【知识】固态硬盘工作原理

xlysoft · 发表于 2015-8-28 11:10:16

固态硬盘（Solid State Drives）简称SSD，是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元组成。

分类

固态硬盘的存储介质分为两种：一种是闪存（FLASH芯片），另外一种是DRAM。

基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，主要由控制芯片，缓存芯片和闪存芯片构成。其中控制芯片主要承担数据调配、数据中转以及连接闪存芯片和外部SATA接口。缓存芯片主要用于辅助控制芯片进行数据处理。而闪存芯片则是用于数据读写。

此外，基于闪存的固态硬盘中存储单元又分：SLC(Single Level Cell）单层存储单元、MLC(Multi Leveled Cell）多层存储单元以及TLC( Triple-cell-per-bit)三层存储单元等。

在SLC架构中，每Cell可存储1bit数据， MLC架构中每Cell可以存储2bit数据，而TLC架构每Cell可以存储3 bit数据。

存储原理

Flash的最小存储单元是晶浮栅晶体管，对应于磁盘中的一个bit的存储单元。SSD中，在存储单元晶体管的栅（Gate）中，注入不同数量的电子，通过改变栅的导电性能，来改变晶体管的导通效果，从而实现对不同状态的记录和识别。在SLC架构中，栅中的电子数目多与少，带来的只有两种导通状态，对应读出的数据就只有0/1；MLC架构中，栅中电子数目不同时，可以读出多种状态，能够对应出00/01/10/11等不同数据。

因此，SSD数据处理都要进行加电处理，加电的过程等同于HDD硬盘的数据写入操作，断电的过程电位恢复，相当于HDD硬盘的擦除。数据完整的一次P/E循环就是NAND的写入循环。因为P/E循环次数是有限的，这也就直接影响到SSD的寿命。但是根据存储架构的不同，SDD的寿命也是有差别的。

由于SLC结构简单，在写入数据时电压变化的区间小，所以寿命较长，传统的SLC NAND闪存可以经受10万次的读写。而且因为一组电压即可驱动，所以其速度更好；而 MLC采用较高的电压驱动，通过不同级别的电压在一个块中记录两组位信息，这样就可以将原本SLC的记录密度理论提升一倍。不过，MLC的缺点也很明显，其写入寿命较短，读写方面的能力也比SLC低；.TLC采用三层存储单元，因此可以以较低的成本实现更大的容量。但是，由于TLC拥有多达8个电平状态，因此在电位控制上更加复杂，特别是写入速度会大受影响，延迟增加。加之众多的电平状态，其使用寿命更短。
基于DRAM的固态硬盘是采用DRAM作为存储介质，应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计，可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长。但是基于DRAM的固态硬盘的费用也是非常昂贵，因为基于DRAM的固态硬盘内部必须持续供电，而且还得为其做备份。

固态硬盘对比传统机械硬盘

优点：

1、固态硬盘没有风扇和机械马达，所以没有噪音。

2、快速随机读取，读取速度快。

3、启动快，没有电机加速旋转的过程。

4、固态硬盘比传统的硬盘工作温度范围大。普通的硬盘驱动器只能在5到55摄氏度范围内工作。而固态硬盘可在-10~70摄氏度工作，一些工业级的固态硬盘还可在-40~85摄氏度，甚至更大的温度范围下工作。

5、内部不存在机械活动因此不怕碰撞、冲击、振动。

6、相对固定的读取时间。由于寻址时间与数据存储位置无关，因此磁盘碎片不会影响读取时间。

缺点：

1、价格贵，当然随着现在技术的发展，SSD价格逐渐偏向亲民化，但是对比同等容量的HDD来说还是依然显贵。

2、普遍容量较低，这是相对HDD主流为TB级而言。当然不久前三星就发布了目前世界上容量最大的硬盘——16TB，且为SSD。虽然三星未公布它的价格，但不难想象对于我们普通用户来说，只有仰望的份了。

3、数据损坏难以恢复。一般的机械式硬盘如果发生损坏，通过数据恢复也许还能挽回一部分数据，但是如果是固态存储，一但芯片发生损坏，想要恢复几乎不可能。