SSD固態(tài)硬盤簡(jiǎn)介論文課件

1、 SSD固態(tài)硬盤論文課 程專 業(yè)班 級(jí)成 員 完成日期年 月 摘 要 固態(tài)硬盤用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲(chǔ)單元（FLASH芯片、DRAM芯片）組成。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致。 本文就固態(tài)硬盤的由來，發(fā)展以及物理原理介紹，并簡(jiǎn)要科普市面上常見的固態(tài)硬盤，以及對(duì)現(xiàn)代超級(jí)筆記本的推進(jìn)作用和前景猜想。關(guān)鍵字：固態(tài)硬盤；原理簡(jiǎn)介；前景猜想； ABSTRACT Solid-state drives made of hard disk storage chip array and solid state e

2、lectronics, by the control unit and storage list < (FLASH chip, DRAM chips). SSD interface specification and on the definition, function and method of use with exactly the same as that of common hard disk on the product shape and size are fully consistent with the ordinary hard disk.In this paper

3、, the origin of the solid-state drives, development as well as the physical principle is introduced, and briefly popular science common solid-state drives on the market, and promote the modern super notebook and prospects.Key words：Solid-state drives; Introduction of principle; Prospects for guess；

4、1 引言固態(tài)硬盤（Solid State Drives），簡(jiǎn)稱固盤，是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤，其芯片的工作溫度范圍很寬,商規(guī)產(chǎn)品（070）工規(guī)產(chǎn)品（-4085）。半導(dǎo)體硬盤SSD由NAND閃存、NAND控制器以及用在緩存的DRAM所構(gòu)成。在SSD中，壞塊處理、糾錯(cuò)編碼及單元調(diào)整等處理都有NAND控制器的內(nèi)存轉(zhuǎn)換層來執(zhí)行。SSD的性能不僅取決于NAND閃存的性能，而且在很大程度上還會(huì)受到NAND控制器算法的影響。因此，在優(yōu)化NAND控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到NAND內(nèi)存的特性。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場(chǎng)。由于固態(tài)硬盤技術(shù)與傳統(tǒng)硬盤技術(shù)不同，所以產(chǎn)生了不少新興的存儲(chǔ)器廠

5、商。廠商只需購買NAND存儲(chǔ)器，再配合適當(dāng)?shù)目刂菩酒?，就可以制造固態(tài)硬盤了。新一代的固態(tài)硬盤普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、MSATA接口和CFast接口。 目前SSD開始逐步應(yīng)用與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中，突破機(jī)械硬盤對(duì)傳輸速度的限制，涌現(xiàn)出一批“超級(jí)本”等新興電子產(chǎn)品，改變?nèi)藗兊纳睢?2 正文2.2 固態(tài)硬盤發(fā)展歷程1956年，IBM公司發(fā)明了世界上第一塊硬盤。1968年，IBM重新提出“溫徹斯特”（Winchester）技術(shù)的可行性，奠定了硬盤發(fā)展方向。1970年，StorageTek公司(Sun StorageTek)開發(fā)了第一個(gè)固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)器。1989年，世界上第一款固態(tài)硬盤出現(xiàn)。

6、2006年3月，三星率先發(fā)布一款32GB容量的固態(tài)硬盤筆記本電腦，2007年1月，SanDisk公司發(fā)布了1.8寸32GB固態(tài)硬盤產(chǎn)品，3月又發(fā)布了2.5寸32GB型號(hào)。2007年6月，東芝推出了其第一款120GB固態(tài)硬盤筆記本電腦。2008年9月，憶正MemoRight SSD的正式發(fā)布，標(biāo)志著著中國企業(yè)加速進(jìn)軍固態(tài)硬盤行業(yè)。2009年，SSD井噴式發(fā)展，各大廠商蜂擁而來，存儲(chǔ)虛擬化正式走入新階段。2010年2月，鎂光發(fā)布了全球首款SATA 6Gbps接口固態(tài)硬盤，突破了SATAII接口300MB/s的讀寫速度。2012年，蘋果公司在筆記本電腦上應(yīng)用容量為512G的固態(tài)硬盤。12012年7月

7、 ，Goldendisk 深圳云存科技推出全球第一款體積最小的CFast固態(tài)硬盤。2.2 固態(tài)硬盤的存儲(chǔ)介質(zhì)SSD包括兩種存儲(chǔ)介質(zhì)： 一種是閃存（FLASH芯片）。另外一種是DRAM。它們的特點(diǎn)如下：特性類型存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)特性接口應(yīng)用方式使用范圍閃存（FLASH芯片）FLASH芯片（NAND Flash）非易失性存儲(chǔ)器（NVRAM，永久性存儲(chǔ)器）IDE和Serial ATA、PCI-E等筆記本硬盤、微硬盤、存儲(chǔ)卡、U盤等個(gè)人DRAMDRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，如：SDRAM）非永久性存儲(chǔ)器（需獨(dú)立電源維持）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI和FC接口、DIMMSSD硬盤和SSD硬盤陣列兩種服務(wù)器基于閃存的固態(tài)硬

8、盤（非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器、永久性存儲(chǔ)器）： 采用FLASH芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，這也是我們通常所說的SSD，適合于個(gè)人用戶使用，有筆記本硬盤、微硬盤、存儲(chǔ)卡、U盤等樣式。和易失性存儲(chǔ)器相比，作為非易失性存儲(chǔ)器的閃存盤一經(jīng)寫入數(shù)據(jù)，就不需要外界電力來維持其記憶。因此更適于作為傳統(tǒng)硬盤的替代品。非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（Non-Volatile Random Access Memory，NVRAM）的數(shù)據(jù)訪問速度介于易失性存儲(chǔ)器和傳統(tǒng)硬盤之間。其特性類同ROM，只不過它不但可讀，也是可寫的。 其主體其實(shí)就是一塊PCB板，上面有控制芯片（不同的主控可致性能相差數(shù)十倍），緩存芯片（部分低端硬盤無緩存芯片）和用于存

9、儲(chǔ)數(shù)據(jù)的閃存芯片等。Flash分有兩種：NAND flash和NOR flash。NAND Flash是最常見的非易失性存儲(chǔ)器，小容量的NAND閃存用于閃存盤（U盤）。目前用來生產(chǎn)固態(tài)硬盤的NAND Flash有三種：分別是單層式存儲(chǔ)（SLC, Single Level Cell），多層式存儲(chǔ)（MLC, Multi Level Cell，但通常只用來指稱兩層式存儲(chǔ)），三層式存儲(chǔ)（TLC, Triple-Level Cell）。SLC因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在寫入數(shù)據(jù)時(shí)電壓變化的區(qū)間小，所以壽命較長(zhǎng)，可以經(jīng)受10萬次的讀寫。但它的成本最高。 MLC理論比SLC的記錄密度理論提升一倍，官方給出的可擦寫次數(shù)僅

10、為1萬次,但是一般為3000 - 10000次。固態(tài)硬盤的主流從SLC芯片轉(zhuǎn)到MLC芯片，促成了2011年的大降價(jià)，固態(tài)硬盤因此普及。TLC容量達(dá)到MLC的1.5倍，其價(jià)格較之MLC閃存最大降低50%，制造工藝僅次于MLC，高于SLC，使命壽命僅有500 -1000次,理論上的讀寫速度最慢。TLC速度較慢但成本低，原本只用來做U盤的TLC也開始作為低級(jí)廉價(jià)市場(chǎng)的主力。 三種NAND Flash簡(jiǎn)單對(duì)比如下：特性類型讀寫速度比使用壽命比可讀寫次數(shù)存儲(chǔ)層式成本需要糾錯(cuò)比特?cái)?shù)即ECC（同一制程下之比）SLC46100000單層高低（1）MLC233000-10000多層（雙層）中中（2）TLC125

11、00-1000三層低高（4）基于DRAM的固態(tài)硬盤（易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器，非永久性存儲(chǔ)器）： 采用 DRAM作為存儲(chǔ)介質(zhì)，屬于比較非主流的設(shè)備，與PC的內(nèi)存、顯存同類同性，屬性于隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器。具有使用壽命很長(zhǎng)、訪問速度快的特點(diǎn)，美中不足的是需要獨(dú)立電源來保護(hù)數(shù)據(jù)安全。 因?yàn)檫@類存儲(chǔ)器需要靠外界電力（獨(dú)立電源）維持其記憶，所以由易失性存儲(chǔ)器制成的固態(tài)硬盤主要用于臨時(shí)性存儲(chǔ)。當(dāng)電源意外中斷時(shí)，靠電池驅(qū)動(dòng)的這類固態(tài)硬盤可以有足夠的時(shí)間將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)硬盤中。當(dāng)電力恢復(fù)后，再從傳統(tǒng)硬盤中恢復(fù)數(shù)據(jù)。2.3 固態(tài)硬盤與機(jī)械硬盤儲(chǔ)存原理 機(jī)械硬盤（HDD）的基本工作原理。當(dāng)機(jī)械硬盤需要讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)接到指令

12、，然后磁頭會(huì)移動(dòng)到相應(yīng)位置，盤片也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)以便讓數(shù)據(jù)發(fā)生操作的區(qū)域到達(dá)指定位置。這些動(dòng)作所需要的時(shí)間就是尋道時(shí)間和潛伏周期，由于需要發(fā)生裝置的移動(dòng)，這些過程都需要幾毫秒的時(shí)間。 這是由于操作系統(tǒng)的讀寫機(jī)制造成的：硬盤被分為若干個(gè)區(qū)域作為最基本的操作單位，這個(gè)單位被叫做“扇區(qū)”，當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)寫入時(shí)，會(huì)選擇一個(gè)或幾個(gè)扇區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，這些扇區(qū)的位置都是挨著的，從邏輯上說它們是連續(xù)的，無論在讀取還是寫入的時(shí)候所需時(shí)間都比較短。而問題的關(guān)鍵在于：所有數(shù)據(jù)都不是在建立之后就永遠(yuǎn)放在那里不會(huì)改變了，當(dāng)原先寫入的數(shù)據(jù)修改時(shí)，比如增加內(nèi)容、數(shù)據(jù)量加大，而緊挨著原有扇區(qū)的位置已經(jīng)有了其他數(shù)據(jù)，這些新數(shù)據(jù)就要寫入到

13、其他位置去，那么我們?cè)诓僮飨到y(tǒng)中看到的一個(gè)文件，在實(shí)際物理地址上并不是連續(xù)的，那么在再次讀取該文件時(shí)，磁盤要進(jìn)行的工作量就會(huì)加大，在最惡劣的情況，磁頭和盤片會(huì)進(jìn)行多次移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，最后的工作時(shí)間也是成倍的增加。隨著單位面積存儲(chǔ)容量的提高，我們可以享用到更高容量的硬盤，但是讀寫數(shù)據(jù)的速度上并沒有太大突破。因?yàn)闆Q定尋道時(shí)間、潛伏周期的關(guān)鍵因素：磁頭移動(dòng)速度和磁盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度都已經(jīng)接近了極限，繼續(xù)增加會(huì)帶來其他不利因素：比如成本增加、噪音、溫度的增加等等。 機(jī)械硬盤的物理構(gòu)造 SSD的系統(tǒng)接口、供電部分，以及驅(qū)動(dòng)方式都與HDD沒有差別，其主要改變是構(gòu)成單元和物理工作方式。SSD的內(nèi)部構(gòu)造包括PCB板、主控

14、制器芯片和閃存芯片，有些產(chǎn)品還會(huì)有緩存。SSD最基本的單位就是閃存芯片，英文名字叫做Nand Flash，這是一種非易失性內(nèi)存芯片，通過充電、放點(diǎn)的方式寫入和擦除數(shù)據(jù)，速度相當(dāng)快。由于在讀寫操作中完全通過電路來傳輸信號(hào)，因此不會(huì)存在類似HDD那樣移動(dòng)磁頭、旋轉(zhuǎn)盤片等動(dòng)作，因此大大減少了處理時(shí)間。然而，Nand Flash也分為幾種，目前消費(fèi)級(jí)SSD甚至不少企業(yè)級(jí)SSD都是用MLC（多層單元）閃存，這種閃存的寫入性能不如SLC（單層單元）閃存，壽命也較之短很多，但是價(jià)格要低很多。就算這樣，目前SSD的成本也沒有降低到人人都能接受的程度，價(jià)格仍然是影響SSD進(jìn)一步普及的障礙。 一塊SSD是由多個(gè)N

15、and flash閃存顆粒組成的，我們可以將每一個(gè)閃存顆粒看作是一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)單位，然后由主控制器將他們做了一個(gè)RAID并聯(lián)。也就是說SSD的讀寫是“多線程”的，每次的工作并不會(huì)只局限于一個(gè)顆粒之上，主控可以讓數(shù)據(jù)分解并同時(shí)在不同顆粒上進(jìn)行寫入，這樣以來速度自然會(huì)更快了。這也是SSD速度快的原因之一。當(dāng)然，主控要做的事情遠(yuǎn)非這么簡(jiǎn)單。 Nand Flash的晶圓2.4 固態(tài)硬盤的主控器 SSD閃存也是有最小操作單元的，和機(jī)械硬盤相比，Nand Flash的一個(gè)比較特殊的區(qū)別是寫入與擦出操作最小單位不同，寫入最小單位為4KB,這個(gè)4KB大小的單元稱之為“頁”（Page），而擦除則為512KB，叫

16、做“塊”（Block）。也就是說，在空白單元上寫入，可以以頁為單位來進(jìn)行，但是若要?jiǎng)h除這個(gè)數(shù)據(jù)，就需要將整個(gè)塊進(jìn)行擦除操作。并且當(dāng)有一個(gè)塊中的數(shù)據(jù)需要?jiǎng)h除時(shí)，會(huì)先對(duì)需要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記而非真正物理擦出，然后當(dāng)再次需要在同一物理位置寫入之時(shí)，會(huì)將有效數(shù)據(jù)保留，復(fù)制到新的塊上，然后擦寫原來的塊。聽起來似乎很復(fù)雜，簡(jiǎn)單的說，SSD的寫入機(jī)制就是原本需要寫入1MB大小的數(shù)據(jù)，實(shí)際操作量是會(huì)大于這個(gè)數(shù)值的，具體是多少，就要看主控制器的算法是否具備高效率，而實(shí)際隨機(jī)寫入速度則取決于運(yùn)算速度是否夠快。和HDD的相同之處是，SSD也需要邏輯地址來管理，然而操作系統(tǒng)的邏輯地址最小單位是512B，SSD的最小寫

17、入單位則是4KB，這其中就需要CPU、芯片組和主控制器依次工作。除此之外，主控制器還要負(fù)責(zé)分配每個(gè)閃存芯片的任務(wù)量，全盤閃存狀態(tài)的監(jiān)控，各個(gè)塊的管理，數(shù)據(jù)校驗(yàn)等等，工作相當(dāng)多而繁雜，這也是為什么在一些新主控上會(huì)使用到ARM雙核心處理器，因?yàn)橹骺氐男阅軙?huì)直接影響到SSD的速度。2.5 固態(tài)硬盤的優(yōu)勢(shì) 讀寫速度快：采用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，讀取速度相對(duì)機(jī)械硬盤更快。固態(tài)硬盤不用磁頭，尋道時(shí)間幾乎為0。持續(xù)寫入的速度非常驚人，固態(tài)硬盤廠商大多會(huì)宣稱自家的固態(tài)硬盤持續(xù)讀寫速度超過了500MB/s！固態(tài)硬盤的快絕不僅僅體現(xiàn)在持續(xù)讀寫上，隨機(jī)讀寫速度快才是固態(tài)硬盤的終極奧義，這最直接體現(xiàn)在絕大部分的日常操作中

18、。與之相關(guān)的還有極低的存取時(shí)間，最常見的7200轉(zhuǎn)機(jī)械硬盤的尋道時(shí)間一般為12-14毫秒，而固態(tài)硬盤可以輕易達(dá)到0.1毫秒甚至更低。 防震抗摔性：傳統(tǒng)硬盤都是磁碟型的，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在磁碟扇區(qū)里。而固態(tài)硬盤是使用閃存顆粒（即mp3、U盤等存儲(chǔ)介質(zhì)）制作而成，所以SSD固態(tài)硬盤內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，這樣即使在高速移動(dòng)甚至伴隨翻轉(zhuǎn)傾斜的情況下也不會(huì)影響到正常使用，而且在發(fā)生碰撞和震蕩時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)丟失的可能性降到最小。相較傳統(tǒng)硬盤，固態(tài)硬盤占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 低功耗：固態(tài)硬盤的功耗上要低于傳統(tǒng)硬盤。 無噪音：固態(tài)硬盤沒有機(jī)械馬達(dá)和風(fēng)扇，工作時(shí)噪音值為0分貝?；陂W存的固態(tài)硬盤在工作狀態(tài)下能耗和發(fā)熱量較低（但

19、高端或大容量產(chǎn)品能耗會(huì)較高）。內(nèi)部不存在任何機(jī)械活動(dòng)部件，不會(huì)發(fā)生機(jī)械故障，也不怕碰撞、沖擊、振動(dòng)。由于固態(tài)硬盤采用無機(jī)械部件的閃存芯片，所以具有了發(fā)熱量小、散熱快等特點(diǎn)。 工作溫度范圍大：典型的硬盤驅(qū)動(dòng)器只能在5到55攝氏度范圍內(nèi)工作。而大多數(shù)固態(tài)硬盤可在-1070攝氏度工作。固態(tài)硬盤比同容量機(jī)械硬盤體積小、重量輕。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。其芯片的工作溫度范圍很寬（-4085攝氏度）。 輕便：固態(tài)硬盤在重量方面更輕，與常規(guī)1.8英寸硬盤相比，重量輕20-30克。2.6 固態(tài)硬盤的發(fā)展趨勢(shì) 一、SSD將會(huì)取代傳統(tǒng)機(jī)械硬盤

20、大家都知道機(jī)械硬盤的讀寫速度跟SSD比那是天壤之別，并且現(xiàn)在的機(jī)械硬盤的腳步已經(jīng)放緩了，遠(yuǎn)沒有SSD發(fā)展的腳步那么快，并且機(jī)械硬盤受制于自身的機(jī)械機(jī)構(gòu)，在性能和容量上很難有進(jìn)一步的發(fā)展，所以必然會(huì)被SSD所取代。 二、SSD的閃寸工藝越來越小 容量將逐漸增大 如今現(xiàn)在的閃存工藝已經(jīng)做的越來越小了，影馳的Thunder GT系列采用的是19 nm TYPEB的閃存，技術(shù)發(fā)展的非常之快，而隨著閃存的工藝制程的越來越先進(jìn)，這也意味著SATA接口的固態(tài)硬盤的容量將會(huì)越來越大。 三、SSD的尺寸將越來越小 如今SSD的尺寸大小都是在2.5英寸的居多，而市面上的SSD會(huì)有一小部分采用了1.8英寸的硬盤尺寸，而隨著工藝制程的越來越先進(jìn)，1.8英寸或者更小尺寸的SSD將會(huì)逐漸代替2.5英寸大小的SSD。 四、將會(huì)使用TLC閃存顆粒 大家都知道，現(xiàn)在的SSD用的閃存分為SLC、MLC、TLC，而MLC以及SLC相對(duì)于TLC來說有更長(zhǎng)的壽命以及更快