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什么是固态硬盘?

攒机之家 / 2011-06-12



攒机之家 zgcdiy.com

机械硬盘同SSD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:


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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。

Intel 320测试
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。

SSD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、软件加载方面独具优势的原因。


SSD固态硬盘详解
游戏性能对比

  上图就是采用SSD固态硬盘后加载使命召唤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。

雾里看花 SSD何时能让硬盘俯首称臣  魔典 SSD固态硬盘测试
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 SSD Intel 600GB SSD
价格 370元 799元 1700元 7999元
容价比 0.37元/G 13.31元/G 13.28元/G 13.33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。

SSD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。


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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 Flash MLC NAND Flash
Random Read 25 µs 50 µs
Erase 2ms per block 2ms per block
Programming 250 µs 900 µs

  SLC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。

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SLC和MLC电压驱动的存储能力区别

  显而易见,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。

SSD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。

● Jmicron主控(山寨SSD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130MB/s,随机读写20000IOPS。


固态硬盘测试
JMicronJMF612主控芯片

Intel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。

 

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英特尔主控芯片特写

● SandForce主控

  SandForce则是目前业内唯一能在SSD技术上与Intel抗衡的企业,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。

实忆 240GB X8固态硬盘
SandForce固态硬盘主控芯片

● Marvell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。

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镁光C300固态硬盘主控芯片

SSD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线的。


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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16×20×1.85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Windows7操作系统和常用软件,而机械硬盘则是负责存储海量数据,两者各自发挥自有优势,使我们的系统平台达到了最高的性能。

  另外,随着制造工艺的提高,不过随着价格的不断下调,也会是SSD硬盘的生产成本不断降低。所以可以预见,未来2年内固态硬盘的价格会有大幅的下跌,不过仍然不会对机械硬盘产生太大的影响,两者同样是处在共存时期,相信这个时期会很长。





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