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[转载]在光学存储芯片诞生之前,再温习下SSD固态硬盘的构造和原理

近期的《Nature Photonics》杂志报告显示,科学家研制出了首个能记录保存数据的光学记忆芯片。这款芯片以光作为传输媒介,来保存数据。相比传统的电子媒介,光媒介芯片不存在发热的问题,一定程度上降低了硬盘设备的功耗。但就目前的研究来看,光媒介芯片还面临一个很大的问题就是,需要为之提供持续供电才能保证信号内容的存储,一旦没有外部供电数据就会立即消失。

如果未来这一技术大面积推广的话,SSD 硬盘将有机会被光学芯片硬盘所替代。但在此之前,SSD固态硬盘的构造和原理您知道吗?它为何那么快,能迅猛提升电脑整体性能?本文和大家分享了来自中关村在线的一些内容。

图1 系统的总体框图

HDD时代:电脑为何运行那么慢?

CPU、显卡、硬盘、内存都是电脑中的核心配件,其中硬盘发展最为缓慢,它是四大件里的短板。电脑的性能原理类似于水桶效应,解决硬盘的短板问题,电脑运行缓慢也就迎刃而解。在机械硬盘时代,这个问题久拖未决,造成电脑运行缓慢。

根治“慢”病:SSD比HDD快数倍

图1 系统的总体框图

SSD和HDD的使用感受

SSD固态硬盘之所以快,是相对于传统机械硬盘(HDD)的慢。SSD和HDD之间的巨大差距来源于它们的结构,SSD为全电子结构,采用集成电路存储技术,使用存储芯片加上寻址控制器来组成的硬盘,类似于U盘技术,没有任何机械运动部件。

反观传统的HDD,采用高速旋转的磁盘来存储数据,通过磁头来读写,这一机械运动过程中带有延迟、并且无法同时迸发多向读写数据。瘦死的骆驼比马大,性能即使减半的SSD,秒杀HDD也是轻而易举。

《小白讲堂》:说到这里,初学用户难免疑惑,什么是SSD固态硬盘?

SSD固态硬盘是舶来品,它的名称可是有讲究的。本页就详细的讲述“什么是SSD固态硬盘”。其实它不仅仅是快那么简单,对比传统机械硬盘,它可是有一大堆的优势:

什么是固态硬盘?

图1 系统的总体框图

SSD:固态电子存储芯片阵列

固态硬盘(SSD :Solid State Disk)是在传统机械硬盘上衍生出来的概念,简单的说就是用固态电子存储芯片阵列(NAND Flash)而制成的硬盘。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,包括3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸等多种类型。

固态硬盘相比传统机械硬盘优劣在哪?

防震抗摔:传统硬盘(ATA或SATA)都是磁盘型的,数据储存在磁盘扇区里。而固态硬盘使用闪存颗粒制作而成,所以SSD固态硬盘内部不存在任何机械部件,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。

图1 系统的总体框图

机械硬盘和SSD内部差异明显

数据存储速度:在同样配置的笔记本电脑下,当按下笔记本电脑的电源开关时,搭载SSD的PC电脑从开机到出现Win7桌面一共只用十余秒时间,而搭载传统机械硬盘的PC电脑快则30余秒,慢则一分钟多。进入系统后不管是运行程序或是打开文件也可以明显感觉到SSD占有绝对优势。

功耗:同样是因为少了很多机械部件,所以SSD的功耗上也要优于传统机械硬盘。

重量:SSD在重量方面更轻,与常规2.5英寸硬盘相比,重量轻几十克。

噪音:由于SSD属于无机械部件及闪存芯片,所以具有了发热量小、散热快等特点,而且没有机械马达和风扇,工作噪音值为0分贝,这使得传统机械硬盘就要逊色很多。

价格劣势:目前市场上240GB SSD零售价格为399元。而这个价钱可以购买1TB的传统机械硬盘。

容量劣势:目前标准2.5英寸消费级SSD的最大容量为2TB,传统机械硬盘则能达到10TB。如果按照存储容量衡量,SSD的容量差距大,而且机械硬盘在SSD巨大冲击下,容量增长速度更加迅猛。

SSD由主控、闪存、缓存等三大核心部件组成,其中主控和闪存对性能影响较深,主控的作用最大。换而言之,性能高低不一的主控,是划分SSD档次的方法之一。

图1 系统的总体框图

SSD构造(三大核心部件)

SSD主控本质是一颗处理器,主要基于ARM架构,这和手机处理器有相似的一面。也有部分SSD厂家的主控采用RISC架构,使其具备CPU级别的运算能力。

图1 系统的总体框图

群联PS3110四核主控

就目前来说,SSD主控芯片的运算能力由制造工艺、核心面积的大小(晶体管数量)、核心的数量、频率决定。核心工艺基本停留在55nm,个别在28nm;核心的数量从单核到最多四核。

图1 系统的总体框图

PS3110结构解析图:右侧中间区域标注CPU 0/1/2/3

以Marvell 88SS9189为例,它侧重单个核心的运算能力,其单个核心的面积较大,属于大型双核主控,拥有顶级的运算能力。而群联PS3110主控侧重多核心,其单个核心的面积中等,拥有四个核心,属于高性能的四核主控。

不少玩家认为主控芯片对SSD的性能是决定性的。时过境迁,实际上这是一个误区,一款优秀的四核主控芯片分别配备MLC和TLC闪存,所打造出来的SSD在档次和性能是截然不同的。下面我们就来介绍一下NAND Flash闪存芯片。

SSD的性能取决于主控,同时受制于闪存。闪存(Flash Memory)是一种非易失性存储器,由于其断电时仍能保存数据。相对于主控的核心重要性,闪存在制造工艺相差不大的情况下,对性能影响有限。

同时闪存对SSD的使用寿命有着决定性影响。从SSD的使用寿命和价格,我们从中了解到闪存的三个类型:1、寿命最长,价格最贵的SLC;2、寿命和价格居中的MLC;3、寿命最短、价格最低的TLC闪存。

SLC闪存特点:

图1 系统的总体框图

海力士8GB SLC闪存

SLC即Single Level Cell的缩写,名为单层单存储单元。存取原理上SLC架构是0和1两个充电值,即每Cell能存放1bit数据(1bit/Cell),有点儿类似于开关电路,就算其中一个Cell损坏,对整体的性能也不会有影响,因此性能非常稳定,同时SLC的最大的驱动电压可以做到很低。

1、理论上速度最快;2、P/E使用寿命长;3、单片存储密度小

目前SLC闪存主要应用于企业级产品、混合硬盘的缓存、高端高品质的优盘/数码播放介质等等。SLC固态硬盘的容量不如MLC固态硬盘,速度的优势遭遇人为限制,突出优点是P/E使用寿命超长。

MLC闪存特点:

图1 系统的总体框图

英特尔20nm MLC闪存

MLC即Multi-Level Cell缩写,名为多层式存储。MLC在存储单元中实现多位存储能力,典型的是2bit。它通过不同级别的电压在一个单元中记录两组位信息(00、01、11、10),将SLC的存储密度理论提升一倍。由于电压更为频繁的变化,所以MLC闪存的使用寿命远不如SLC,同时它的读写速度不如SLC,由于一个浮动栅存储2个单元,MLC较之SLC需要更长的时间。

1、理论上的读写速度不如SLC;2、价格只有SLC的1/3甚至更低;3、使用寿命居中,3000-5000 P/E寿命。

MCL闪存广泛应用于消费级SSD以及轻应用的企业级SSD,这些领域的SSD数据吞吐量小,对P/E使用寿命要求没有SLC那么苛刻。因此MLC闪存没有严格的速度限制,性能表现超过SLC闪存。

TLC闪存特点:

图1 系统的总体框图

东芝A19nm TLC闪存

TLC即Triple-Level Cell的缩写,是2bit/cell的MLC闪存延伸,TLC达到3bit/cell,TLC利用不同电位的电荷,一个浮动栅存储3个bit的信息,存储密度理论上较之MLC闪存扩大了0.5倍。

1、理论上的存储密度最高;2、制造成本最低,其价格较之MLC闪存降低20-50%;3、P/E寿命可达1000-2000余次;5、理论上的读写速度最慢,随着制造工艺的提升、主控算法有大幅提升。

TLC闪存也如当年MLC闪存一样,在攻克P/E使用寿命的难关后,在今年下半年走上主流舞台。目前各大主流主控厂商开发支持TLC闪存的主控,并且已经进化到第三代,有效提高TLC SSD的性能,延长TLC SSD的P/E使用寿命。

我们了解SSD固态硬盘的构造和工作原理,那么如何购买SSD固态硬盘,我们需要根据购买用户的预算、容量需求,从主控、闪存进行挑选。