劣环境下,传统硬盘机械结构已经无法满足要求,而所有这一切随着固态存储(SSD)的到来而发生了改变。

    传统的机械硬盘(HDD)运行主要是靠机械驱动头,包括马达、盘片、磁头摇臂等必需的机械部件,它必须在快速旋转的磁盘上移动至访问位置,至少95%的时间都消耗在机械部件的动作上。SSD却不同机械构造,无需移动的部件,主要由主控与闪存芯片组成的SSD可以以更快速度和准确性访问驱动器到任何位置。传统机械硬盘必须得依靠主轴主机、磁头和磁头臂来找到位置,而SSD用集成的电路代替了物理旋转磁盘,访问数据的时间及延迟远远超过了机械硬盘。SSD有如此的“神速”,完全得益于内部的组成部件:主控--闪存--固件算法。

    主控、闪存及固件算法三者的关系:

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    SSD最重要的三个组件就是NAND闪存,控制器及固件。NAND闪存负责重要的存储任务,控制器和固件需要协作来完成复杂且同样重要的任务,即管理数据存储、维护SSD性能和使用寿命等。

    主控:

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    控制器是一种嵌入式微芯片(如电脑中CPU),其功能就像命令中心,发出SSD的所有操作请求----从实际读取和写入数据到执行垃圾回收和耗损均衡算法等,以保证SSD的速度及整洁度,可以说主控是SSD的大脑中枢。目前主流的控制器有Marvell、SandForce、Samsung、Indilinx等。像Marvell各方面都很强劲,代表型号为Marvell 88SS9187/89/90主控,运用在浦科特、闪迪、英睿达等品牌的SSD上。

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    SandForce的性能也不错,它的特点是支持压缩数据,比如一个10M的可压缩数据可能被他压成5M的写入硬盘,但还是占用10M的空间,可以提高点速度,最大的特点是会延长SSD的寿命,但是CPU占用会高点而且速度会随着硬盘的使用逐渐小幅度降低。代表型号为SF-2281,运用在包括Intel、金士顿、威刚等品牌的SSD上。

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    Samsung主控一般只有自家的SSD上使用,性能上也是很强悍的,不会比Marvell差多少。目前三星主控已经发展到第五代MEX,主要运用在三星850EVO、850PRO上。

    固件算法:

    SSD的固件是确保SSD性能的最重要组件,用于驱动控制器。主控将使用SSD中固件算法中的控制程序,去执行自动信号处理,耗损平衡,错误校正码(ECC),坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备(如电脑)通信,以及执行数据加密等任务。由于固件冗余存储至NAND闪存中,因此当SSD制造商发布一个更新时,需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。

    开发高品质的固件不仅需要精密的工程技术,而且需要在NAND闪存、控制器和其他SSD组件间实现完美整合。此外,还必须掌握NADN特征、半导体工艺和控制器特征等领域的最先进的技术。固件的品质越好,整个SSD就越精确,越高效,目前具备独立固件研发的SSD厂商并不多,仅有Intel/英睿达/浦科特/OCZ/三星等厂商,希望我国能早日解决。

    NAND闪存:

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    SSD用户的数据全部存储于NAND闪存里,它是SSD的存储媒介。SSD最主要的成本就集中在NAND闪存上。NAND闪存不仅决定了SSD的使用寿命,而且对SSD的性能影响也非常大。NAND闪存颗粒结构及工作原理都很复杂,接下来我们会继续推出系列文章来重点介绍闪存,这里主要来了解一下大家平常选购SSD经常接触到的SLC、MLC及TLC闪存。

    SLC/MLC/TLC闪存:

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    三种闪存状态

    这几年NAND闪存的技术发展迅猛同,从企业级标准的SLC闪存到被广泛运用在消费级SSD上的MLC闪存再到目前正在兴起的TLC闪存,短短时间里,我们看到NAND技术显著进步。对SLC、MLC及TLC闪存怎么理解呢?简单来说,NAND闪存中存储的数据是以电荷的方式存储在每个NAND存储单元内的,SLC、MLC及TLC就是存储的位数不同。

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    单层存储与多层存储的区别在于每个NAND存储单元一次所能存储的“位元数”。SLC(Single-Level Cell)单层式存储每个存储单元仅能储存1bit数据,同样,MLC(Multi-Level Cell)可储存2bit数据,TLC(Trinary-Level)可储存3bit数据。一个存储单元上,一次存储的位数越多,该单元拥有的容量就越大,这样能节约闪存的成本,提高NAND的生产量。但随之而来的是,向每个单元存储单元中加入更多的数据会使得状态难以辨别,并且可靠性、耐用性和性能都 会降低。

    一颗NAND芯片是32G的容量,也就是说128G的SSD,内部是5个NAND芯片做并行读取。读写的时候都依靠主控芯片来做控制,主控芯片还要对所有的NAND闪存芯片做磨损平衡,保证这帮兄弟要挂一起挂,假如是256G的,内部是8通道,并发的读写能力比128G会有了接近50%的提升。至于再大的容量,因为存储容量过大,导致主控芯片保存的地址映射表过大,性能可能会出现持平甚至下降的情况。

    固态硬盘是无需移动的固态电子元件,可以直接进行数据读取。具体量化的概念就是,一台笔记本电脑在使用传统硬盘时可能需要等待36秒才能让操作系统完成启动,而现在如果使用固态硬盘,则只需等待不到9秒钟。基于这种高性能硬盘的协同工作,CPU的运行效率也会提高,其节省能耗的优点足以使电池延长15%的寿命,而且它更加抗震和轻便。而传统硬盘在读取及写入数据的时候,硬盘磁头需要花费时间转动并找到数据所在的位置。

    工作原理概述

    SSD主控通过若干个通道(channel)并行操作多块FLASH颗粒,类似RAID0,大大提高底层的带宽。举个例子,假设主控与FLASH颗粒之间有8个通道,每个通道上挂载了一个闪存颗粒,HOST与FLASH之间数据传输速率为200MB/s。该闪存颗粒Page大小为8KB,FLASH page的读取时间为Tr=50us,平均写入时间为Tp=800us,8KB数据传输时间为Tx=40us。那么底层读取最大带宽为(8KB/(50us+40us))*8 = 711MB/s,写入最大带宽为(8KB/(800us+40us))*8 = 76MB/s。从上可以看出,要提高底层带宽,可以增加底层并行的颗粒数目,也可以选择速度快的FLASH颗粒(或者让速度慢的颗粒变快,比如MLC配成SLC使用)。主控通过8通道连接8个FLASH DIE,为方便解释,这里只画了每个DIE里的一个Block,其中每个小方块表示一个Page (假设大小为4KB)。 

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    HOST写入4KB数据

       

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    HOST继续写入16KB数据

      

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    HOST继续写入,最后整个Block都写满

    当所有Channel上的Block都写满的时候,SSD主控会挑选下一个Block以同样的方式继续写入。 

    HOST是通过LBA(Logical Block Address,逻辑地址块)访问SSD的,每个LBA代表着一个Sector(一般为512B大小),操作系统一般以4K为单位访问SSD,我们把HOST访问SSD的基本单元叫用户页(Host Page)。而在SSD内部,SSD主控与FLASH之间是FLASH Page为基本单元访问FLASH的,我们称FLASH Page为物理页(Physical Page)。HOST每写入一个Host Page, SSD主控会找一个Physical Page把Host数据写入,SSD内部同时记录了这样一条映射(Map)。有了这样一个映射关系后,下次HOST需要读某个Host Page 时,SSD就知道从FLASH的哪个位置把数据读取上来。 

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

     SSD内部维护了一张映射表(Map Table),HOST每写入一个Host Page,就会产生一个新的映射关系,这个映射关系会加入(第一次写)或者更改(覆盖写)Map Table;当读取某个HostPage时, SSD首先查找Map Table中该Host Page对应的Physical Page,然后再访问Flash读取相应的Host数据。

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

      一张Map Table有多大呢?这里假设我们有一个256GB的SSD,以4KB Host Page为例,那么一共有约 64M(256GB/4KB)个Host Page,也就意味着SSD需要有64M大小的Map Table。Map Table中的每个Entry存储的就是物理地址(Physical Page Address),假设其为4Byte (32bits) ,那么整个Map Table的大小为64M*4B = 256MB。  对绝大多数SSD,我们可以看到上面都有板载DRAM,其主要作用就是用来存储这张映射表。也有例外,比如基于Sandforce主控的SSD,它并不支持板载DRAM,那么它的映射表存在哪里呢?SSD工作时,它的绝大部分映射是存储在FLASH里面,还有一部分存储在片上RAM上。当HOST需要读取一些数据时,对有板载DRAM的SSD来说,只要查找DRAM当中的映射表,获取到物理地址后访问FLASH从而得到HOST数据.这期间只需要访问一次FLASH;而对Sandforce的SSD来说,它首先看看该Host Page对应的映射关系是否在RAM内,如果在,那好办,直接根据映射关系读取FLASH;如果该映射关系不在RAM内,那么它首先需要把映射关系从FLASH里面读取出来,然后再根据这个映射关系读取Host数据,这就意味着相比有DRAM的SSD,它需要读取两次FLASH才能把HOST数据读取出来,底层有效带宽减半。对HOST随机读来说,由于片上RAM有限,映射关系Cache命中(映射关系在片上RAM)的概率很小,所以对它来说,基本每次读都需要访问两次FLASH,所以我们可以看到基于Sandforce主控的SSD随机读取性能是不太理想的。  继续回到之前的SSD写操作。当整个SSD写满后,从用户角度来看,如果想写入新的数据,则必须删除一些数据,然后腾出空间再写。用户在删除和写入数据的过程中,会导致一些Block里面的数据变无效或者变老。如下图所示(绿色小方块代表有效数据,红色小方块代表无效数据):

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

     Block中的数据变老或者无效,是指没有任何映射关系指向它们,用户不会访问到这些FLASH空间,它们被新的映射关系所取代。比如有一个Host Page A,开始它存储在FLASH空间的X,映射关系为A->X。后来,HOST重写了该Host Page,由于FLASH不能覆盖写,SSD内部必须寻找一个没有写过的位置写入新的数据,假设为Y,这个时候新的映射关系建立:A->Y,之前的映射关系解除,位置X上的数据变老失效,我们把这些数据叫垃圾数据。  随着HOST的持续写入,FLASH存储空间慢慢变小,直到耗尽。如果不及时清除这些垃圾数据,HOST就无法写入。SSD内部都有垃圾回收机制,它的基本原理是把几个Block中的有效数据(非垃圾数据,上图中的绿色小方块表示的)集中搬到一个新的Block上面去,然后再把这几个Block擦除掉,这样就产生新的可用Block了。

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

     上图中,Block x上面有效数据为A,B,C,Block y上面有效数据为D,E,F,G,红色方块为无效数据。垃圾回收机制就是先找一个未写过的可用Block z,然后把Block x和Block y的有效数据搬移到Block z上面去,这样Block x和Block y上面就没有任何有效数据,可以擦除变成两个可用的Block。

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

     一块刚买的SSD,你会发现写入速度很快,那是因为一开始总能找到可用的Block来进行写入。但是,随着你对SSD的使用,你会发现它会变慢。原因就在于SSD写满后,当你需要写入新的数据,往往需要做上述的垃圾回收:把若干个Block上面的有效数据搬移到某个Block,然后擦掉原先的Block,然后再把你的Host数据写入。这比最初单纯的找个可用的Block来写耗时多了,所以速度变慢也就可以理解了。 

     还是以上图为例。假设HOST要写入4KB数据 (H) ,由于当前可用Block过少,SSD开始做垃圾回收。从上图可以看出,对Block x来说,它需要把Page A,B,C的数据读出并写入到Block z,然后Block x擦除用于HOST数据写入。从Host角度,它只写了4KB数据,但从SSD内部来说,它实际写入了4个Page(Page A, B, C写入Block z,4KB数据H写入到Block x)。

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

    垃圾回收原理

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

      再看一下这张图。回收Block x,上面有3个有效Page,需要读写3个Page完成整个Block的回收;而回收Block y时,则需要读写4个有效Page。两者相比,显然回收Block x比回收Block y快一些。说明一个简单的道理:一个Block上有效的数据越少(垃圾数据越多),则回收速度越快。 

     256GB FLASH配成256GB的SSD (OP = 7.37%), 意味着256*10^9的有效数据写到 256*2^30的空间,每个Block上面的平均有效数据率可以认为是256*10^9/256*2^30 = 93.1%。 

     如果配成240GB的SSD,则意味着240*10^9的有效数据写到256*2^30的空间,每个Block的平均有效数据率为240*10^9/256*2^30 = 87.3%。  

    OP越大,每个Block平均有效数据率越小,因此我们可以得出的结论:OP越大,垃圾回收越快,写放大越小。这就是OP大的好处。  

    写放大越小,意味着写入同样多的HOST数据,写入到FLASH中的数据越少,也就意味着FLASH损耗越小。FLASH都是有一定寿命的,它是用P/E数 (Program/Erase Count)来衡量的。(关于FLASH基础知识,请参考《闪存基础》)。如果SSD集中对某几个Block进行擦写,那么这几个Block很快就寿命耗尽。比如在用户空间,有些数据是频繁需要更新的,那么这些数据所在Block就需要频繁的进行擦写,这些Block的寿命就可能很快的耗尽。相反,有些数据用户是很少更新的,比如一些只读文件,那么这些数据所在的Block擦写的次数就很少。随着用户对SSD的使用,就会形成一些Block有很高的PE数,而有些Block的PE数却很低的。这不是我们想看到的,我们希望所有Block的PE数都应该差不多,就是这些Block被均衡的使用。在SSD内部,有一种叫磨损平衡(Wear Leveling,WL)的机制来保证这点。  

    WL有两种算法:动态WL和静态WL。所谓动态WL,就是在使用Block进行擦写操作的时候,优先挑选PE 数低的;所谓静态WL,就是把长期没有修改的老数据(如前面提到的只读文件数据)从PE数低的Block当中搬出来,然后找个PE 数高的Block进行存放,这样,之前低PE数的Block就能拿出来使用。  

    下面这张图(来源网络)诠释了无WL,动态WL和静态WL下的FLASH耐久度的区别 (假设每个Block最大PE数为10,000):

    SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述

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  • 最初的硬盘如著名的IBM RAMAC都是体积巨大并且十分沉重的大家伙,直到1980年前后,IBM推出了薄膜磁头技术,才让我们彻底告别了那些庞然大物。随后我们把越来越多的注意力放在存储密度和速度上,当然也没有忘记追求更...


    一、演变过程

    从计算机诞生的那一刻起,存储设备就扮演着不可或缺的角色。最初的硬盘如著名的IBM RAMAC都是体积巨大并且十分沉重的大家伙,直到1980年前后,IBM推出了薄膜磁头技术,才让我们彻底告别了那些庞然大物。随后我们把越来越多的注意力放在存储密度和速度上,当然也没有忘记追求更小更便捷的理念。但是,由于机械硬盘先天的设计使得我们不得不面对其机械零部件的稳定性及抗震性等诸多问题。而近年来,一种新形态的存储设备开始崭露头角,即固态硬盘,它凭借着相对于机械硬盘的各种优越性能一举成为了硬盘界的新星,由于存在着一些争议点,它也未能在短时间内撼动机械硬盘的主流地位。

    二、机械硬盘和固态硬盘的原理对比

    (1) 机械硬盘的原理

    机械硬盘,英文名Hard Disk Drive,是电脑上使用坚硬的旋转盘片为基础的非挥发性存储设备,它在平整的磁性表面存储和检索数字数据,信息通过离磁性表面很近的磁头,由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上,同时信息可以通过相反的方式读取,例如读头经过纪录数据的上方时磁场导致线圈中电气信号的改变。其读写是采用随机存取的方式,因此可以以任意顺序读取硬盘中的数据。机械硬盘内部包括一至数片高速转动的磁盘以及放在执行器悬臂上的磁头。根据其实现原理,我们不难发现现代机械硬盘的工作方式就如同其名称一般,是通过机械方式来实现,即电动马达驱动盘片高速旋转,再辅以磁头的操作来存取数据。

    (2) 固态硬盘的原理

    固态硬盘,英文名Solid State Disk或Solid State Drive,是一种以存储器作为永久性存储器的电脑存储设备。虽然SSD已不是使用“碟盘”来记存数据,也没有用于“驱动”的马达,但是人们依照命名习惯,仍然称为固态硬盘或固态驱动器。固态硬盘分易失性与非易失性两种,这里我们着重研究更适合作为传统硬盘替代品的非易失性固态硬盘。非易失性固态硬盘中数据的存取主要由NAND Flash及其主控芯片来实现,没有活动的机械部件,为纯芯片结构。

    三、各自的优缺点

    (1) 总体性能的对比

                                                    
                                                                                                        固态硬盘对比机械硬盘优势图表


    固态硬盘和机械硬盘区别对比
    项 目 固态硬盘(SSD) 机械硬盘(HDD)
    容 量 较小
    价 格 便宜
    随机存取 极快 一般
    写入次数

    SLC:10万次/MLC:1万次

    无限制
    磁盘阵列 极难
    工作噪音
    工作温度 极低 较为明显
    防震能力 很好 较差
    数据恢复 容易

    (2) 读写速度的对比

    由前文可知机械硬盘通过磁头在高速旋转的盘片上进行磁操作来读取数据,因而盘片旋转的速度越快,机械硬盘的数据读写速度也就越快。目前消费市场上主流的机械硬盘盘片转速主要有5400转/分钟和7200转/分钟两种,其在SATA3接口下的读写速度则分别在50~90MB/s与90~190MB/s上下,不难发现机械硬盘转速的提升对于其读写速度的影响还是很明显的。但是,机械硬盘盘片的旋转依赖于机械马达的驱动,其速度的提高也会带来发热、磨损等诸多问题,在现有机械技术上想要大幅提高机械硬盘的转速仍十分困难,因此其读写速度也很难在现有的基础上获得较大的飞跃。反观固态硬盘,由于不采用任何机械构造,因此便不会遇到机械硬盘的转速瓶颈问题。同时由于其采用芯片式的闪存存取方式,基础读写速度极快。不过有一点要指出的是,不像大多数的机械硬盘的读写速度仅和转速相关,固态硬盘由于其特殊的构造,其读写速度易受容量、主控等各方面因素影响较大,因此其读写速度的变化区间也较大,目前主流的固态硬盘读写速度主要集中在500MB/s~1GB/s这样区间,也有少部分高端型号可以达到2GB/s以上。但无论是哪一种型号,固态硬盘的读写速度高于机械硬盘已是不争的事实。由于底层技术实现上的差异,机械硬盘的读写速度可以说是已经输在了起跑线上。


    致谢:

    1、SSD和HDD的区别是什么?固态硬盘和机械硬盘区别对比介绍

    2、[1] 孙瑞 .固态硬盘与机械硬盘综合比较探究 [J]. 科技尚品,2016(08):172-173.

    3、[2] 李博 . 固态硬盘写效率及能耗优化研究 [D]. 华中科技大学,2010.


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  • SATA、mSATA、M.2、M.2(NVMe)、PCIE固态硬盘接口详解

    万次阅读 多人点赞 2019-10-29 10:11:25
    固态硬盘 概念 固态驱动器(Solid State Drive),俗称固态硬盘固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,因为台湾英语里把固体电容称之为Solid而得名。SSD由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)...

    固态硬盘

    概念

    固态驱动器(Solid State Drive),俗称固态硬盘,固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,因为台湾英语里把固体电容称之为Solid而得名。SSD由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等诸多领域。

    其芯片的工作温度范围很宽,商规产品(0~70℃)工规产品(-40~85℃)。虽然成本较高,但也正在逐渐普及到DIY市场。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。厂商只需购买NAND存储器,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-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口、SFF-8639接口和M.2 NVME/SATA协议。

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    接口

    目前固态硬盘的主要接口有:

    SATA接口

    作为目前应用最多的硬盘接口,SATA 3.0接口最大的优势就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盘都使用这种接口,理论传输带宽6Gbps,虽然比起新接口的10Gbps甚至32Gbps带宽差多了,但普通2.5英寸SSD也没这么高的需求,500MB/s多的读写速度也够用。

     

     

    mSATA接口

    mSATA接口,全称迷你版SATA接口(mini-SATA)。是早期为了更适应于超级本这类超薄设备的使用环境,针对便携设备开发的mSATA接口应运而生。可以把它看作标准SATA接口的mini版,而在物理接口上(也就是接口类型)是跟mini PCI-E接口是一样的。

     

    mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程,不过mSATA依然没有摆脱SATA接口的一些缺陷,比如依然是SATA通道,速度也还是6Gbps。诸多原因没能让mSATA接口火起来,反而被更具升级潜力的M.2 SSD所取代。

     

    M.2接口

    M.2接口是Intel推出的一种替代mSATA的新的接口规范,也就是我们以前经常提到的NGFF,即Next Generation Form Factor。

     

    M.2接口的固态硬盘宽度22mm,单面厚度2.75mm,双面闪存布局也不过3.85mm厚,但M.2具有丰富的可扩展性,最长可以做到110mm,可以提高SSD容量。M.2 SSD与mSATA类似,也是不带金属外壳的,常见的规格有主要有2242、2260、2280三种,宽度都为22mm,长度则各不相同。

     

    不仅仅是长度,M.2的接口也有两种不同的规格,分别是“socket2”和”socket3”

     

    看似都是M.2接口,但其支持的协议不同,对其速度的影响可以说是千差万别,M.2接口目前支持两种通道总线,一个是SATA总线,一个是PCI-E总线。当然,SATA通道由于理论带宽的限制(6Gb/s),极限传输速度也只能到600MB/s,但PCI-E通道就不一样了,带宽可以达到10Gb/s,所以看似都为M.2接口,但走的“道儿”不一样,速度自然也就有了差别。

     

    上图为M.2接口走SATA通道的速率

     

    上图为M.2接口走PCIE通道的速率

     

    M.2接口(NVMe协议)

    NVM Express(NVMe),或称非易失性内存主机控制器接口规范(Non-Volatile Memory express),是一个逻辑设备接口规范。他是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范(相当于通讯协议中的应用层),用于访问通过PCI-Express(PCIe)总线附加的非易失性内存介质,虽然理论上不一定要求 PCIe 总线协议。

    此规范目的在于充分利用PCI-E通道的低延时以及并行性,还有当代处理器、平台与应用的并行性,在可控制的存储成本下,极大的提升固态硬盘的读写性能,降低由于AHCI接口带来的高延时,彻底解放SATA时代固态硬盘的极致性能。

    NVMe具体优势包括:

    ①性能有数倍的提升;

    ②可大幅降低延迟;

    ③NVMe可以把最大队列深度从32提升到64000,SSD的IOPS能力也会得到大幅提升;

    ④自动功耗状态切换和动态能耗管理功能大大降低功耗;

    ⑤NVMe标准的出现解决了不同PCIe SSD之间的驱动适用性问题。

    延时更低:

    说到NVMe标准对比AHCI标准的优势,其中之一就是低延时。因为AHCI标准本身就是为高延迟的机械硬盘而设,虽然SSD发展至今,主流产品已经开始不能满足性能的高速发展,特别是在延迟方面。而面向SSD产品的NVMe标准,降低存储时出现的高延迟,就是其要解决的问题之一。


    NVMe SSD可有效降低延迟(图片来自网络)

    在软件层方面,NVMe标准的延时只有AHCI的一半不到,NVMe精简了调用方式,执行命令时不需要读取寄存器;而AHCI每条命令则需要读取4次寄存器,一共会消耗8000次CPU循环,从而造成大概2.5微秒的延迟。

    IOPS大增:

    NVMe的另一个重点则是提高SSD的IOPS(每秒读写次数)性能。目前市面上性能不错的SATA接口SSD,最多只会测试到队列深度为32的IOPS能力,其实终究原因这是AHCI的上限,其实许多闪存主控可以提供更好的队列深度。而NVMe则可以把最大队列深度从32提升到64000,SSD的IOPS能力也会得到大幅提升。


    队列深度的大幅提升(图片来自网络)

     

    低延时和良好的并行性的优势就是可以让SSD的随机性能得到大幅度提升,这是950PRO系列SSD的现场跑分,它的随机性能表现绝对是一流的,在任何队列深度下都能发挥出极佳的速度。

    功耗更低:


    更先进的能耗管理(图片来自网络)

    NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能,设备从能耗状态0闲置50ms后可以迅速切换到能耗状态1,在500ms闲置后又会进入能耗更低的状态2。虽然切换能耗状态会产生短暂延迟,但闲置时这两种状态下的功耗可以控制在非常低的水平,因此在能耗管理上,相比起主流的SATA接口SSD拥有较大优势,这一点对增加笔记本电脑等移动设备的续航尤其有帮助。

    驱动适用性广:


    主流操作系统逐渐开始支持NVMe(图片来自网络)

    NVMe标准的出现解决了不同PCIe SSD之间的驱动适用性问题,NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平台、系统,无需厂家提供相应的驱动就可以正常工作,目前WindowsLinux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了对NVMe SSD的支持。

     

    PCI-E接口:

    在传统SATA硬盘中,当我们进行数据操作时,数据会先从硬盘读取到内存,再将数据提取至CPU内部进行计算,计算后写入内存,存储至硬盘中;而PCI-E就不一样了,数据直接通过总线与CPU直连,省去了内存调用硬盘的过程,传输效率与速度都成倍提升。简单的说,我们可以把两种通道理解成两辆相同的汽车,PCI-E通道的汽车就像是在高速上行驶,而SATA通道的汽车就像是在崎岖山路上行驶。很显然,PCI-E SSD传输速度远远大于SATA SSD。

     

    目前PCI-E接口通道有PCI-E 2.0 x2及PCI-E 3.0 x4两种,最大速度达到32Gbps,可以满足未来一段时间的使用,而且早期PCI-E硬盘不能做启动盘的问题早解决,现在旗舰级SSD大多会选择PCI-E接口。

    虽然PCI-E SSD有诸多好处,但也不是每个人都适合。PCI-E SSD由于闪存颗粒和主控品质问题,总体成本较高,相比传统SATA固态硬盘价格贵一些。另外,由于PCI-E会占用总线通道,入门以及中端平台CPU通道数较少,都不太适合添加PCI-E SSD,只有Z170,或者是X79、X99这样顶级平台,才可以完全发挥PCI-E SSD的性能。总的来说,如果你是一个不差钱的土豪,那么就 PCI-E SSD吧!

     

    好了,带客官看过这么多固态硬盘的接口,相信这篇文章也一定能让你学到不少的知识。对于固态硬盘又多了更多的了解,希望可以帮助到大家。

     

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