SSD基础知识及固态存储器前景分析

固态硬盘的相关知识和主控简介

SSD基础知识及市场前景分析

一. 什么是Solid State Disk（固态存储）

1.固态存储技术简称为SSD，一般可以分为二种方式：

A. 基于闪存的SSD：采用FLASH芯片作为存储介质，这也是通常所说的SSD。它的外观有多种，例如：笔记本硬盘（2.5’）、微硬盘（1.8’）、优盘等样式。这种SSD固态存储器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。

B. 基于DRAM的SSD：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臵和管理，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存储器和SSD存储器阵列两种。它是一种高性能的存储器，而且它的使用寿命很长，美中不足的它需要独立供电电源来保护数据安全。

由于采用FLASH存储介质，它内部没有机械结构，因此没有数据查找时间、延迟时间和寻道时间。众所周知，硬盘的机械特性严重限制了数据读取、写入的速度及性能。目前主流的SSD固态存储器在操作系统中表现为一块普通的HDD硬盘，用户可以完全把它作为一块硬盘来使用。

2. SSD技术解析

NAND FLASH 损耗均衡算法（Wear Leveling）

因为闪存的写操作的次数是有限制的，如果针对某些单元进行过10万次写操作，那么后续这些单元的写入可靠性则无法保证，有些单元则可能会失效，例如有些管理数据系统日志等改写频繁,而某些静态文件数据却几乎从不改写.如不加控制，部分块就会因反复多次擦除而提前损坏,而部分块还未被改写过，以至影响SSD盘的使用寿命，为解决此问题，使用写操作均匀分布到各闪存单元上，从整体上做一个平衡，以避免个别单元失效，损耗均衡算法（Wear Leveling）就是为解决此问题而广泛采用的算法。

Wear Leveling就是提供一个块映射机制, 把写入损耗分散在不同的块上, 不会导致某些块先被写坏而使整个SSD盘失效，而是把在预期寿命前失效的块, 会有一些保留块来替代, 这个算法使得整个设备的寿命跟Flash的最大寿命在同一量级。

一般为实现损耗均衡算法（Wear Leveling）会采用一种基于页的文件存储算法，闪存物理地址和逻辑地址之间并没有一一对应的关系。当固态硬盘收到数据写入请求时，并不会循规蹈矩的按顺序进行写入，而是找到最少写入的单元写入。因而，在为写入数据动态分配物理块时,会根据各块的使用情况不同分配相应的优先级，从而均衡整个存储器各单元的使用寿命。 SSD多通道并发技术

由于目前Nand Flash的数据总线为8bit，最大能提供25MB/s的读速度和3MB/s的写速度，显然SSD如果提供此速度是用户无法接受的，目前SSD控制器普遍采用多个通道同时并行操作多片Flash，类似RAID0，这样读写速度得到了极大地提高，如下图所示：

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纠错管理与映射机制

SSD控制器会监测和校验读写Flash的数据，以确保对数据操作的成功，并内臵纠错冗余数据，防止基于闪存设备的个别单元数据丢失造成整个数据块丢失。

SSD的映射机制一般采用基于页的文件存储算法，闪存物理地址和逻辑地址之间并没有一一对应的关系。当固态硬盘收到数据写入请求时，并不会循规蹈矩的按顺序进行写入，而是找到最方便写入最快的位臵进行写入，以提高写入速度。

通常检测工作通过片上状态寄存器和特定的硬件部件来校验写操作和擦除操作是否成功，校验工作通过回读写入数据与用户数据进行比较来完成。当写操作失败时，系统并不将错误简单的反馈给用户，而是通过块重映射机制，另外分配一个空闲块重新执行写操作，由于SSD在设计的时候，已经预留了一部分Flash用于临时存储数据和坏块替换使用，再加上Flash芯片对擦写次数有限制，读没有次数限制，这样即使某些块被写坏了，也不会影响到整个SSD的使用寿命。因此，SSD通过自动校验来预防错误发生，个别单元读错误可以通过纠错来恢复数据，确保数据的完整性，逻辑地址与物理地址的映射机制，解决了写物理区块错误问题，同时在损耗均衡算法中也需要逻辑地址与物理地址的映射机制来实现。 二. SSD固态存储器几点优点：

第一，数据存取速度快。根据相关媒体测试：在同样配臵的笔记本电脑下，运行大型图像处理软件时能明显感觉到SSD固态存储器无论在保存还是在打开文件都更快。当按下笔记本电脑的电源开关时，搭载SSD固态存储器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，差距还是相当大的。

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第二，经久耐用、防震抗摔。与传统的旋转式、磁介质硬盘相比，因为全部采用了闪存芯片，固态存储器内部不存在任何机械部件，其读写速度更快、更可靠，也更节能，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。

第三，SSD固态存储器工作时非常安静，没有任何噪音产生。得益于无机械部件及闪存芯片发热量小、散热快等特点，SSD固态存储器因为没有机械马达和风扇，工作时噪音值为0分贝。

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第四，SSD固态存储器比常规1.8英寸硬盘重量轻20-30克，可千万别小看这些重量，在笔记本电脑、卫星定位仪等随身移动产品上，更小的重量有利于便携。此外，重量的减轻也使得笔记本搭载多块SSD固态存储器成为可能。

四. SSD的应用范围：

如果从最早研发开始计算，SSD固态存储器的发展已经有20多年的历史，固态存储器在早期的大部分时间里，主要用在军用嵌入系统中，或者高性能计算的研究实验室中。如今固态存储技术已成为一个民用标准，已经在笔记本电脑及大型主机等领域得到应用。商业领域也已经涉及到金融、电信、医疗、电力、航空、邮电等行业。随着SSD固态存储器的应用逐步扩大，医疗领域也开始应用相关产品。

五. SSD固态硬盘的寿命有多长

固态硬盘的性能与寿命是有关系的。通常，固态硬盘的性能越差意味着它的使用寿命就越短。这是因为固态硬盘的磨损与固态硬盘上发生的数据写入和清除次数直接相关。发生写数据的次数越多，其寿命就越短。

目前，市场的固态硬盘按flash类型分为两类。一类为每个闪存单元存储1位的SLC(single-level cell)，价格较贵，主要面向企业。另一类为每个闪存单元保存2到多位(现已到4位)MLC，主要面向普通消费者，价格要便宜得多。MLC固态硬盘的可写入次数为2000～10000，SLC固态硬盘的可写入次数是MLC的10倍左右。

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为了延长固态硬盘的使用寿命，制造商们想尽了办法。除了前面提到的磨损均衡技术以外，还在SSD中加入DRAM缓存，把数据先缓存在DRAM中，然后集中写入，从而减少写入次数。另一个减少写入次数的办法是在SSD的控制器或者处理器中加入一个专门的芯片，它能把多个写入操作组合到一起，以提高写入效率。

有的供应商还采用另一种办法，即为SSD额外多提供一些闪存单元，如果SSD中有些闪存单元损坏，可以替补使用。例如，有些SSD标明是100GB的存储空间，其内部实际可能有120GB的存储能力。额外的20GB平时不用 …… 此处隐藏：6027字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……