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談談 SSD硬碟的前世今生

前言:多少年以來,我們裝在電腦機箱裏面的硬碟都是磚塊形狀的機械硬碟。然而時至今日,硬碟的發展卻明顯落後於其它硬體,逐漸成為電腦性能的瓶頸之一。直到SSD固態硬碟的出現,才讓硬碟真正進入到高速發展的時代。

在SSD固態硬碟蓬勃發展的當下,我們也有必要更新下對其的認識了吧。

話說當年IBM公司1956年發明的世界上第一塊硬碟,僅有5MB的存儲空間,卻由50多塊24英寸的碟片組成,所佔體積在現今人對電腦的理解來看就是不可想象的。但傳統硬碟,也就是機械硬碟的主要物理結構就是從那時確定,並一直沿用至今。

世界上第一塊硬碟,由於年代久遠,僅有黑白照片

機械硬碟必須有類似老式黑膠留聲機一般的機械結構,磁頭,懸架,轉軸和盤片。因此遺憾的是,由於機械結構的存在,硬碟不能像CPU那樣透過改進製造工藝, 在一定的空間內放置更多的晶體管提高性能。經過50多年的風風雨雨,目前硬碟的主軸轉速基本沒有太大的提高空間了,主流的7200RPM也不知道多久沒有 提高了。

後來SSD出現了

在上世紀七十年代,StorageTek公司(現在的Sun StorageTek)開發了第一個固態硬碟驅動器。早期固態硬碟的缺陷如價格昂貴、性能不穩定,以及當時高性能市場需求尚未崛起,致使它來去匆匆無聲無息。世界上第一款固態硬碟出現於1989年, 不過由於其價格過於高昂因此在當時隻限應用於非常特別的市場比如醫療、工作以及軍用市場。實際上雖然當時其1M大小的閃存換算下來的價格已經達到了 3500美元,但是其性能卻要遠低於當時的普通硬碟產品,不過憑藉其獨有的特性卻使得閃存硬碟在軍用、航空以及醫療領域穫得了長足的發展。自從07年七月 IBM在其刀片式伺服器上部署 SanDisk SSD,固態硬碟再一次走進人們的視線。

所以SSD固態硬碟早已不是個新生事物,算起來也有23歲了。如果以人類年齡來估算,固態硬碟應該也到了風華正茂的年華了吧,而事實上也正是這樣。

風華正茂:固態硬碟的今生

關於固態硬碟的概念大家想必都已經不在陌生了。SSD (Solid State Drive)中文就是:固態硬碟,SSD由控制單元和存儲單元(FLASH晶片)組成,簡單的說就是用固態電子存儲晶片陣列而制成的硬碟。目前的硬碟 (ATA 或 SATA)都是磁碟型的,數據就儲存在磁碟扇區裏,而固態硬碟數據則儲存在晶片裏。

固態硬碟目前目前主要有兩類:

1. 基於閃存的固態硬碟:採用FLASH晶片作為存儲介質,這也是我們通常所說的固態硬碟。它的外觀可以被制作成多種模樣,例如:筆記本硬碟、微硬碟、存儲卡、優盤等樣式。這種固態硬碟最大的優點就是可以移動,而且數據保護不受電源控制,能適應於各種環境,但是使用壽命不高,適合於個人用戶使用。

2.基於DRAM的固態硬碟:採用DRAM作為存儲介質,目前應用範圍比較窄。它倣傚傳統硬碟的設計、可被絕大部分作業系統的文件系統工具進行卷設定和管理,並提供工業標準的PCI和FC接口用於連接主機或者伺服器。它是一種高性能的存儲器,而且使用壽命很長,美中不足的是需要獨立電源來保護數據安全。

由於DRAM固態硬碟屬於比較非主流的設備,所以接下來我們談到的固態硬碟還是以基於閃存的固態硬碟,也就是大家比較容易購買、使用的產品為主。

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過去的2011年,各路固態硬碟廠商如雨後春筍般的冒了出來,如今有Intel、鎂光、OCZ、威剛、浦科特、金士頓、奧瑞科、金勝等數十家。各路品牌意味著市面上我們能夠買到的固態硬碟產品也是琳瑯滿目。

從上圖可以看到,固態硬碟的PCB板是由閃存顆粒、1顆控制晶片及1顆緩存晶片組成。所以主控晶片和閃存顆粒成為了固態硬碟的決定性因素(因為有些主控方案不需要緩存顆粒,因此緩存顆粒不構成決定性因素),也是我們消費者購買固態硬碟首先要考慮的。

NAND Flash閃存晶片又分為SLC(單層單元)和MLC(多層單元)NAND閃存:

1.SLC全稱是單層式儲存 (Single Level Cell),因為結構簡單,在寫入數據時電壓變化的區間小,所以壽命較長,傳統的SLC NAND閃存可以經受10萬次的讀寫。而且因為一組電壓即可驅動,所以其速度表現更好,目前很多高端固態硬碟都是都採用該類型的Flash閃存晶片。

2.MLC全稱是多層式儲存(Multi Leveled Cell),它採用較高的電壓驅動,透過不同級別的電壓在一個塊中記錄兩組位資訊,這樣就可以將原本SLC的記錄密度理論提升一倍。作為目前在固態硬碟中 應用最為廣泛的MLC NAND閃存,其最大的特點就是以更高的存儲密度換取更低的存儲成本,從而可以穫得進入更多終端領域的契機。不過,MLC的缺點也很明顯,其寫入壽命較 短,讀寫方面的能力也比SLC低,官方給出的可擦寫次數僅為1萬次。

除了MLC/SLC的區別,目前固態硬碟採用的閃存顆粒還有著25/34nm制程、同步/異步、ONFI/Toggle Mode等等不同。不同閃存顆粒數據傳輸率有著很大的差異,異步ONFI顆粒只有50MT/s(Intel或者Micron早期顆粒),同步ONFI 2.x顆粒則可以達到133MT/s ~ 200MT/s (Intel或者Micron顆粒),異步Toggly DDR 1.0顆粒也可以達到133MT/s ~ 200MT/s (TOSHIBA或者Samsung顆粒)。因此在通道數相同的前提下,閃存顆粒傳輸率更高的固態硬碟更容易突破500MB/s的持續讀 取速度。

固態硬碟的產品特性

除了我們常見的2.5英寸、SATA接口的固態硬碟以外,由於人們對存儲性能的不斷追求。更快更大的固態硬碟已經出現,OCZ在CES2012的展台就展 示了一片採用PCI-E 2.0 x16接口,搭載了16顆SandForce SF-2582主控晶片並配置了熱管散熱器,最高可支援總容量為16TB的NAND閃存晶片的固態硬碟。

OCZ展示16控制器版PCI-E固態硬碟

可以說固態硬碟做到了機械硬碟做不到的事情。因為固態硬碟的存儲介質是閃存晶片,因此符合摩爾定律,也就是說隨著時間的推移,晶片的價格會不斷下降,容量和性能卻會斷提升。這讓停滯了多年的機械硬碟垂直記錄技術情何以堪。

當下固態硬碟的特點

1、固態硬碟很快!的確,但是固態硬碟究竟快在哪裏?現在的固態硬碟廠商大多會宣稱自家的固態硬碟持續讀寫速度超過了500MB/s雲雲,這相對機械硬碟的100MB/s的速度著實是相當可觀的。

固態硬碟的快絕不僅僅體現在持續讀寫上,隨機讀寫速度快才是固態硬碟的終極奧義,這最直接體現在絕大部分的日常操作中。與之相關的還有極低的存取時間,目前機械硬碟最快也要14毫秒左右,而固態硬碟可以輕易達到0.1毫秒甚至更低。

2、其他物理特性,低功耗、無噪音、抗震動、低熱量 、體積小、工作溫度範圍大(-40~ +85℃ )。這些優勢機械硬碟都不具備,固態硬碟比機械硬碟還要耐用,更低溫、更抗震、更便攜。因此固體硬碟才能廣泛應用於軍事、車載、工業、醫療、航空等領域。

機械硬碟對比固態硬碟
產品
日立 Deskstar 7K1000.D
OCZ Solid 3 SATA III
容量
1TB
120GB
價格
750元
1300元
容價比
0.75元/GB
10.8元/GB

3、容價比低。這裡指的是容量和價格的比,相比機械硬碟,固態硬碟的容價比的確低得沒話說。如今1TB機械硬碟750元,平均0.75元/GB。120GB固態硬碟一般在1300元甚至更高,平均10.8元/GB。

4、壽命限制。固態硬碟閃存具有擦寫次數限制的問題,這也是許多人詬病其壽命短的所在。閃存完全擦寫一次叫做1次 P/E,因此閃存的壽命就以P/E作單位。34nm的閃存晶片壽命約是5000次P/E,而25nm的壽命約是3000次P/E。是不是看上去壽命更短 了?理論上是這樣沒錯,但隨著SSD固件算法的提升,新款SSD都能提供更少的不必要寫入量。再來一個具體的例子,一款120G的固態硬碟,要寫入 120G的文件才算做一次P/E。普通用戶誇正常使用,即使每天寫入50G,平均2天完成一次P/E,那麼一年就有180次P/E。大家可以自行計算 3000個P/E能用幾年,相信到那時候,固態硬碟早就被你換成別的什麼新奇玩意了。

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無論是Intel的超級本還是蘋果的新一代MBP/MBA都將搭載SSD而非HDD,這樣的趨勢會延續下去,但我們也必須看到,即便遭遇了水災的影響,傳統硬碟依舊是很多人首選。因此短期內,我們都會發現SSD和HDD會是共存共生的局面。不過說些題外話,身邊用過SSD的朋友可是表示他們再也無法接受 HDD了。

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