带你全面认识固态硬盘

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1、硬盘穷途末路硬盘穷途末路? ?带你全面认识固态硬盘带你全面认识固态硬盘CBSi 中国ZOL 作者：中关村在线 孙玉亮 责任编辑：孙玉亮 【原创】 2011 年 06 月 10 日机械硬盘同机械硬盘同 SSDSSD 固态硬盘构造对比固态硬盘构造对比很多用户反映电脑系统反映慢，打开游戏加载场景需要等很长时间，打开办公软件速度也不快， 其实这些都跟硬盘有着必然的关系。用过 Windows7 系统的用户，通过自带的评分机制就能发现磁盘性 能分最低，严重拖累了系统的性能，所以为了改变这一现状，SSD 固态硬盘应运而生。那么今天笔者就 给大家详细介绍一下固态硬盘的情况。在谈 SSD 固态硬盘之前，我们先了

2、解一下机械硬盘的构造，有助于一些菜鸟区别机械硬盘和固态 硬盘的工作原理。传统的温彻斯特硬盘大家都应该见过，虽然外表普通，但却是一个非常精密的设备， 正因为生产门槛太高，导致厂家少之又少。随着西数收购日立、希捷收购三星，目前就仅剩西部数据、 希捷、东芝三家硬盘厂商，其发展方向更加偏向于芯片组的趋势，如 Intel 和 AMD、NIVIDA 和 ATI。 硬盘基本参数详解：硬盘基本参数详解：硬盘内部结构详解硬盘（英文名：Hard Disc Drive，简称 HDD，全名温彻斯特式硬盘）是电脑中必不可少的存储媒 介之一。硬盘的组成是由一个或者多个铝制碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘

3、 都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。我们看到，硬盘的内部结构非常复杂，很多部件分工协作，当硬盘通电后，马达会带动磁盘高速 旋转，此时硬盘会接到系统发出的指示，由磁头臂带动磁头从停泊区出来，然后再磁盘上寻找数据所 在的位置。而固态硬盘则跟机械硬盘相反，没有任何机械装置，简单的有些夸张。SSD 固态硬盘的结构固态硬盘（SSD ：Solid State Disk）是在传统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

4、寸、2.5 英寸、1.8 英寸 等多种类型。上图是一款 Intel 300GB 的固态硬盘，当把外壳拆下后，里面就是一个大的 PCB 板，上 面有主控芯片、Flash 颗粒和一些小的元器件。用最通俗的方式来形容，SSD 其实就是一个体积更大的 优盘。SSDSSD 固态硬盘对比机械硬盘的优劣固态硬盘对比机械硬盘的优劣从内部结构对比来看，我们就可以得到以下的结论：由于 SSD 固态硬盘没有磁头，所以几乎不存 在寻道时间这一概念，当系统发出指令时，不需要磁头和盘片，而是直接从 Flash 颗粒上读取，相对 传统的机械硬盘的寻道时间来说要快多了。这也是为什么 SSD 固态硬盘对于系统启动、软件加载方面

5、 独具优势的原因。游戏性能对比上图就是采用 SSD 固态硬盘后加载 6 同一场景的时间对比。其中希捷 1TB 硬盘加载游戏 的时间为 16.94 秒，而通过组建 RAID 0 模式后，性能有小幅提升，降至 12.56 秒。不过 OCZ VERTEX 2 固态硬盘则仅用了 5.5 秒就进入游戏，如此悬殊的成绩也只能由 SSD 硬盘来完成。机械硬盘和 SSD 内部差异明显（点击放大）当然，除了 0 延迟的优势外，固态硬盘还凭借没有任何机械装置获得了 0 噪音、相对抗震，超低 功耗等特性。目前主流用户的电脑基本都是采用机械硬盘，当开机后硬盘开始高速旋转，那么就会有 噪音出现，并且在写入数据时还会听到

6、硬盘咯咯的声音。另外，盘片旋转同空气产生的摩擦就会生热， 再加上马达旋转的热量，也是夏天不得不面对的问题。说了这么多优点，为什么现在大家装机还是不会选择固态硬盘呢？归结起来就是价格和容量的问 题。我们看看下面的表格。希捷 1TB硬盘OCZ 60GB SSD镁光 128GB SSDIntel 600GB SSD价格370 元799 元1700 元7999 元容价比0.37 元/G13.31 元/G13.28 元/G13.33 元/G通过表格看出，机械硬盘拥有最高的容量，但是却是容价比最高的。希捷 1TB 硬盘售价在 370 元 左右，折合每 GB 容量的售价大约是 0.37 元。而剩下的三款固态

7、硬盘虽然容量不同，但是容价比几乎 一致，均在每 GB 容量 13 元以上，可以说机械硬盘的容价比仅仅是固态硬盘的一个零头。SSDSSD 固态硬盘的工作原理固态硬盘的工作原理 目前的固态硬盘产品均基于 NAND，相对于另一种闪存类型 NOR，NAND 能 提供极高的单元密度可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度要比 NOR 快得多。另外 NAND 读和写 操作采用 512 字节的块，这有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于 NAND 的存储器就可以取代硬盘 或其他块设备。当然，更重要的是 NAND 的可擦写次数是 NOR 的 10 倍！对于硬盘产品来说，这非常重 要！NAND 的缺点之一是需要

8、复杂的 I/O，而这对一固态硬盘设计来说，并不严重。NAND Flash 硬盘产品每个区块可以确保至少 100,000 次的擦写操作，这相当于普通硬盘的 1,000,000 小时的 MTBF，已经可以满足应用需求。NAND Flash 的基本结构NAND Flash 的基本存储单元结构如上图，是典型的 N 沟道 MOSFET，几个这样的单元组成一个可以 存储 1bit 数据的基础闪存单元，称为 SLC。 SLC 和 MLC 这样在 NAND Flash 的底层存储上就引出了两种不同的模式，SLC（Single Level Cell）和 MLC（Multi Levels Cell），它们之间各有

9、优缺点，现在在各类产品中都有采用。 Intel 的 X25-E 应用 SLC，X25-M 则使用了 MLC，下面这样表格可以较为直观的展示出他们性能区别。SLC NAND FlashMLC NAND FlashRandom Read25 s50 s Erase2ms per block2ms per block Programming250 s900 sSLC 的一个 Flash 存储单元只有两种电荷值，高低不同的电荷值表明 0 或者 1，因为只需要一组高 低电压就可以区分出 0 或者 1 信号，所以 SLC 最大的驱动电压可以做到很低。SLC 结构简单，用一组变 化电压驱动，速度很快同时寿命

10、较长也更为可靠，不过这种一个 Block 只存储一组数据的模式无法在 相同的晶圆面积上实现较高的存储密度，存储容量提高完全依赖芯片工艺的提升。MLC 故名思义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），这样就可以将原本 SLC 的记录密度理论提升一倍。因为电 压变化更频繁，所以 MLC 技术的 Flash 在寿命方面远劣于 SLC，同时它的读写速度不如 SLC，一个 Block 存储两组位数据，自然需要更长的时间，这里面还有电压控制、CRC 写入方式等因素需要考虑。SLC 和 MLC 电压驱动的存储能力区别显而易

11、见，SLC 在寿命和性能方面拥有独特的优势，不过需要更好的工艺制程才能拥有较大的容量。 而 MLC 虽然在容量方面有先天的优势，但在速度和寿命方面存在先天的不足。这就区格了它们的应用， SLC 用在不计成本追求速度和可靠性的企业级产品中，MLC 更适合在消费级产品中部署。SSDSSD 固态硬盘的主控详解固态硬盘的主控详解 对于固态硬盘来说，影响其性能的主要有 3 个部分，一是主控，这也是 SSD 产品最核心的部分；二是 NAND Flash 芯片，主要分为 SLC 于 MLC 两种；还有就是缓存。总体来说， 主控芯片性能的高低是影响 SSD 性能的最主要因素，很多玩家认为 NAND Flash

12、 芯片类型才是决定性的， 实际上这是一个误区，一款优秀的主控芯片即便配上相对廉价的 MLC 闪存，其性能也要优于较低的主 控芯片搭配 SLC 闪存。 JmicronJmicron 主控（山寨主控（山寨 SSDSSD 最常用）最常用） 提到 Jmicron 主控，相信不少用户都记忆犹新，在最开始 SSD 普遍偏贵的时候，不少山寨 SSD 相继问世，并且价格非常低，他们就是采用了 Jmicron 推出的 JMF602 芯片。早期 JMF602A 持续读取 143MB/s，写入 93MB/s，后来改良的 JMicron JMF616 方案最高读 取速度 270MB/s，写入 210MB/s，持续写入

13、 130MB/s，随机读写 20000IOPS。JMicronJMF612 主控芯片 IntelIntel 主控主控 而目前市场上代表着 SSD 主控最顶尖水平的，莫过于 Intel 和 SandForce 两家。先 来介绍一下 Intel，这家半导体业的统治者拥有无比强大的技术实力。也许它想做什么都没有做不好的 吧。由于其在芯片组南桥的开发过程中积累了丰厚的磁盘控制器经验，其固态硬盘控制器产品异常优 秀，算法和固件都很先进，实际性能也非常强大。英特尔主控芯片特写 SandForceSandForce 主控主控 SandForce 则是目前业内唯一能在 SSD 技术上与 Intel 抗衡的企业

14、，尽管其在 去年才发布首款 SF-1500/SF-1200 主控，但是其优秀的性能使其产品已经推出便狂收追捧，其独有的 Dual Class 技术将 MLC SSD 的性能和寿命都大幅提高，其企业级产品 SF-1500 主控可以提供 5 年质保。而刚刚发布的 SF-2200 系列主控更是将性能达到极致，其读取 550MB/s，写入 520MB/s，4KB 随机 写入 60000 IOPS，采用 SATA 6Gbps 接口。SandForce 固态硬盘主控芯片 MarvellMarvell 主控主控 Marvell 主控是首款支持 SATA 6Gbps 接口的芯片，最早问世的产品为美光 C300

15、 系列，内部使用基于 ARM 架构的处理核心，支持 32-bit 队列深度的 NCQ、支持 S.M.A.R.T 功能、原生 支持微软的 Trim 指令以及第三方的 Secure Erase 等等特性。镁光 C300 固态硬盘主控芯片SSDSSD 固态硬盘的发展方向和普及时间固态硬盘的发展方向和普及时间 虽然说硬盘现在还占据市场的大半江山，但是随着用户需求的 不断变化，硬盘由于自身的结构不能够满足这些变化，进而开始流失疆土。比如新兴的平板电脑就无 法选择机械硬盘，因为机械硬盘体积和重量大、噪音大、耗电量大等不足，就已经被抛弃。当然，这 只是一小部分需求，不过从发展趋势看，硬盘的未来注定是要退居二

16、线的。SanDisk 发布 integrated SSD上图是 SanDisk 发布的一种新的嵌入式硬盘“integrated SSD”(iSSD)，体积比一张普通邮票还 要小，但是依然有相当高的容量和性能。SanDisk iSSD 使用小型 BGA 封装、支持 SATA 接口标准的固态 硬盘产品，尺寸仅为 16201.85 毫米，重量不到 1 克，可以直接焊接在任何主板上，用于下一代移 动计算平台，并兼容所有现代操作系统。由此可见，固态硬盘依然凭借其独特的构造还会扮演者越来越多的角色，而这些都是机械硬盘所 无法达到了。而且随着移动互联网的发展普及，越来越多的无线终端推出，如苹果的 Iphone2、iPad 等等，这些都会采用 SSD 作为存储介质，势必会增加 SSD 硬盘的占有率，再加上他们有抗震、节能的 特性，可以大大增加终端的使用时间。至于普及时间，其实 SSD 固态硬盘在 2011 年已经呈现爆炸性的增长，主要集中在小容量产品方面。 多数用户选择 40GB 或者 60GB 固态硬盘安装