SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析課件

SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析Preparedby:chencanwen2012.4.12SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析目錄SSD定義及組成SSD發(fā)展歷程SSD分類SSD與HDD優(yōu)劣比較SSD性能參數(shù)及一些技術(shù)解析SSD產(chǎn)品測試介紹SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD定義及組成SSD(SolidStateDisk)俗稱固態(tài)硬盤，相對原來主軸旋轉(zhuǎn)，并無機(jī)械部分，所以被人稱為固態(tài)硬盤。SSD由控制單元和存儲單元(FLASH芯片)組成，存儲單元負(fù)責(zé)存儲資料，控制單元負(fù)責(zé)讀取、寫入資料。簡單的說就是存儲芯片通過陣列制成的硬盤(基本都是RAID0模式，這也是SSD高速的原因)。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。SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD定義及組成SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析Controller主控，負(fù)責(zé)讀取、寫入SandForce、Intel、

Marvell（邁威）、JMicron智微、SamSung、Indilinx、Sandisk、Toshiba東芝、SkyMedi擎泰、Phison群聯(lián)、SMI慧榮、KTC太和、Alcor安國、USBest聯(lián)盛、亮發(fā)Initio(量晶)NandFlash閃存，負(fù)責(zé)存儲

Intel、SamSung、Toshiba、Micron、Hynix、Sandisk、STMicro、Renesas、Qimonda、Numonyx、infineonMobileDRAM:samsung、Elpida（爾必達(dá)）、Hynix（海力士）、Mcron（鎂光）SSD定義及組成SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析主控廠家主控名稱接口通道數(shù)讀寫速度DRAMCacheIntelPC29AS21AA0SATAII10250/170(70)yPC29AS21BA0SATAII10

Y(32M)sandyforceSF-1222SATAII8260/250SF-1565SATAII8SamsungSamsungG3SATAII

220/200(120)yJMicronJMF612SATAII+USB8230/180y

JMF601SATAII+USB4100/50nJMF602SATAII+USB2.04150/100N(16KBbuffer)

JMF605SATAII+USB2.04150/100N(16KBbuffer)IndiLinxIDX100M00SATAII2

y

IDX110M00SATAII4230/180yPhison（群聯(lián)電子）PS3015-S5SATAII4

64MSMI（慧榮科技）SM2242tSATAII4100/80nAlcor（安國科技）AU7511SATAII4

nUSBest(聯(lián)盛科技）UT165CurrentlyonlyUT165forUSBSSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析短板的出現(xiàn)－－硬盤硬盤CPU主板內(nèi)存性能表現(xiàn)SSD發(fā)展歷程SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析1956年9月，IBM向世界展示了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)IBM350RAMAC

（RandomAccessMethodofAccountingandControl）1968年，IBM公司首次提出“溫徹斯特/Winchester”技術(shù)1973年，IBM公司制造出第一臺采用“溫徹期特”技術(shù)的硬盤1979年，IBM發(fā)明薄膜磁頭，為減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度提供了可能80年代末期，IBM發(fā)明了MR（MagnetoResistive)磁阻，使得盤片的存儲密度 比以往20MB每英寸提高了數(shù)十倍1991年，IBM生產(chǎn)的3.5英寸的硬盤使用了MR磁頭，使硬盤的容量首次達(dá)到了1GB，從此 硬盤容量開始進(jìn)入了GB數(shù)量級

1999年9月7日，Maxtor宣布了首塊單碟容量高達(dá)10.2GB的ATA硬盤，把硬盤的容量 引入了一個(gè)新里程碑2000年2月23日，希捷發(fā)布了轉(zhuǎn)速高達(dá)15，000RPM的CheetahX15系列硬盤2000年3月16日，IBM第一款“玻璃硬盤”問世HDD發(fā)展歷程SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD發(fā)展歷程上世紀(jì)七十年代，SunStorageTek公司就開發(fā)了第一個(gè)固態(tài)硬碟。由於價(jià)格昂貴、性能不穩(wěn)定，使它來去匆匆。

1989年,出現(xiàn)世界上第一款固態(tài)硬碟，不過由於其價(jià)格過於高昂因,在當(dāng)時(shí)只限應(yīng)用於非常特別的市場比如軍用市場。當(dāng)時(shí)1M大小的快閃記憶體換算下來的價(jià)格達(dá)到了3500$！

2005年5月，三星首款基於Nand快閃記憶體技術(shù)的固態(tài)硬碟搶先出貨2007年3月，INTEL發(fā)佈了其首款固態(tài)硬碟。SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD基于DRAM基于FLASHMLCMulti-LevelCell多層單元NAND型與非NOR型或非SLCSingleLayerCell單層單元SSD的分類SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD的分類基于DRAM的SSD：采用DRAM作為存儲介質(zhì)，目前應(yīng)用范圍較窄。它仿效傳統(tǒng)硬盤的設(shè)計(jì)、可被絕大部分操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)工具進(jìn)行卷設(shè)置和管理，并提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI和FC接口用于連接主機(jī)或者服務(wù)器。應(yīng)用方式可分為SSD存儲器和SSD存儲器陣列兩種。它是一種高性能的存儲器，而且它的使用壽命很長，美中不足的它需要獨(dú)立供電電源來保護(hù)數(shù)據(jù)安全。SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD的分類基于閃存的SSD：采用Flash芯片作為存儲介質(zhì)，這也是通常所說的SSD。它的外觀有多種，例如：筆記本硬盤（2.5’）、微硬盤（1.8’）、優(yōu)盤等樣式。這種SSD固態(tài)存儲器最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以移動，而且數(shù)據(jù)保護(hù)不受電源控制，能適應(yīng)于各種環(huán)境，但是使用年限不高，適合于個(gè)人用戶使用。SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析單層單元(SLC，SingleLayerCell)每個(gè)單元是1bit成本高、容量小、速度快結(jié)構(gòu)簡單復(fù)寫次數(shù)高達(dá)100000次多層單元(MLC，

Multi-LevelCell)每個(gè)單元是2bit容量大、成本低，速度慢MLC存儲單元中存放的資料較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，出錯(cuò)的幾率會增加，必須進(jìn)行錯(cuò)誤修正，性能大幅落后于結(jié)構(gòu)簡單的SLC閃存復(fù)寫次數(shù)5000~10000次為了保證MLC的壽命，控制芯片都校驗(yàn)和智能磨損平衡技術(shù)算法，使得每個(gè)存儲單元的寫入次數(shù)可以平均分?jǐn)?，達(dá)到100萬小時(shí)故障間隔時(shí)間(MTBF)。NandFlashSSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SLC&MLC性能區(qū)別

SLCNANDFlashMLCNANDFlashRandomRead25μs50μsErase2msperblock2msperblockProgramming250μs900μsSSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD與HDD比較外觀接口類型SSD3.5”,2.5”,1.8”SATA,PATA,FC,SCSI,SAS,USB,miniPCIe,DIMMHDD3.5”,2.5”,1.8”SATA,PATA,FC,SCSI,SASSSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析16轉(zhuǎn)速(RotationalSpeed或Spindlespeed)，是硬盤內(nèi)電機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內(nèi)所能完成的最大轉(zhuǎn)數(shù)。平均訪問時(shí)間(AverageAccessTime)是指磁頭從起始位置到達(dá)目標(biāo)磁道位置，并且從目標(biāo)磁道上找到要讀寫的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需的時(shí)間。平均訪問時(shí)間=平均尋道時(shí)間+平均等待時(shí)間傳輸速率(DataTransferRate)，硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度。內(nèi)部傳輸率(InternalTransferRate)亦稱持續(xù)傳輸率(SustainedTransferRate)，反映了硬盤緩沖區(qū)未用時(shí)的性能。SSD與HDD性能比較SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SLC,MLC,HDD的性能比較其中HDD為1.8英寸,SSD即是采用多個(gè)閃存芯片的并發(fā)讀寫來提供更好的性能.SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析18SSD,HDD功耗比較SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD與HDD其它比較MemoRightSSDHitachi7K200HDD工作溫度0至70度（商業(yè)），-40至85度（工業(yè)）5至55度震動20GPeak,10~2000Hz,(12Cycle/Axis)x3AxisRandom(RMS)0.67Gforhoriontal

0.56Gforvertical沖擊1500G/0.5ms180G/1ms噪聲0Idle:2.5Seek:2.9SSD在較寬的工作溫度范圍，強(qiáng)烈的抗震動和沖擊的特性，使得SSD成為軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空等、導(dǎo)航設(shè)備等數(shù)據(jù)存儲的首選SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD,HDD功耗比較SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析啟動快

沒有電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)的過程。讀取延遲小不用磁頭，快速隨機(jī)讀取，讀延遲極小。碎片不影響讀取時(shí)間相對固定的讀取時(shí)間。由于尋址時(shí)間與數(shù)據(jù)存儲位置無關(guān)，因此磁盤碎片不會影響讀取時(shí)間寫入速度快基于DRAM的固態(tài)硬盤寫入速度極快。無噪音發(fā)熱量較低SSD總結(jié)SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析不會發(fā)生機(jī)械故障內(nèi)部不存在任何機(jī)械活動部件，不會發(fā)生機(jī)械故障，也不怕碰撞、沖擊、振動、省電工作溫度范圍更大典型的硬盤驅(qū)動器只能在5到55℃范圍內(nèi)工作。而大多數(shù)固態(tài)硬盤可在-10~70℃工作，一些工業(yè)級的固態(tài)硬盤還可在-40~85℃，甚至更大的溫度范圍下工作（e.g:RunCore軍工級產(chǎn)品溫度為-55~135℃）。體積小重量輕低容量的固態(tài)硬盤比同容量硬盤體積小、重量輕。但這一優(yōu)勢隨容量增大而逐漸減弱。直至256GB，固態(tài)硬盤仍比相同容量的普通硬盤輕。SSD總結(jié)SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析

成本高每單位容量價(jià)格是傳統(tǒng)硬盤的5~10倍（基于閃存），甚至200~300倍（基于DRAM）。容量低目前固態(tài)硬盤最大容量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硬盤。（美國公司Foremay推出了EC188M系列固態(tài)硬盤2TB。）傳統(tǒng)硬盤的容量仍在迅速增長，據(jù)稱IBM已測試過4TB的傳統(tǒng)硬盤。易受外界影響由于不像傳統(tǒng)硬盤那樣屏蔽于法拉第籠中，固態(tài)硬盤更易受到某些外界因素的不良影響。如斷電（基于DRAM的固態(tài)硬盤尤甚）、磁場干擾、靜電等。SSD總結(jié)SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析寫入壽命有限寫入壽命有限（基于閃存）。一般閃存寫入壽命為1萬到10萬次，特制的可達(dá)100萬到500萬次，然而整臺計(jì)算機(jī)壽命期內(nèi)文件系統(tǒng)的某些部分（如文件分配表）的寫入次數(shù)仍將超過這一極限。特制的文件系統(tǒng)或者固件可以分擔(dān)寫入的位置，使固態(tài)硬盤的整體壽命達(dá)到20年以上。數(shù)據(jù)難以恢復(fù)數(shù)據(jù)損壞后難以恢復(fù)。一旦在硬件上發(fā)生損壞，如果是傳統(tǒng)的磁盤或者磁帶存儲方式，通過數(shù)據(jù)恢復(fù)也許還能挽救一部分?jǐn)?shù)據(jù)。但是如果是固態(tài)存儲，一但芯片發(fā)生損壞，要想在碎成幾瓣或者被電流擊穿的芯片中找回?cái)?shù)據(jù)那幾乎就是不可能的。當(dāng)然這種不足也是可以犧牲存儲空間來彌補(bǔ)的，主要用RAID1來實(shí)現(xiàn)的備份，和傳統(tǒng)的存儲的備份原理相同。由于目前SSD的成本較高，采用這種方式備份還是價(jià)格不菲。SSD總結(jié)SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析影響SSD系統(tǒng)性能因素

1、控制器性能2、閃存性能(MLC,SLC)3、通道數(shù)量4、接口5、其他（PCB(工藝、層數(shù)layer)、輔料（磁珠、電源IC等）SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析

SSD是以1page寫入，而擦除則是以block為最小單位。所以全新的SSD因?yàn)閿?shù)據(jù)順序?qū)懭?，能達(dá)到最佳性能。而使用過的SSD則將新數(shù)據(jù)寫入空白區(qū)域，當(dāng)刪除數(shù)據(jù)并沒有刪除，只是原始數(shù)據(jù)被標(biāo)注無效，當(dāng)需擦除數(shù)據(jù)時(shí)，以NAND數(shù)據(jù)塊(block)為單位進(jìn)行擦除。影響SSD系統(tǒng)性能因素

SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析27寫入放大WriteAmplification閃存寫入數(shù)據(jù)量主控寫入數(shù)據(jù)量寫入放大倍數(shù)因閃存讀寫特性決定，在寫入數(shù)據(jù)前必須對閃存存儲單元先進(jìn)行擦除后方可改寫。該特性使得產(chǎn)品使用壽命受到較多影響，同時(shí)也增加了無謂數(shù)據(jù)寫入量。理論上說，寫入放大倍數(shù)為1最適合。影響SSD系統(tǒng)性能因素

SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析1.垃圾回收(GC)Garbagecollection

--這個(gè)比較特殊的算法用來整理，移動，合并，刪除閃存塊來提升效率,減少寫入放大。

2.預(yù)留空間（OP)Over-provisioning

這塊取用一般被用來做優(yōu)化，包括磨損均衡，GC,Trim和壞塊映射。（7.37%）

3.TRIM

開啟后可以減少寫入放大

一個(gè)ATA指令，由操作系統(tǒng)發(fā)送給SSD主控，告訴主控哪些數(shù)據(jù)是無效的并且可以不用做垃圾回收操作。Trim命令需要SSD的支持，windows7.

4.可用容量

減少寫入放大，好。(可用空間越大，寫入放大越低）

SSD控制器會使用所有的可用空間做垃圾回收和磨損均衡。保證一定的可用空間可以提升SSD效率，減少寫入放大。（前提是支持Trim)

5.安全擦除SecureErase

減少寫入放大，好

清除所有用戶數(shù)據(jù)和相關(guān)元數(shù)據(jù)，讓SSD重置到初始性能。

影響SSD系統(tǒng)性能因素

SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析6.靜動數(shù)據(jù)分離SeparatingStaticandDynamicData減少寫入放大，好

分組常改寫和不常改寫的數(shù)據(jù)。

7.持續(xù)寫入Sequentialwrites

減少寫入放大，好

理論上來說，持續(xù)寫入的寫入放大為1，但是某些因素還是會影響這個(gè)數(shù)值。

8.隨機(jī)寫入Randomwrites

提高寫入放大，不好

隨機(jī)寫入會寫入很多非連續(xù)的LBA,當(dāng)全盤顆粒都被寫過后，GC功能就將被啟用，速度就會受到影響，之后的寫入放大就會達(dá)到SSD主控制器的最大倍數(shù)。大量的隨機(jī)小文件的寫入是“閃存殺手”。

9.磨損平衡（WL）WearLeveling

直接提高寫入放大，不好

確保閃存的每個(gè)塊被寫入的次數(shù)相等的一種機(jī)制。

影響SSD系統(tǒng)性能因素

SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析30垃圾收集（Garbagecollection）一旦SSD的所有塊都已經(jīng)寫入了一次，SSD主控制器將會初始化那些包含無效數(shù)據(jù)的塊。（陳舊數(shù)據(jù)，這些塊里的數(shù)據(jù)已經(jīng)被更新的數(shù)據(jù)替換，已經(jīng)無效了，沒了LBA地址），現(xiàn)在他們正在等待被刪除，以便新的數(shù)據(jù)可以寫入其中,如何優(yōu)化并整理這些個(gè)等待被刪除的無效數(shù)據(jù)，這個(gè)算法被稱為垃圾收集（GC).SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析31Trim功能與工作原理當(dāng)LBA被操作系統(tǒng)更新后，只有隨著之后的每次數(shù)據(jù)寫入（其實(shí)等于覆蓋），SSD主控制器才知道這個(gè)地址原來早已經(jīng)失效了。（之前認(rèn)為每個(gè)數(shù)據(jù)都是有效的）在Win7里，由于Trim的引入解決了這個(gè)問題，當(dāng)某些文件被刪除或者格式化了整個(gè)分區(qū)，操作系統(tǒng)把Trim指令和在操作中更新的LBA一起發(fā)給SSD主控制器（其中包含了無效數(shù)據(jù)地址），這樣在之后的GC操作中，無效數(shù)據(jù)就能被清空了，減少了寫入放大同時(shí)也提升了性能。SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析Trim的依賴性和局限性1.Trim命令需要SSD的支持，某些老型號的SSD可以靠刷新固件得到Trim支持（G2,barefoot,YK40），或者用一些獨(dú)特的工具（barefootwiper)提取出系統(tǒng)里所有無效的LBA告訴SSD主控并清除。

2.Trim命令之后，速度并不一定是立馬就能提升的，因?yàn)門rim后的干凈空間可能隨機(jī)的包含在每個(gè)塊里，只有等著多次的copyblock操作和主控的GC操作才能明顯感覺到速度的提升。

3.就算操作系統(tǒng)，驅(qū)動，SSD主控固件都滿足Trim命令了，也不代表在某些特定環(huán)境下能工作，比如RAID陣列和數(shù)據(jù)庫（至少到目前為止）。SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析預(yù)留空間Over-provisioning預(yù)留空間一般是指用戶不可操作的容量，為實(shí)際物理閃存容量減去用戶可用容量。這塊取用一般被用來做優(yōu)化，包括磨損均衡，GC,Trim和壞塊映射。

SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析損耗均衡算法WearLevelingWearLeveling就是采用一種基于頁的文件存儲算法，閃存物理地址和邏輯地址之間并沒有一一對應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)固態(tài)硬盤收到數(shù)據(jù)寫入請求時(shí)，并不會循規(guī)蹈矩的按順序進(jìn)行寫入，而是找到最少寫入的單元寫入。因而，在為寫入數(shù)據(jù)動態(tài)分配物理塊時(shí),會根據(jù)各塊的使用情況不同分配相應(yīng)的優(yōu)先級，從而均衡整個(gè)存儲器各單元的使用壽命。SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析SSD多通道并發(fā)技術(shù)由于目前NandFlash的數(shù)據(jù)總線為8bit，最大能提供25MB/s的讀速度和3MB/s的寫速度，顯然SSD如果提供此速度是用戶無法接受的，目前SSD控制器普遍采用多個(gè)通道同時(shí)并行操作多片F(xiàn)lash，類似RAID0，這樣讀寫速度得到了極大地提高。SSD基礎(chǔ)知識及一些技術(shù)解析糾錯(cuò)管理與映射機(jī)制SSD控制器會監(jiān)測和校驗(yàn)讀寫Flash的數(shù)據(jù)，以確保對數(shù)據(jù)操作的成功，并內(nèi)置糾錯(cuò)冗余數(shù)據(jù)，防止基于閃存設(shè)備的個(gè)別單元數(shù)據(jù)丟失造成整個(gè)數(shù)據(jù)塊丟失。SSD的映射機(jī)制一般采用基于