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固态硬盘解析

发表时间:2010/7/2 孙荣庆 梁辰 来源:万方数据
固态硬盘是一种新型的电子计算机外部存储器,它和传统的硬盘有着本质的区别.固态硬盘是半导体存储器,而传统硬盘是磁介质存储器.基于不同的半导体存储单元,可以制成不同类型的固态硬盘.目前应用最广泛的是基于闪存(FLASH芯片)的固态硬盘,即SSD(Solid State Disk).由于它没有普通硬盘的旋转介质等其他机械结构,因此SSD拥有零噪音、低功耗、防震抗摔、高读写速度等优点.目前,SSD被认为是传统硬盘最好的替代者。

  前言

  随着计算机技术的不断发展,人们对外部存储器的要求越来越高,传统硬盘成为系统的瓶颈,一方面它的容量增大要求马达转速的不断提高,而马达转速是不能无限制提高的,另一方面,由于内部的机械构造导致了它很“脆弱”,固态硬盘这一革命性的技术将改变这一现状。

  固态硬盘又叫SSD,是英文Solid State Disk的缩写,也有文献称其为固态电子盘或电子硬盘,它由控制单元和固态存储单元组成,其接口的功能、形式和使用方法与磁介质硬盘相同。目前固态硬盘大部分应用在笔记本电脑上,为了和现有的笔记本相匹配,大多数产品外形尺寸与传统笔记本硬盘一致,也有其他规格尺寸的产品,由于固态硬盘内部无机械结构,读取也不用马达旋转,所以抗震性和噪音方面都很有优势,另外它的芯片可以在很宽的温度范围(-40~85℃)内工作,因此,目前广泛应用在军事、电力、医疗、航空、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、导航设备等各个领域,正在逐渐普及到DIY市场。

  1、固态硬盘组建方式

  1.1 基于DRAM的固态硬盘

  这种固态硬盘采用动态随机存储器作为存储介质,它完全按照普通硬盘的外形尺寸和接口设计。可以和绝大部分操作系统的文件系统工具兼容,而且拥有用于连接主机或者服务器的符合工业标准的PCI和FC接口,基于DRAM的固态硬盘是一种高性能的存储器,并且有读写速度快、使用寿命长等优点,但其致命的缺点是能耗高于普通硬盘,更有甚者需要24 h不间断供电,否则存储的数据就会丢失,因此需要独立电源来保护数据安全,目前应用范围较窄。

  1.2基于闪存(FLASH芯片)的固态硬盘

  这种固态硬盘采用闪存作为存储介质,人们通常所说的SSD就是指这种固态硬盘,它的最大优点就是一经写人数据不需要外界电力来维持其记忆,因此更适于作为常规硬盘的替代品,目前市场上绝大部分固态硬盘都是基于闪存的固态硬盘,所以,本文着重探讨SSD固态硬盘的存储原理及存储单元分类。

  2、SSD固态硬盘存储原理

  SSD固态硬盘是以闪存作为存储介质的,闪存是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器,数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位,区块大小一般为256 KB~20 MB。

  闪存采用叠栅MOS管作为二进制信号的存储单元,它的结构与EPROM中的SIMOS管极为类似,两者最大的区别在于“浮动栅(floating gate)”和衬底间的氧化层厚度不同,快闪存储器中氧化层厚度一般为10~15 nm,相对于EPROM中30~40 nm的氧化层厚度薄了很多,闪存的写入利用雪崩注入的方法使浮动栅充电,当浮动栅俘获电子时,该叠栅MOS管的存储状态就由1变成0,相反的,当浮动栅中的电荷通过隧道效应被释放后,存储状态就由0变成1,由于这个过程比较耗时,因此其写入速度总是慢于数据读取速度。

  3、SSD固态硬盘存储单元分类

  3.1或非(NOR)型和与非(NAND)型

  根据存储单元基本结构的不同,闪存可以分为或非型和与非型两类,它们都是由同样的晶体管构成,区别只是连接方法不同,或非存储单元和数字电路中的或非门电路相似,存储单元中的叠栅MOS管全并连到同一个位线,只要其中任意一个叠栅MOS管处于导通状态,存储单元的位线就会变为0,与非存储单元中的晶体管都串接到一个位线,与非单元和数字电路中的与非门电路相似,当且仅当与非存储单元中所有的叠栅MOS管都处于导通状态,存储单元的位线才为0。

  这两种结构类型的闪存各有千秋,或非型闪存可支持单字节,可以进行单字编程;但擦除的时候不能单字节擦除,必须一次擦除整片区域或者以区块为单位进行擦除,这种结构类型的闪存擦除和编程的速度慢,因此不适合使用在纯数据存储和文件存储等方面,其写入速度和容量方面也不占优势,或非型闪存的优点是:(1)支持代码本地直接运行;(2)采用随机存储的方式,可以对任意区域的数据直接存取操作;(3)或非型闪存随机读取的速度比较快,适用于程序读取。

  与非结构类型的闪存集成度较高,主要为用于固态文件存储而设计,这种类型的闪存只有控制线和8位I/O接口而没有专门的地址线和数据线,由于其具有和传统硬盘IDE接口类似的接口,当与非型闪存增加容量时,可以保持它对外物理连接不变,另外它统一采用“页面一块”的寻址方式,内部结构相对简单,存储密度相对较高,虽然它的读取速度相对慢一些,但擦除和写入速度都有很大优势,由于与非结构类型闪存具有以上这些优点,大容量存储器更适合使用与非结构类型的闪存,因此,大多数固态硬盘也都是基于与非型闪存的。

  3.2单层单元SLC和多层单元MLC

  按照存储单元采用存储方式的不同,闪存可分为两类:单层单元SLC(Single Layer Cell)和多层单元MLC(Multi—Level Cell)。

  单层单元SLC(Single Layer Cell)是较早的技术,其中每个晶体管只能区分两个状态,存取原理上SLC架构是0和1两个充电值,即每Cell只能存取1bit数据,类似于开关电路,虽然简单但却非常稳定,要想在一定体积里容纳更多的晶体管数,就必须提高生产工艺水平,减小单晶体管体积,目前SLC技术主要受到低硅效率问题的限制。

  多层单元MLC(Multi-Level Cell)的出现是闪存发展的一个重要里程碑,多层单元出现之前,存储器存储每一位信息都需要一个单晶体管,单晶体管通过电位来区分0和1两种不同的状态,闪存则是依靠区分浮动栅上的电荷数量来区分不同的状态,如果能够区分2的n次方种电荷量,每只晶体管就可以存储n位信息,那么存储相同位数的信息所用的单晶体管数量就可以下降为原来的咒分之一,这样,就可以成倍地提高闪存的集成度,从而大大降低成本,但这种改变带来的是多层单元MLC的写入时间比单层单元SLC增加了3~4倍,并且数据保存的时间也缩短了,虽然提高了容量,但MLC存储单元也由于存放的信息多结构复杂而带来了更高的出错率,正是错误修正这个动作导致其性能相对于结构简单的SLC单元大幅落后,此外,MLC的复写次数也仅为SLC的十分之一,为了保证MLC的寿命,控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法,尽量使每个单元的使用率均衡,从而使故障间隔时间达到100万h,目前,由于成本优势,大多数SSD固态硬盘都是MLC型的。

  4、固态硬盘与普通硬盘的优缺点比较

  4.1 固态硬盘的优点

  (1)防震抗摔性:传统硬盘都是磁碟型的,数据储存在磁碟扇区里,而固态硬盘由半导体芯片构成,由于内部不存在任何机械部件,高速移动、翻转、倾斜都不会影响它的使用,在发生碰撞和震荡时能够将数据丢失的可能性最小,在这方面相对于传统硬盘,固态硬盘占有绝对优势。

  (2)数据存储速度:从有关机构的评测数据来看,固态硬盘相对传统硬盘在数据存储速度方面,性能提升2倍多。

  (3)功耗:固态硬盘的功耗上也要优于传统硬盘,传统硬盘是靠马达带动盘片做高速旋转,然后用磁头读取盘片上的磁性信号,马达需要消耗很多电力,服务器级别的硬盘的转速可以达到15000转/min,FC硬盘在工作状态下的功耗可以达到17 W~20 W,待机功率也超过12 W,而SSD内部只是芯片,功耗比较小,目前,典型的SSD工作状态下的功耗是2 w左右,待机功耗小于0.1 W。

  (4)重量:固态硬盘在重量方面更轻,与普通1.8英寸硬盘相比,重量轻20~30 g,但随着容量的不断增大,这种优势会逐渐减弱。

  (5)噪音:固态硬盘没有马达和风扇等机械部件,因此没有噪音,而传统硬盘在这方面就要逊色很多。

  (6)工作温度范围:固态硬盘一般可在-10~70℃温度范围内工作,相对于普通硬盘5~55℃的工作温度范围,其范围更宽,一些工业级的固态硬盘还有更宽的工作温度范围。

  4.2 固态硬盘的缺点

  (1)成本:SSD固态硬盘成本是同容量普通硬盘成本的5~10倍,动态随机存储器型固态硬盘成本更是达到普通硬盘的200~300倍,由于目前还不能很好地控制成本,因此固态硬盘的普及尚需时日。

  (2)容量:目前市面上固态硬盘产品的最大容量仅为256 G,和普通硬盘TB级的容量相差甚远,但其容量会随着技术的进步逐步提高,据国外媒体报道,目前IBM实验室已经研制出容量为4 TB的固态硬盘。

  (3)写入寿命:SLC只有10万次的读写寿命,成本低廉的MLC,读写寿命仅有1万次,无法与普通硬盘3万h左右的使用寿命相比,通过控制芯片平衡各个存储单元的使用率能够有效延长固态硬盘的整体寿命。

  (4)写入速度:SSD固态硬盘写入速度比传统硬盘慢,并且它比传统硬盘更容易受磁盘碎片的影响,而且到目前为止还没用针对固态硬盘的磁盘碎片整理工具。

  (5)数据恢复:普通硬盘采用磁介质存储信息,一旦硬件损坏,现在有较为成熟的数据恢复技术,能够挽回部分甚至全部数据,而动态随机存储型固态硬盘是靠电荷来存储信息的,一旦发生硬件损坏,目前还没相应的数据恢复技术,将来也几乎不可能有行之有效的数据恢复技术。

  5、结语

  固态硬盘与传统硬盘相比在性能上带来了质的变化,也给我们带来了未来存储器发展的新希望,就像U盘代替软盘一样,固态硬盘也将全面代替传统磁介质硬盘,半导体存储器将迎来属于自己的春天。

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