SSD固态硬盘是什么?固态硬盘常见的问题

小知识 莫名 来源:电子发烧友 2个月前 (07-21) 227次浏览 0个评论 扫描二维码
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固态硬盘是什么?
固态硬盘(Solid State Disk、IDE FLASH DISK)用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,由控制单元和存储单元(FLASH芯片)组成。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。

固态硬盘分类:固态硬盘的存储介质分为两种,一种是采用闪存(FLASH芯片)作为存储介质,另外一种是采用DRAM作为存储介质。
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、U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。
基于DRAM的固态硬盘: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。DRAM固态硬盘属于比较非主流的设备。

固态硬盘漫长艰辛的发展历程
1956年 IBM公司发明的世界上第一块硬盘
1968年 IBM重新提出“温彻斯特”(Winchester)技术的可行性,奠定了硬盘发展方向
上世纪七十年代 StorageTek公司(Sun StorageTek)开发了第一个固态硬盘驱动器
1989年 世界上第一款固态硬盘出现
2006年3月 三星率先发布一款32GB容量的固态硬盘笔记本电脑
2007年1月 SanDisk公司发布了1.8寸32GB固态硬盘产品,3月又继续发布了2.5寸32GB型号
2007年6月 东芝推出了其第一款120GB固态硬盘笔记本电脑
2008年9月 忆正MemoRight SSD的正式发布,标识着中国企业加速进军固态硬盘行业
2009年 SSD井喷式发展,各大厂商蜂拥而来,存储虚拟化正式走入新阶段
2010年2月 镁光发布了全球首款SATA 6Gbps接口固态硬盘,终于突破了SATAII接口300MB/s的读写速度极限
2011年 SSD的容量完成从32G到256G跨越,读取速度高达500MB/s
2012年 苹果公司在笔记本电脑上应用容量为512G的固态硬盘

结构:基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别,其内部构造十分简单,固态硬盘内主体其实就是一块PCB板,而这块PCB板上最基本的配件就是控制芯片、缓存芯片和用于存储数据的闪存芯片。
目前市面上比较常见的固态硬盘有Indilinx、SandForce、JMicron、Marvell、Samsung以及Intel等多种主控芯片。主控芯片是固态硬盘的大脑,其作用一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,二则是承担了整个数据中转,连接闪存芯片和外部SATA接口。不同的主控之间能力相差非常大,在数据处理能力,算法,对闪存芯片的读取写入控制上会有非常大的不同,直接会导致固态硬盘产品在性能上差距高达数十倍。

大固态硬盘主控芯片品牌、型号、产品一览
品牌 型号 代表产品
Intel PC29AS21AA0、PC29AS21BA0 Intel 320 Series G3(80G)
SandForce SF-1500/SF-1200、SF-2000系列 OCZ Agility 3 SATA3 60G
JMicron JMF602、JMF612、JMF618 金士顿的SSD Now V系列
Marvell 88SS9174-BJP2、88SS9174-BKK2 Intel的510系列、镁光C400、浦科特 PX-128M2S
Indilinx IDX110M00-LC、IDX110M01-LC SOLIDATA K5-64Me
三星 S3C49RBX01-YH80、S3C29RBB01-YK40 三星 SLC 3.5 100GB
东芝 TC58NCF602GAT、TC58NCF618GBT、T6UG1XBG 金士顿 SSDNow V+100系列
主控芯片旁边是缓存芯片,固态硬盘和传统硬盘一样需要高速的缓存芯片辅助主控芯片进行数据处理。这里需要注意的是,目前有一些廉价固态硬盘方案为了节省成本,省去了这块缓存芯片,这样对于使用时的性能会有一定的影响。
除了主控芯片和缓存芯片以外,PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash闪存芯片了。NAND Flash闪存芯片又分为SLC(单层单元)和MLC(多层单元)NAND闪存:
1.SLC全称是单层式储存 (Single Level Cell),因为结构简单,在写入数据时电压变化的区间小,所以寿命较长,传统的SLC NAND闪存可以经受10万次的读写。而且因为一组电压即可驱动,所以其速度表现更好,目前很多高端固态硬盘都是都采用该类型的Flash闪存芯片。
2.MLC全称是多层式储存(MulTI Leveled Cell),它采用较高的电压驱动,通过不同级别的电压在一个块中记录两组位信息,这样就可以将原本SLC的记录密度理论提升一倍。作为目前在固态硬盘中应用最为广泛的MLC NAND闪存,其最大的特点就是以更高的存储密度换取更低的存储成本,从而可以获得进入更多终端领域的契机。不过,MLC的缺点也很明显,其写入寿命较短,读写方面的能力也比SLC低,官方给出的可擦写次数仅为1万次。

SSD固态硬盘优点和缺点

一、固态硬盘与普通硬盘比较,拥有以下优点:
1 启动快:没有电机加速旋转的过程。

2 读取延迟小不用磁头,快速随机读取,读延迟极小。根据相关测试:两台电脑在同样配置的电脑下,搭载固态硬盘的笔记本从开机到出现桌面一共只用了18秒,而搭载传统硬盘的笔记本总共用了31秒,两者几乎有将近一半的差距。
碎片不影响读取时间相对固定的读取时间。由于寻址时间与数据存储位置无关,因此磁盘碎片不会影响读取时间。

3 写入速度快:基于DRAM的固态硬盘写入速度极快

4 无噪音:因为没有机械马达和风扇,工作时噪音值为0分贝。某些高端或大容量产品装有风扇,因此仍会产生噪音。

5 发热量较低:低容量的基于闪存的固态硬盘在工作状态下能耗和发热量较低,但高端或大容量产品能耗会较高。

6 不会发生机械故障:内部不存在任何机械活动部件,不会发生机械故障,也不怕碰撞、冲击、振
动。这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用,而且在笔记本电脑发生意外掉落或与硬物碰撞时能够将数据丢失的可能性降到最小。

7 工作温度范围更大:型的硬盘驱动器只能在5到55℃范围内工作。而大多数固态硬盘可在-10~70℃工作,一些工业级的固态硬盘还可在-40~85℃,甚至更大的温度范围下工作(e.g: RunCore军工级产品温度为-55~135℃)。

8 体积小重量轻:低容量的固态硬盘比同容量硬盘体积小、重量轻。但这一优势随容量增大而逐渐减弱。直至256GB,固态硬盘仍比相同容量的普通硬盘轻。

9 抗震动:比起传统硬盘,固态硬盘抗震能力要强很多,使得数据能更加安全地保存。

二、固态硬盘与传统硬盘比较,拥有以下缺点:

1 成本高:每单位容量价格是传统硬盘的5~10倍(基于闪存),甚至200~300倍(基于DRAM)。

2 容量低:目前固态硬盘最大容量远低于传统硬盘。(美国公司Foremay推出了EC188M系列固态硬盘2TB。)传统硬盘的容量仍在迅速增长,据称IBM已测试过4TB的传统硬盘。

3 易受外界影响:由于不像传统硬盘那样屏蔽于法拉第笼中,固态硬盘更易受到某些外界因素的不良影响。如断电(基于DRAM的固态硬盘尤甚)、磁场干扰、静电等。

4 写入寿命有限: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。

5 数据难以恢复:数据损坏后难以恢复。一旦在硬件上发生损坏,如果是传统的磁盘或者磁带存储方式,通过数据恢复也许还能挽救一部分数据。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那几乎就是不可能的。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。

6 电池航程较短:根据实际测试,使用固态硬盘的笔记本电脑在空闲或低负荷运行下,电池航程短于使用5400RPM的2.5英寸传统硬盘。

7 能耗较高:基于DRAM的固态硬盘在任何时候的能耗都高于传统硬盘,尤其是关闭时仍需供电,否则数据丢失。

固态硬盘常见的问题:

外部使用环境会如何影响固态硬盘?
由于没有活动部件,固态硬盘比传统硬盘更加抗冲击和震动。另外,由于不使用磁性存储介质,也不会有被磁化导致数据丢失的危险。因此,笔记本制造商如果使用 固态硬盘,可以省去很多的硬盘防震保护配件,进一步节约机身内空间和重量。对于桌面PC来说,使用固态硬盘更是不需要担心任何使用环境问题。
有人问到机场安检透视扫描仪是否会影响固态硬盘,这是一个相当有趣的问题,我并不能给出一个权威答案。但要知道,固态硬盘从物理特性来看和U盘、存储卡、手机中的闪存没有什么区别,因此应当不需要担心X射线会对其产生影响。
如何保证固态硬盘的可靠性?
首先,闪存是一项成熟技术,经过了长期的实际测试。虽然闪存颗粒有一定的读写寿命,但以目前的技术来说,其寿命已经远远高于实际使用年限。比 如,Intel固态硬盘的官方数据显示,无论使用频度高低,它最少也有5年的有效使用期。如果应用频率不高的话还可以再延长5年。另外,Intel固态硬 盘内置了ATA SMART监控功能,随时可以查看其健康状况。用户可以放心,数据安全绝对是固态硬盘制造商的第一考量。

为什么没有3.5寸的固态硬盘?

最主要的原因是,“合理容量”的闪存从物理规格上来看占不了太大空间,做成2.5寸或1.8寸规格更合适。这里我说的“合理容量”是指能够提供实际应用中足够的存储空间,同时价格较为合理。如果将闪存装满一个3.5寸硬盘位,其价格肯定相当惊人。很多人可能会对此有误解,认为SSD没有3.5寸型号是因为它只针对笔记本市场。实际上,固态硬盘从未排斥过桌面PC,在台式机的3.5寸硬盘位中安装2.5寸固态硬盘没有任何难度。而且,3.5寸和2.5寸硬盘的SATA接口也没有任何区别。

固态硬盘需要整理磁盘碎片么?
这个问题的答案比较复杂。固态硬盘的数据存储方式和传统硬盘有明显的区别,比如为了防止频繁读取某存储单元而导致快速老化,固态硬盘往往使用“损耗平衡”机制,将读写各个区块的次数平均化。目前的操作系统对此也没有准备。磁盘碎片整理程序的主要原理是,将那些需要频繁读取的数据放在可以高速访问的地方,很少访问的数据就堆在边边角角。而固态硬盘的原理决定,它能够非 常快速的找到任何一块数据。目前的磁盘整理工具对优化固态硬盘的文件系统就显得无能为力了。因此,我的建议是,固态硬盘用户应当禁用自动磁盘碎片整理,也 不要手动进行整理。
当然,对于固态硬盘来说也同样存在存储分布的优化问题,只是这个问题在SSD上远不如传统硬盘那么重要。目前,各固态硬盘厂商都在用固件优化的形式解决这一问题。未来也可能会出现专门针对固态硬盘的“碎片整理”工具,不过它需要首先了解各厂商固态硬盘的具体工作方式。

固态硬盘会越用越慢么?
这是一个复杂的问题。在SSD的寿命周期中,很多因素都会影响它的性能表现。其中最重要的就是数据碎片问题。很不幸,目前尚无任何方法从外部衡量固态硬盘 的数据破碎程度的影响。就像上面说的一样,测试程序也许能够检测出固态硬盘内部存储条理与否的性能差别,但这并不会明显影响用户体验。对固态硬盘文件系统 的优化未来还将进一步解决这一问题。

Intel固态硬盘支持热插拔么?
没问题,完全支持SATA规范定义的热插拔功能。

当固态硬盘被装满的时候,性能会下降么?
很好的问题。对于固态硬盘来说,性能和存储数据的多少没有什么关系。无论空空如也还是接近爆满,闪存的损耗均衡管理算法都会照常工作。一些常见文件系统如 NTFS、FAT32在空间不足时可能会出现性能下降,但这是软件的问题,和是否使用固态存储没有关联。未来当专门针对固态硬盘的文件系统问世时,可能也 会出现硬盘存储数据量多少对性能的影响的例子。

哪种文件系统最适合固态硬盘?
目前的的各种文件系统都没有对固态硬盘进行什么优化。计算机行业花了几十年的时间,针对旋转磁介质存储进行优化,但固态硬盘的出现让这些优化彻底作废。幸 运的是,以目前固态硬盘的速度,遵循旧文件系统的要求像传统硬盘那样工作,并不会有太大的损失。不过在不远的将来,我们肯定将看到专为固态硬盘优化的文件 系统。微软在Windows 7中就将对SSD进行优化,比如系统会在使用固态硬盘时禁用自动磁盘碎片整理功能。其中我最关注的是ATA trim命令,它能够通知固态硬盘,某区块已经不再使用,SSD可以将其空间收回,纳入下一步的“损耗平衡”运算中。
在Linux系统中,你可非常简单的通过禁用内核disk IO scheduler模块来对固态硬盘进行优化。由于不存在磁头读写的移位问题,该模块在磁盘读写时进行重新排序对固态硬盘没有任何意义,甚至会降低性能。 Windows 7估计也会进行同样的改进,只是目前还未公布。

固态硬盘RAID 0的性能怎样?可以在SSD内部实现RAID 0么?
先来回答第二个问题。固态硬盘的读写本身就是并行进行的,目前Intel固态硬盘使用10条并行通道来访问闪存,一定意义上就相当于内置10路RAID 0。使用多块固态硬盘组建RAID 0阵列的性能相当可观,但需要注意的是,一定要保证RAID控制器能够满足其要求。固态硬盘在阵列模式下工作的数据量相当庞大,很多RAID控制器在设计时可能完全没有考虑过这样的速度。

固态硬盘速度的决定因素是什么?目前的瓶颈在哪里?
任何固态硬盘的性能,都是由原始的闪存带宽,损耗平衡算法的效率(固件)以及接口(SATA、PCI-E 等)共同决定的。有SATA接口速度卡在那里,闪存性能再强也没有意义。和业界其他厂商一样,我们也将逐步提升固态硬盘性能。虽然不能说固态硬盘在“赶着 ”SATA-III标准上马,但一旦第三代SATA标准推出,固态硬盘肯定会从中受益。

SSD和HDD相比有何优劣?
HDD,Hard Disk Drive的缩写,即硬盘驱动器的英文名。最基本的电脑存储器,我们电脑中常说的电脑硬盘C盘、D盘为磁盘分区都属于硬盘驱动器。和其他任何事情的两面一样,SSD和HDD各有优劣。目前固态硬盘最大的劣势就是成本和容量,而最大的优势 就是性能。另外,固态硬盘完成相同的操作所需的电能更少,这意味着笔记本可以延长电池续航时间,数据中心能够大大节约电费。由于更加耐震动冲击,固态硬盘 也比HDD更适合移动设备。如果容量需求不高的话,固态硬盘甚至可以比传统硬盘更便宜。比如目前售价最低的上网本基本上都是使用小容量固态硬盘。

下面我们来具体看固态硬盘的性能优势,简单比较数据会让你忽略掉很多东西。
比如,Intel X25-M硬盘的持续读取速度为250MB/s,一块常见SATA硬盘则为100MB/s,从字面上来看SSD速度是HDD的2.5倍。这时你就忽略随机 访问时间的问题。X25-M的平均“寻道时间”仅为85微妙,而传统硬盘大多在4到15毫秒,差距达到50甚至150倍。因此,两者的性能区别要视应用而定。操作系统启动主要依赖随机读取小块数据,因此固态硬盘可比传统硬盘快100倍。而在应用程序连续读取大尺寸文件时,固态硬盘的优势就只有2.5倍左右了。同时,仍有一些应用并不适合固态硬盘,比如大规模数据存档。那些极少访问的数据用闪存来存储显然是一种浪费。另外,在视频播放时使用固态硬盘也不会有任何优势,只要达到视频不卡壳的速度需求就可以了。只不过,HTPC用户可能会青睐固态硬盘的静音和尺寸。

为什么大家都用MLC颗粒,SLC不是更快么?
没错,SLC NAND闪存更快,但只有在面对面比较的时候才能看到明显区别。而且,只要大规模使用并行读写机制,MLC同样可以实现高速度。在这样的情况下,SSD厂 商肯定会更加关注成本和容量问题,MLC的低价大容量就成了优势。我想大家都看到了,Intel的M系列固态硬盘使用的就是MLC颗粒,不是照样很快么?

固态硬盘的功耗相比传统硬盘孰高孰低?
我曾看过一些报告宣称固态硬盘比传统硬盘更费电,但也有一些调查显示SSD更省电。通常来看,SSD和 HDD在同样高负载工作,或同样处在休眠状态下时,功耗是类似的。但固态硬盘仍然在功耗表现上有一些优势,比如SSD内部没有旋转马达,因此在闲置状态时 的功耗明显更低。第二,由于不存在转速提升或下降的启动时间,SSD进入休眠状态或从休眠状态唤醒的时间更短,也更频繁。最后,固态硬盘能够在更短时间内 完成同样的工作,因此更早进入休眠状态。以上这些优势让固态硬盘在实际使用中确实比传统硬盘省电。

是否存在不同等级的闪存?为什么U盘比同样容量的固态硬盘便宜的多?
确实,闪存有不同的质量,对应不同的成本,就像CPU一样。U盘一般使用较低档次的闪存,如果你把U盘当作 硬盘来使用,我想你马上就能感受到性能差别。另外在可靠性上,优劣闪存的区别也是明显的,高质量的闪存芯片在整个寿命周期内的出错几率要低得多。虽然我们 完全可以用廉价闪存造出便宜的移动硬盘,但便宜没好货的道理我想大家都是明白的。

SSD固态硬盘寿命问题
SSD和机械硬盘的原理不一样,机械硬盘比如你系统装在C盘,C盘在磁盘的最外圈,所有它会一直在最外圈读和写。SSD的主控会让SSD平均写入,就是永远优先写在使用次数少的存储空间上,就是说就算你拿一个文件反复在SSD上复制删除,其实他每次写入的空间是不一样的,所以SSD的理论上更确切的应该说SSD可以写入容量X1万。拿主流64G的算,理论上就是60GX10000=60万G,实际应用算它打对折30万G。每天写入200G的话可以用4年多,但是能用200G吗?所有不用担心寿命问题,SSD的换掉肯定是被淘汰或坏掉的,绝对不会是写完的。
SSD好坏很难说,基本取决于价格和品牌,现在价格64G的在800以上的为好,再低就有问题了。因特尔,美光,海盗船,芝奇,金士顿什么的都可以。


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