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硬盘基础知识之SSD硬盘

作者:时间:2017-12-07来源:网络

  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;内存同样也是蓬勃到发展,从SDRAM到DDR,从DDR到DDR2再到DDR3;的发展也是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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201712/372678.htm

  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,传统机械结构已经无法满足要求,而所有这一切随着固态存储()的到来而发生了改变。

    

  ▲固态()

    

  ▲三星固态硬盘

    

  ▲三星固态硬盘

  什么是固态硬盘()?Solid State Disk(固态硬盘),即用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘,由控制单元(主控芯片)和存储单元(DRAM或FLASH芯片)两部分组成。存储单元负责存储数据,控制单元负责读取、写入数据。

    

  ▲固态硬盘

  固态硬盘具有哪些优点,具体可以分以下几个方面:固态硬盘(SSD)摒弃了传统磁介质,采用电子存储介质进行数据存储与读写的技术,拥有速度快、无噪音、防震抗摔、重量轻等优点。下面就让我们更深入的来了解一下固态硬盘(SSD)。

  由于固态硬盘(SSD)摒弃了传统机械结构,采用全芯片存储,所以在恶劣的环境下工作,要比传统的机械存储具备更高的防碰撞性,以及更高稳定性和可靠性。在读写方面也要比传统的机械式存储快很多,因为固态硬盘(SSD)完全是半导体化,不存在数据的查找、寻道时间、读取延时等问题,所以数据读取速度快、反映时间短。

    

  ▲传统机械硬盘与固态硬盘

  据相关测试,使用SSD硬盘,win7启动相比传统机械式硬盘快45%,PS应用快24%,游戏读取快20%。固态硬盘(SSD)采用的是全芯片存储,所以固态硬盘(SSD)在工作运行时,不会产生任何的噪音,而且功耗也很低,体积与重量也相对小巧。由于传统的机械式硬盘大都采用全金属外壳,体积较大,重量上一般也比较重,不便于携带,但是固态硬盘(SSD)却没有这些缺点。由于采用芯片式存储使得存储设备整体上要比传统机械式存储设备轻了很多,体积也小了很多,无结构限制,可以根据实际情况设计成各种接口、形状的特殊电子磁盘,也更便于携带。

    

  ▲固态硬盘(SSD)内部结构

    

  ▲固态硬盘读写速度测试结果

  工作范围更大。传统的机械式存储,由于设计与制造工艺上以及存储方式和工作原理等方面的原因,对运行环境要求比较苛刻,工作温度环境、不稳定环境、移动工作环境等都受到很大限制。如工作温度,一般的机械式磁盘驱动器工作温度基本保持在5摄氏度到55摄氏度之间。但是大多的固态硬盘(SSD)却可以在-10摄氏度到+70摄氏度的范围工作,一些工业级的固态硬盘(SSD)还可以在-45摄氏度到+85摄氏度工作,甚至军工级产品可以在-55摄氏度到135摄氏度的极限温度下工作。

    

  ▲固态硬盘

  不过固态硬盘(SSD)也不是万能的,不是一点缺点都没有的,比如制造成本高、容量低、抗磁场、抗静电差、写入寿命有限(基于闪存)、数据损坏后无法恢复等诸多问题。下面我们就一起来了解一下。

  固态硬盘(SSD)成本高。由于半导体产品等制造成本以及制造工艺等问题,固态硬盘(SSD)的每GB价格与传统的机械硬盘相比依然有着一定的差距。不过在2012年固态硬盘(SSD)每GB有望低于一美元,未来几年会逐步普及。

    

  ▲固态硬盘(SSD)

  容量低。由于固态硬盘(SSD)成本以及技术等问题,相比传统机械硬盘在存储容量方面还是存在一定差距,而且传统机械硬盘容量依然在不断增长,据称目前突破4TB容量。

    

  ▲固态硬盘(SSD)

  写入寿命以及数据损坏后难以恢复,写入寿命有限(基于闪存)。一般闪存写入寿命为1万到10万次,特制的可达100万到500万次,然而整台计算机寿命期内,文件系统的某些部分(如文件分配表)的写入次数仍将超过这一极限。特制的文件系统或者固件可以分担写入的位置,使固态硬盘的整体寿命达到20年以上。

    

  ▲固态硬盘

  数据损坏难以恢复。一般的机械式硬盘如果发生损坏,通过数据恢复也许还能挽回一部分数据,但是如果是固态存储,一但芯片发生损坏,要想在碎成几瓣或者被电流击穿的芯片中找回数据几乎就是不可能的。当然这种不足也是可以牺牲存储空间来弥补的,主要用RAID 1来实现的备份,和传统的存储的备份原理相同。由于目前SSD的成本较高,采用这种方式备份还是价格不菲。

  基于以上这些关于固态硬盘(SSD)优势、劣势方面的诸多问题,以及网络上诸多关于SSD使用、购买等方面的问题,笔者大致归纳了一些网友们比较关心的热点问题,分别加以解答。

    

  ▲固态硬盘

  问题一,“固态硬盘(SSD)的制造工艺、类型以及工作原理?”

  答:现在的固态硬盘(SSD)基本可以分成两大类:

  第一类,基于闪存的固态硬盘(IDE FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk),采用FLASH芯片作为存储介质,这也是我们通常所说的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、优盘等样式。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,但是使用年限不高,适合于个人用户使用。

    

  ▲固态硬盘

  在基于闪存的固态硬盘中,存储单元又分为两类:SLC(Single Layer Cell 单层单元)和MLC(Multi-Level Cell多层单元)。SLC的特点是成本高、容量小、但是速度快,而MLC的特点是容量大成本低,但是速度慢。MLC的每个单元是2bit的,相对SLC来说整整多了一倍。不过,由于每个MLC存储单元中存放的资料较多,结构相对复杂,出错的几率会增加,必须进行错误修正,这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。

    

  ▲固态硬盘存储颗粒

  此外,SLC闪存的优点是复写次数高达100000次,比MLC闪存高10倍。此外,为了保证MLC的寿命,控制芯片的校验与智能磨损平衡技术算法,使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊,达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。

    

  ▲固态硬盘(SSD)

  第二类,基于DRAM的固态硬盘,采用DRAM作为存储介质,目前应用范围较窄。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。

    

  ▲三星固态硬盘

  工作原理:MLC架构的SSD由多颗MLC NAND闪存颗粒构成。大部分MLC NAND闪存的每一Page是4KB,一个block是由许多Page组成的,在STEC的MLC SSD中一个block包含128 Pages(128 Pages x 4KB/Page = 512KB/block = 0.5MB)。Block是可以擦除的最小结构,因此,当你写入SSD时,你一次可写入4KB数据,但是当你从SSD擦除数据时,一次却不得不删除512KB。

    

  ▲三星固态硬盘主控芯片

  无论何时,只要你将数据写入闪存,SSD都会反复经历同样的过程:创建一个电场,电子穿过氧化物并储存电荷(用寄存器单元记录一个电位值)。擦除数据会导致同样的事情发生,但却向着相反的方向。问题是电子穿过氧化物的次数越多,就会变的越弱,最终电压也不能再阻止电子的自由活动了。这时候,我们理解为:SSD的这个单元就发生故障了。



关键词: 硬盘 SSD

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