首部曲:固态硬盘的好处

发布时间:2016-08-31

NO.1 固态硬盘的介绍
固态硬盘的简介

    固态硬盘(SSD : Solid State Drive)是属于Storage(存储装置)的一种,其主要的组件是用一种名为NAND Flash的闪存作为核心的存储装置,在分类上是NVM(非挥发性内存),也就是说没有电源提供(power off)时仍然可以保存资料状态。
    虽然SSD已不是使用「硬盘」来存储数据,而是使用半导体NAND Flash技术,但是人们依照过往称呼习惯,仍然称为固态硬盘。而且,因为SSD主要是透过芯片控制器(IC controller or SoC)来驱动(drive)闪存,而不是用传统机械硬盘中的旋转马达,所以也被称为(固态存储器),也因此是属于电子式的操作装置,对比传统的物理机械装置,是其效能有重大的突破及改善的根本因素。

上图为常见的SSD外观:(PCIe & 2.5”SATA)

    由于固态硬盘技术与传统机械硬盘其根本的技术不同,所以产生了不少新兴的内存厂商。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SATA3接口,还有更快的PCIe以及刚兴起的NVMe。

固态硬盘的组成

    一般市面上见到的固态硬盘外观与2.5”机械硬盘很相像,但如果我们将其外壳拆开来看,固态硬盘的组成是一片PCBA,在其上有着各种R/C等电子组件,而这些电子组件其中有两个SSD的关键硬件组件,第一个是负责存放数据的NAND Flash Memory(闪存),第二个则是IC控制器(IC Controller)。如果这两个硬件组件再加上固件(FW),就成为SSD最重要的三个部分(key component),三者的关系非常密切,要互相配合的良好,并且负担起整个SSD的存储、传输、运作、安全、效能等。

上图为常见的SSD 2.5”SATA (内部)

NAND Flash Memory简介

    NAND Flash Memory,在固态硬盘中扮演着关键重要角色,是存储数据的地方。传统机械硬盘利用物理磁性原理来记录数据形态,而闪存是利用”浮闸晶体管”(floating gate),利用电子存放至浮闸晶体管当中的多寡造成的电流大小来区分0和1;而依目前快闪技术的不同又可分为单阶储存单元(single-level cell, SLC)、多阶储存单元闪存(Multi-level cell flash memory, MLC flash memory) ,三阶储存单元闪存(Triple-level cell flash memory, TLC flash memory),而且已经有3D NAND Flash开发上市,NAND Flash已经成为现今storage最强大的应用。目前世界主要的NAND Flash厂商有Samsung、Toshiba、Sandisk、Micron、Hynix、Intel等。

NAND Flash Memory 特性

    因为物理结构的关系,NAND Flash无法在该指定的位置直接修改数据。若要对已写过数据的位置再次写入数据时,这时候,固件必须先执行抹除(Erase)的动作,而一区块抹除(Erase)动作需要的时间约为一个页写入(Program)动作时间的10~20倍。
    NAND Flash Memory写入(program)单位为page,而抹除(Erase)单位为Block。如果抹除的单位大于写入单位,这表示若要执行区块抹除动作,必须先将欲抹除区块中的有效页搬移至其他区块才可以进行(Garbage collection)。
    然而NAND Flash Memory有抹除次数的限制(P/E cycle)。
    若某一区块经常被抹除而超过可用次数的话,会造成区块写入/抹除动作错误或者数据无法辨识,因此固态硬盘的寿命和控制器以及固件有着紧密不可分的关系,而这也是各家SSD主要的技术差异点。

NO.2  固态硬盘 vs 传统机械硬盘

传统硬盘的构造

    HDD(Hard Disk Drive),也就是大家所认知到的硬盘(传统机械)。机械硬盘是由充满磁性物质的盘片所组成,使用坚硬的旋转盘片为基础的非挥发性存储装置,在平整的磁性表面存储和检索数据,利用磁头,由电磁流来改变极性方式被写到磁盘上,数据可以通过相反的方式读取。硬盘包括一至数片高速转动的磁盘以及放在致动器悬臂上的磁头。
硬盘最早是由IBM在1956年开始使用,在1960年代初成为计算机中主要的存储装置。生产过的厂商超过二百家,但目前主要厂商只剩下希捷科技(Seagate)和威腾电子(WD)。

上图为常见的HDD 2.5”SATA (内部)

SSD vs HDD主要比较

    如上面所谈,传统硬盘利用机械手臂及磁头进行操作,这样的设计原理,会产生物理上的限制及问题,像是不能承受高速撞击、机械臂移动及马达转动时会产生声噪、马达会产生大量热能等。
    但是,固态硬盘是利用 NAND Flash存储数据,整个读写过程都是采用“电子式”进行,没有马达等机械零件;故较少受到外在环境影响,例如:震动、撞击、摆放位置等。
    除此之外,由于传统硬盘只有一组机械手臂及磁头,因此每次只能读取一组数据,然而SSD却经由控制器的功能,而能够在同一时间读取或写入不同数据,利用主控芯片作为核心及运算,因此 SSD 的读写效能比一般硬盘高出很多,效能就是两者最大的差异。

SSD VS HDD 比较表

NO.3 结论

    如上面所讨论,我们知道固态硬盘和传统硬盘因为天生设计原理的因素造成在效能上有极大的差异,也因为这几年闪存的制程进步飞速,其在成本上已经愈来愈接近传统硬盘,故我们可以说这几年是SSD快速成长的年代;不论是一般的消费者或企业级客户都可以慢慢感受到SSD的优点,It’s time to take SSD to replace HDD.现在就是使用SSD的最佳时机,我们将在SSD白皮书二部曲,再介绍SSD主要的应用面,三部曲讨论一般消费级SSD和企业级SSD的差异,欢迎大家持续关注宝存科技,Shannon Systems是您SSD最佳的选择。

 

资料参考:  

1.https://zh.wikipedia.org/wiki/固态硬盘
2.https://zh.wikipedia.org/wiki/硬盘