固态硬盘

2.5吋SATA SSD
配合mSATA转SATA转接器使用的mSATA SSD
SSD内部的印刷电路板
左上:7-pin SATA数据接口
左下:15-pin SATA电力接口
中:SandForce主控
右:六片NAND Flash
mini PCI-E SSD,介面与mSATA相同,但互不相容

固态硬碟固态驱动器(英语:Solid-state driveSolid-state disk,简称SSD)是一种以积体电路制作的电脑储存装置,虽然价格及最大储存容量与机械硬碟仍有差距,固态硬碟以经可与机械式硬碟竞争。

可以用非挥发性记忆体(主要以快闪记忆体中的 NAND Flash)作为永久性储存装置,也可以用挥发性记忆体(例如DRAM)作为临时性储存装置。

固态硬碟常采用SATAPCI ExpressmSATAM.2ZIFIDEU.2CFCFast等介面。

分类

挥发性记忆体

DIMM记忆体制成固态硬碟

由挥发性记忆体制成的固态硬碟主要用于临时性储存(例如 I-RAM)。挥发性记忆体(例如DRAM)具有存取速度快的特点,可以将需要运行的程式、资料先行复制到挥发性记忆体中,然后再执行。这样可以避免永久性储存装置(例如传统硬碟)的启动延迟、搜寻延迟…等对程式以及系统造成的影响。因为这类记忆体需要持续靠电力维持其记忆,所以由此制成的固态硬碟还需要配合电池才能在断电时维持记忆。

由挥发性记忆体制成的固态硬碟可能可以搭配电池使用:当关机或电源意外中断时,这类固态硬碟可以靠电池驱动持续记忆资料,当电力恢复后,再将资料转移到永久性储存装置。

非挥发性记忆体

非挥发性记忆体的资料存取速度介于挥发性记忆体和传统硬碟之间。和挥发性记忆体相比,非挥发性记忆体一经写入资料,就不需要外界电力来维持其记忆。因此更适于作为传统硬碟的替代品。

快闪记忆体当中的NAND Flash是最常见的非挥发性记忆体。小容量的NAND快闪记忆体可被制作成带有USB介面的移动储存装置,亦即人们常说的「随身碟」。随着生产成本的下降,将多个大容量快闪记忆体模组整合在一起,制成以快闪记忆体为储存介质的固态硬碟已经是目前的趋势。

目前用来生产固态硬碟的NAND Flash有四种,分别是单层式储存(SLC)、多层式储存(MLC,通常用来指称双层式储存)、三层式储存(TLC)、四层式储存(QLC)。有些厂商亦称TLC为3-bit MLC。[1]SLC、MLC、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,需要纠错位元数(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,同一种晶片,越小尺度的制程需要越多的纠错位元)。[2][3]固态硬碟的主流从SLC晶片转到MLC晶片,促成了2011年的大降价,固态硬碟因此普及。

由于SLC的速度较快但成本过高,用于伺服器的企业级SSD都改用了MLC。[4]TLC因为速度较慢但成本低,原本只用来做随身碟;不过2012下半年,SAMSUNG首先推出使用TLC的消费级固态硬碟(型号840系列),固态硬碟名牌Plextor也打算于2013年量产TLC产品作为低阶廉价市场的主力,[5][6]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。

3-bit的TLC错误率较高,需要使用先进的主控及大量的空间进行纠错。4-bit的QLC错误率更高,因而寿命更短。三星已量产两代3D垂直闪存,利用3D堆叠增加储存密度。[7]东芝已于2017年发布QLC(四位元单元) BiCS架构的3D NAND快闪记忆体晶片。[8]

形式

华硕Eee PC的SSD

固态硬碟大部分被制作成与传统硬碟相同的外壳尺寸,例如常见的1.8吋、2.5吋或3.5吋规格,并采用了相互相容的介面;但有些固态硬碟也使用PCI Express或是Express Card作为介面来突破现有硬碟传输介面的速度,或是在有限空间(如小笔电超级移动电脑等)中置放固态硬碟。

缺点

固态硬碟的五大缺点:高昂成本、写入次数、读取干扰、损坏时的不可挽救性及掉速。[9]

价格高昂

原先固态硬碟价格非常高昂,只用于军事工业用途上;无论是挥发性记忆体还是非挥发性记忆体,其每百万位元组(MB)成本都远高于传统硬碟。因此只有小容量的固态硬碟的价格能够被大多数人接受。

不过技术更新随着NAND Flash的19nm制程于2012年初进入量产,能够在同样大小的快闪记忆体空间内塞入倍增的容量;NAND Flash架构也从SLC到MLC、TLC、QLC;这两项技术都进一步降低每百万位元组的成本[10][11]

随着价格逐渐降低,固态硬碟广泛使用在一般的笔记型电脑上做为主系统碟。预计2018年有过半笔记型电脑搭配固态硬碟出厂。[12]而由于价格与储存空间之比和机械碟仍有较大差距,固态硬碟短时间内依旧无法在容量用途上取代机械硬碟,更多人的电脑上处于两者并存的状态。对于桌上型电脑及大型笔记型电脑的使用者来说,使用两台硬碟是成本效益比最佳的方法:小容量SSD安装作业系统及常用资料,大容量机械碟安装资料。但是对于薄型笔电、Ultra book及平板电脑的使用者来说,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而需专业拆机。

损坏时不可挽救

固态硬碟数据损坏后是难以修复救回资料的。当负责储存资料的快闪记忆体颗粒有毁损时,现在的数据修复技术很难在损坏的半导体晶片中救回资料,相反传统机械硬碟还能通过磁区恢复技术挽回许多资料,当然机械硬碟的数据救回服务收费极度高昂,通常只有企业在挽救重要价值资料时会使用。

虽然逐渐有厂商开发SSD轻度损坏时的救援方法,但传统的多储存媒介备份习惯还是万全之法,不论是机械碟或SSD只要无备份习惯都将承受资料损失的风险。[13]

写入次数寿命

寿命方面,由于快闪记忆体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唯读状态;而且随着使用的快闪记忆体从SLC架构到MLC、TLC,若电闸的品质不变,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个位元,记录越多位元,被写入的机会就越高),[14]因此成为大众接受固态硬碟的另一个障碍。

另一方面,随着固态硬碟主控晶片的改进,能将写入位址依照电闸使用率更平均地分散,使唯读状态不会太快到来;而固态硬碟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,会经常改写的档案只占全部资料的一小部分。优秀的厂商通常会用软体演算法进一步延长一倍以上的寿命,使固态硬碟能经历极大量使用,甚至比电脑其它硬体还长久耐用,给予使用者足够的缓冲时间将资料转移和备份。而最新的3D-nand技术则可以在降低成本、增加容量的同时避免写入寿命过低。 在2015年技术制造主要为MLC的 240-256GB SSD实测中,即使每天写入100GB数据到固态硬碟上也要连续19年才会耗尽其寿命,所以物理寿命问题已经远离一般家用使用者的领域。[15]

静置时资料消失

JEDEC固态技术协会主席Alvin Cox于2015年的一份报告中探讨SSD长期不使用静置时资料的消失特性,时间长短与气温有相关性,根据英特尔(Intel)所提供的温度与资料储存的研究报告显示只要存放温度提高5度,资料储存时间就会缩短一半。在消费级SSD的标准状况下,于40度的运作温度中写入资料后于30度的温度下静置不通电可储存资料52周,大约相当于一年时间。温度越高时储存时间短,实验执行到55度气温的储存情境下,而一般人几乎不会遇到此温度。[16]

事实上就较少使用的「冷资料」储存来说,SSD原本就不符合储存容量效益,一般的大量资料归档储存,还是以机械硬碟、磁带较为适当。同时较新的MLC型SSD已经大幅改善这问题,而基本之道还是尽量将SSD多多使用,作为随身硬碟时也经常接入使其通电,避免长期静置。

读取干扰现象

读取干扰是容易发生的问题,快闪记忆体随着多次的读取,会导致在同一区块中相近的记忆单元内容改变(变成写入动作)。这即是所谓的读取干扰。会导致读取干扰现象的读取次数门槛介于区块被抹除间,通常为10万次。假如连续从一个记忆单元读取,此记忆单元将不会受损,而受损却是接下来被读取的周围记忆单元。

为避免读取干扰问题,快闪记忆体控制器通常会计算从上次抹除动作后的区块读取动作总次数。当计数值超过所设定的目标值门槛时,受影响的区块会被复制到一个新的区块,然后将原区块抹除后释放到区块回收区中。原区块在抹除动作后就会像新的一样。若是快闪记忆体控制器没有即时介入时读取干扰错误就会发生,如果错误太多而无法被ECC机制修复时就会伴随着可能的资料遗失。[17]目前此物理现象问题透过SSD上控制晶片的演算法改善。[18]

掉速

快闪记忆体的另一个问题是掉速,会随着写入次数增加而降低速度,若接近装满时速度也会下降,所以使用时尽量让其保留一定的空闲空间较好,是使用者必须改变的使用习惯。同时厂商设计上会通过OP(冗余资源)、磨损均衡等等技术来减缓掉速。

原因包括耗损平均技术的副作用、控制晶片及韧体的优劣等。目前较佳的解决方案是Secure Erase(会略微缩短SSD寿命,不过在出现掉速时剩余寿命还很长)及提高更换频率。在量产之前TLC架构的速度相较于SLCMLC产品,原本也是令人质疑的,因为理论上随着每一电闸记录位元数的增加,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固态硬碟的读写速度甚至略高于同容量MLC的最高速产品,这归功于主控晶片的进步以及多通道的使用。[19]

优点

和机械硬碟相比读写速度远远胜出,尤其是随机读写,这也是其最主要的优点。还具有无噪音、抗震动,在一般使用情境下平均功耗、热量会比较低的特点。这些特点可以延长靠电池供电的电脑装置运转时间,并且更适合用在行动式装置。

例如三星电子2006年3月推出的容量为32GB的固态硬碟,采用和传统微硬碟相同的1.8吋规格。其耗电量只有机械硬碟的5%,写入速度是1.5倍,读取速度是3倍,并且没有任何噪音。[20]

在2007年台北国际电脑展览会中,新帝公司发表64GB与32GB的固态硬碟,并有2.5吋、SATA介面与1.8吋、UATA介面两种规格。OCZ Technology现场展出的固态硬碟分为2.5吋与1.8吋两种,其中2.5吋采用SATA介面最大容量可达128GB;1.8吋机种则是采用IDE介面,最大容量可达64GB,可分别使用在笔记型电脑与更小的UMPC上,用来取代传统的硬碟。OCZ的2.5吋固态硬碟OCTANE,容量已达到1TB。[21][22]

三星2015在快闪记忆体高峰会(Flash Memory Summit)上发表容量高达16TB的2.5吋固态硬碟PM1633a(V-NAND),其储存容量甚至高过于传统硬碟。固态硬碟的表现与传统硬碟互有胜负,一般在容量、速度、价钱、CP值等作出比较。最初的固态硬碟容量少、价钱高,CP值远不及传统的机械式硬碟。但随着固态硬碟的不断发展,固态硬碟的容量已有实用性,价钱明显下滑之下,已为传统硬碟市场制造危机。

混合固态硬碟

有众多储存厂商推出融合SSD/HDD优点的固态混合硬碟,像是OCZ RevoDrive Hybrid、Seagate Momentus XT 750GB及之后的SSHD(混合固态硬碟)[23]等等。其它像主机板厂商也有使用多个SATA连接埠将SSD/HDD同时使用,像是ASUS的SSD Caching功能。还有磁碟阵列厂商的快取加速卡,像是HighPoint RocketCache 3240x8等等。

2011年,Intel推出了使用SSD作为缓冲最佳化磁碟表现的技术——SRT(Smart Response Technology)[24]。在配套的Intel晶片组上,如Z68、QS77、H77等上,可以将SSD与HDD以RAID模式连接,并在系统中以Intel Rapid Storage Technology程式进行加速管理,实现磁碟效能的提升。Intel也在次年2012年推出了名为313的SLC SSD产品线[25],针对加速用途,提供20、24GB容量。

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HDD和SSD外(合并在同一的逻辑卷),还在作业系统(只限在OS X)上作配合。原理是在使用者不知情的情况下,作业系统自动在背景将使用者常用应用程式、档案、相片或者其他数据来储存在SSD中,同时将很少存取或者使用的档案留在HDD。苹果公司在发布时指出在正常情况使用下,Fusion Drive的平均效能是SSD的80%,可以让使用者体验「SSD的效能,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128GB 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,是因为大部份作业系统(包括WindowsAndroid)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。
  • 第三层是使用者自行划分的,使用者在分割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档案的高负载情况下,写入效能只有轻微下降。[26]但一般情况下,没有需要再保留更多空间作OP,因为一般使用情境下不会大量和持续地写入资料。若以SSD建立RAID,应保留一定空间以弥补没有TRIM的影响。
Over-provisioning on an SSD.png

分类

首先按照外观结构介面分类,再按照支援的逻辑装置介面(驱动程式)与汇流排协定分类:

  • 传统硬碟机介面
    • IDE:罕见
    • SATAAHCI逻辑装置介面、SATA汇流排
    • SASAHCI逻辑装置介面、SATA汇流排
    • U.2NVMe逻辑装置介面、PCIe汇流排。外观上和SAS介面一致。主要应用在企业级的SSD固态上,极大地提高伺服器资料传输速度,理论上速度可以达到32GB/s(即256Gbps),近似于PCIe 4.0 x16满速,PCIe3.0 x16的两倍之快。
    • SATAeAHCI逻辑装置介面、SATA汇流排。由两个SATA介面和一个辅助介面组合而成,理论的速度6GB/s * 2 = 12GB/s,实际可能只能达到10GB/s左右。目前被M.2介面取代。
  • 扩充介面卡
    • mSATAAHCI逻辑装置介面、SATA汇流排
      • 30mm*50mm 全高
      • 30mm*25mm 半高
    • M.2 即NGFF。尺寸有2230、2242、2260、2280、22110
      • B key
      • M key:理论上相容B key外观介面,即可以插入B key的槽中。
        • NVMe逻辑装置介面、PCIex4汇流排
    • PCIe:可有 PCIe 2.0x2、PCIe 2.0x4、PCIe 2.0x8、PCIe 3.0x4
      • 相容SATA
      • 不带NVMe逻辑装置介面
      • NVMe逻辑装置介面
  • 抽取式磁碟

参见

参考文献

  1. ^ 三星大规模生产128Gb MLC闪存芯片. MyDrivers. [2013-10-17]. (原始内容存档于2013-10-17). 
  2. ^ Flash Chip Type(TLC, MLC, SLC). CENTON. [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-03-30). 
  3. ^ Flash与SSD产业的挑战─可靠度与总成本. 科技商情Digitimes. 2012-08-30 [2013-03-02]. (原始内容存档于2015-02-27). 
  4. ^ 最佳做法. Enterprise versus Client SSD. Kingston. [2013-10-20]. (原始内容存档于2013-10-20). 
  5. ^ 性能比三星840还要强,浦科特展示TLC快闪记忆体的M5系列SSD. XF ASTEST. 2013-01-09 [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-08-09). 
  6. ^ 快闪记忆体来自东芝,PLEXTOR TLC SSD将在CeBIT展会亮相. XF ASTEST. 2013-02-28 [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-10-14). 
  7. ^ Samsung宣布量产全球首个3D垂直闪存V-NAND. [2013-10-20]. (原始内容存档于2013-09-19). 
  8. ^ 中关村线上. 东芝全球首发QLC闪存彪悍:竟堪比TLC. ssd.zol.com.cn. [2018-11-21]. (原始内容存档于2018-11-21). 
  9. ^ OCZ VERTEX3 240GB固态硬碟评测. [2009-02-05]. (原始内容存档于2011-07-22). 
  10. ^ 张岚霆. 东芝发表19nm快闪记忆体. iTHome online. 2011-04-25 [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-10-16). 
  11. ^ 范眠. 英特尔、美光发表20奈米NAND快闪记忆体. iTHome online. 2011-04-15 [2013-03-02]. (原始内容存档于2013-10-16). 
  12. ^ Mamiit, Aaron. Most Laptops Will Have SSDs Instead Of HDDs By 2018, Report Says: Is This Good Or Bad For Consumers?. Tech Times. 2016-08-30 [2018-08-12]. (原始内容存档于2018-08-12) (英语). 
  13. ^ SSD Data Recovery. [2019-05-01]. (原始内容存档于2019-05-01). 
  14. ^ Solid-state revolution: in-depth on how SSDs really work. Ars Technica. 2012-06-04 [2013-02-12]. (原始内容存档于2013-02-18). 
  15. ^ http://www.newmobilelife.com/2015/03/13/6-ssd-endurance-test-ended/页面存档备份,存于网际网路档案馆) SSD生命力有多强?由这个长寿测试告诉你!
  16. ^ SSD资料会消失?. [2019-05-01]. (原始内容存档于2019-05-01). 
  17. ^ TN-29-17 NAND Flash Design and Use Considerations Introduction (PDF). Micron. April 2010 [29 July 2011]. (原始内容 (PDF)存档于2011年7月19日). 
  18. ^ Kawamatus, Tatsuya. TECHNOLOGY FOR MANAGING NAND FLASH (PDF). Hagiwara sys-com co., LTD. [1 August 2011]. [永久失效连结]
  19. ^ Trotz TLC-Speicher rasend schnelle SSD. GameStar. 2013-01-08 [2013-03-03]. (原始内容存档于2013-02-19) (德语). 
  20. ^ Samsung. Samsung Launches NAND Flash-based Solid State Disk for Mobile PCs. Samsung. 2006-03-21 [2014-12-12]. (原始内容存档于2014-12-13) (英语). 
  21. ^ Anand Lal Shimpi. OCZ's Octane SSD: Indilinx Everest, Up to 1TB in a Consumer Drive. AnandTech. 2011-10-20 [2014-12-12]. (原始内容存档于2014-12-13) (英语). 
  22. ^ Lucas Mearian. OCZ releases first 1TB laptop SSD with 'instant on' boot up. Computer World. 2011-10-20 [2014-12-12]. (原始内容存档于2014-12-13) (英语). 
  23. ^ 固态混合硬碟技术页面存档备份,存于网际网路档案馆) - Seagate
  24. ^ Intel® Smart Response Technology页面存档备份,存于网际网路档案馆)—Intel(英文)
  25. ^ Intel® SSD 313 Series页面存档备份,存于网际网路档案馆) - ARK Intel(英文)
  26. ^ James. 预留下25%最佳?SSD空间/性能关系探寻. PConline. 2012-12-13 [2013-11-13]. (原始内容存档于2013-11-13). 

外部连结

#