固态硬盘SSD

news2024/11/26 21:21:27

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固态硬盘或固态驱动器(英语:Solid-state drive或Solid-state disk,简称SSD)是一种以集成电路制作的电脑存储设备,由于价格及最大存储容量与机械硬盘有巨大差距,固态硬盘无法与机械式硬盘竞争。可以用非易失性存储器(主要以闪存中的 NAND Flash)作为永久性存储设备,也可以用易失性存储器(例如DRAM)作为临时性存储设备。

固态硬盘常采用SATA、PCI Express、mSATA、M.2、ZIF、IDE、U.2、CF、CFast等接口。

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有四种,分别是:
单层式存储(SLC)
多层式存储(MLC,通常用来指称双层式存储)
三层式存储(TLC)
四层式存储(QLC)

有些厂商亦称TLC为3-bit MLC。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)。
由于SLC的速度较快但成本过高,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产品作为低端廉价市场的主力,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。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堆栈增加存储密度。东芝已于2017年发布QLC(四比特单元) BiCS架构的3D NAND闪存芯片。

缺点
固态硬盘的五大缺点:高昂价格和成本、写入次数、读取干扰、损坏时的不可挽救性及掉速。

价格高昂
固态硬盘价格非常高昂,只用于军事及工业用途上;无论是易失性存储器还是非易失性存储器,其每兆字节(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绝大多数人接受。
不过技术更新随着NAND Flash的19nm制程于2012年初进入量产,能够在同样大小的闪存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兆字节的成本。
随着价格逐渐降低,固态硬盘广泛使用在一般的笔记本电脑上做为主系统碟。预计2018年有过半笔记本电脑搭配固态硬盘出厂。而由于价格与存储空间之比和机械碟仍有较大差距,固态硬盘短时间内依旧无法在容量用途上取代机械硬盘,更多人的电脑上处于两者并存的状态。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SSD安装操作系统及常用资料,大容量机械碟存储不常用资料及做为SSD备份用。但是对于薄型笔记本电脑、超极本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而需专业拆机。

损坏时不可挽救
固态硬盘数据损坏后是难以修复救回资料的。当负责存储资料的闪存颗粒有毁损时,现在的数据修复技术很难在损坏的半导体芯片中救回资料,相反传统机械硬盘还能通过扇区恢复技术挽回许多资料,当然机械硬盘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,但传统的多存储介质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。

写入次数寿命
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、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。
另一方面,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资料的一小部分。优秀的厂商通常会用软件算法进一步延长一倍以上的寿命,使固态硬盘能经历极大量使用,甚至比电脑其它硬件还长久耐用,给予用户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数据到固态硬盘上也要连续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用户的领域。

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保存的研究报告显示只要存放温度提高5度,资料保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保存资料52周,大约相当于一年时间。温度越高时保存时间短,实验执行到55度气温的保存情境下,而一般人几乎不会遇到此温度。
事实上就较少使用的“冷资料”存储来说,SSD原本就不符合存储容量效益,一般的大量资料归档保存,还是以机械硬盘、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,作为随身硬盘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,闪存随着多次的读取,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,闪存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。当计数值超过所设置的目标值门槛时,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。若是闪存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丢失。[17]目前此物理现象问题透过SSD上控制芯片的算法改善。

掉速
闪存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,是用户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。

优点
和机械硬盘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设备运转时间,并且更适合用在行动式设备。

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。其耗电量只有机械硬盘的5%,写入速度是1.5倍,读取速度是3倍,并且没有任何噪音。

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