曉林電腦分享給大家固態(tài)硬盤(pán)的存儲(chǔ)技術(shù)原理
固態(tài)驅(qū)動(dòng)器( SSD )是一種固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備，它使用集成電路組件來(lái)持久存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通常使用閃存，并在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)中用作輔助存儲(chǔ)。它有時(shí)也被稱為半導(dǎo)體存儲(chǔ)設(shè)備、固態(tài)設(shè)備或固態(tài)磁盤(pán)，盡管 SSD 缺少硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 (HDD)中使用的物理旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)和可移動(dòng)讀寫(xiě)頭和軟盤(pán)。
與機(jī)電驅(qū)動(dòng)器相比，SSD 通常更能抵抗物理沖擊、無(wú)聲運(yùn)行，并且具有更高的IOPS和更低的延遲。 SSD 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在半導(dǎo)體單元中。截至 2019 年，單元格可以包含 1 到 4位數(shù)據(jù)。SSD 存儲(chǔ)設(shè)備的屬性根據(jù)每個(gè)單元中存儲(chǔ)的位數(shù)而有所不同，單比特單元（“單級(jí)單元”或“SLC”）通常是最可靠、耐用、快速和昂貴的類型，與2位和 3 位單元（“Multi-Level Cells/MLC”和“Triple-Level Cells/TLC”），最后是四位單元通過(guò)改變單元的電阻來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而不是在單元中存儲(chǔ)電荷，而由RAM制成的 SSD可用于高速，當(dāng)斷電后數(shù)據(jù)保持不需要，或者在其常用電源不可用時(shí)可以使用電池電源來(lái)保留數(shù)據(jù)?；旌向?qū)動(dòng)器或固態(tài)混合驅(qū)動(dòng)器(SSHD)，例如將 SSD 和 HDD 的功能結(jié)合在同一單元中，同時(shí)使用閃存和 HDD，以提高頻繁訪問(wèn)數(shù)據(jù)的性能。允許純粹在軟件中實(shí)現(xiàn)類似的效果，使用專用的常規(guī) SSD 和 HDD 的組合。
如果長(zhǎng)時(shí)間不通電，基于NAND閃存的SSD會(huì)隨著時(shí)間的推移慢慢泄漏電荷。這會(huì)導(dǎo)致磨損的驅(qū)動(dòng)器（已超過(guò)其耐用等級(jí)）通常在存儲(chǔ)一年（如果存儲(chǔ)在 30°C）到兩年（如果存儲(chǔ)在 25°C）后開(kāi)始丟失數(shù)據(jù)；對(duì)于新驅(qū)動(dòng)器，它需要更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，SSD 不適合歸檔存儲(chǔ)。3D XPoint可能是此規(guī)則的一個(gè)例外；它是一種相對(duì)較新的技術(shù)，具有未知的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保留特性。
SSD 可以使用傳統(tǒng)的 HDD 接口和外形尺寸，或者利用 SSD 中閃存的特定優(yōu)勢(shì)的更新接口和外形尺寸。傳統(tǒng)接口（例如SATA和SAS）和標(biāo)準(zhǔn)HDD外形尺寸允許此類 SSD 用作計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備中 HDD 的直接替代品。較新的外形尺寸，例如Msata、mSATA、M2、U2、、NF1、XFMEXPRESS 和EDSFF（以前稱為Ruler SSD）以及更高速度的接口，例如NVM Express (NVMe) 超過(guò)與HDD性能相比，PCI Express (PCIe) 可以進(jìn)一步提高性能。
SSD 的寫(xiě)入次數(shù)有限，并且在達(dá)到其全部存儲(chǔ)容量時(shí)也會(huì)變慢。
企業(yè)級(jí)閃存驅(qū)動(dòng)器( EFD ) 專為需要高 I/O 性能 (IOPS )、可靠性、能源效率以及最近的一致性能的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在大多數(shù)情況下，與通常用于筆記本電腦的 SSD 相比，EFD 是具有更高規(guī)格的SSD。EMC 于 2008 年 1 月首次使用該術(shù)語(yǔ)，以幫助他們識(shí)別能夠提供符合這些更高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的 SSD 制造商。沒(méi)有控制 EFD 定義的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，因此任何 SSD 制造商都可以聲稱生產(chǎn) EFD，而實(shí)際上產(chǎn)品實(shí)際上可能不滿足任何特定要求。
(OLTP)等寫(xiě)入密集型應(yīng)用需要高耐用性的服務(wù)器和存儲(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化。PX02SS 系列采用 12 Gbit/s SAS 接口，采用 MLC NAND 閃存，隨機(jī)寫(xiě)入速度高達(dá) 42,000 IOPS，隨機(jī)讀取速度高達(dá) 130,000 IOPS，耐久性等級(jí)為每天 30 次驅(qū)動(dòng)器寫(xiě)入 (DWPD)。
基于 3D XPoint 的 SSD 具有更高的隨機(jī)性（更高的 IOPS），但比其 NAND 閃存對(duì)應(yīng)物更低的順序讀/寫(xiě)速度。它們的 IOPS 最高可達(dá)250 萬(wàn)。
使用其他持久內(nèi)存技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器
架構(gòu)和功能
SSD 的關(guān)鍵組件是控制器和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存。SSD 中的主要內(nèi)存組件傳統(tǒng)上是DRAM易失性內(nèi)存，但自 2009 年以來(lái)，它更常見(jiàn)的是NAND閃存非易失性內(nèi)存。
控制器
每個(gè) SSD 都包含一個(gè)控制器，該控制器集成了將 NAND 內(nèi)存組件連接到主機(jī)的電子設(shè)備?？刂破魇菆?zhí)行固件級(jí)代碼的嵌入式處理器，是SSD 性能最重要的因素之一。控制器執(zhí)行的一些功能包括：
· 壞塊映射
· 讀寫(xiě)緩存
· 加密
· 加密粉碎
· 通過(guò)幻象碼（ECC）進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正，例如BCH碼
· 垃圾收集
· 總計(jì)清理和總計(jì)干擾管理
· 磨損均衡
SSD 的性能可以隨著設(shè)備中使用的并行 NAND 閃存芯片的數(shù)量而擴(kuò)展。由于狹窄的（8/16 位）異步I/O接口以及基本I/O 操作的額外高延遲（對(duì)于 SLC NAND 而言，通常需要 約25 ps從讀取時(shí)將陣列寫(xiě)入 I/O 緩沖區(qū)，約 250 μs 將IO 緩沖區(qū)中的 4 KiB 頁(yè)面提交到寫(xiě)入時(shí)的陣列，約 2ms 可擦除 256 KiB 塊）。當(dāng)多個(gè) NAND 設(shè)備在 SSD 內(nèi)并行運(yùn)行時(shí)，帶寬會(huì)擴(kuò)展，并且可以隱藏高延遲，只要有足夠的未完成操作待處理并且負(fù)載在設(shè)備之間均勻分布。
美光和英特爾最初通過(guò)在其架構(gòu)中實(shí)施數(shù)據(jù)條帶化（類似于RAID 0）和交錯(cuò)來(lái)制造更快的 SSD 。這使得在 2009 年可以使用 SATA 3 Gbit/s 接口創(chuàng)建具有 250 MB/s 有效讀/寫(xiě)速度的 SSD。兩年后，SandForce繼續(xù)利用這種并行閃存連接，發(fā)布了消費(fèi)級(jí) SATA 6 Gbit /s SSD 控制器，支持 500 MB/s 讀/寫(xiě)速度。 SandForce控制器在將數(shù)據(jù)發(fā)送到閃存之前對(duì)其進(jìn)行壓縮。此過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致更少的寫(xiě)入和更高的邏輯吞吐量，具體取決于數(shù)據(jù)的可壓縮性
