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SSD固态硬盘结构:主控算法、固件、NAND闪存

升级SSD不仅是性能上的小幅度提升,SSD将利用具有革命性的随机访问速度、卓越的多任务处理能力、杰出的耐久度及可靠性来改变您的电脑使用体验。

作者:佚名来源:数据恢复与电子取证实验室|2018-06-21 08:48

SSD固态盘是这些年在存储技术上重大进步,它带来了电脑主存储颠覆性地改变。升级SSD不仅是性能上的小幅度提升,SSD将利用具有革命性的随机访问速度、卓越的多任务处理能力、杰出的耐久度及可靠性来改变您的电脑使用体验。毫无疑问,SSD将是未来存储的主角。现将SSD组成、SSD相关技术及SSD的使用技巧等进行简单介绍,帮助更多的用户了解什么是真正的SSD。

我们先了解最基本的SSD组成主要部件,主控芯片、NAND闪存芯片及固件算法。

SSD速度上远抛开机械硬盘:

传统的机械硬盘(HDD)运行主要是靠机械驱动头,包括马达、盘片、磁头摇臂等必需的机械部件,它必须在快速旋转的磁盘上移动至访问位置,至少95%的时间都消耗在机械部件的动作上。

SSD却不同机械构造,无需移动的部件,主要由主控与闪存芯片组成的SSD可以以更快速度和准确性访问驱动器到任何位置。传统机械硬盘必须得依靠主轴主机、磁头和磁头臂来找到位置,而SSD用集成的电路代替了物理旋转磁盘,访问数据的时间及延迟远远超过了机械硬盘。SSD有如此的“神速”,完全得益于内部的组成部件:主控--闪存--固件算法。

主控、闪存及固件算法三者的关系:

SSD最重要的三个组件就是NAND闪存,控制器及固件。NAND闪存负责重要的存储任务,控制器和固件需要协作来完成复杂且同样重要的任务,即管理数据存储、维护SSD性能和使用寿命等。

主控:

控制器是一种嵌入式微芯片(如电脑中CPU),其功能就像命令中心,发出SSD的所有操作请求----从实际读取和写入数据到执行垃圾回收和耗损均衡算法等,以保证SSD的速度及整洁度,可以说主控是SSD的大脑中枢。

目前主流的控制器有Marvell、SandForce、Samsung、Indilinx四家:

Marvell是性能速度强悍,各方面都很强劲,代表型号为Marvell 88SS9187主控,运用在浦科特、闪迪、英睿达等品牌的SSD上。

SandForce的性能也不错,它的特点是支持压缩数据,比如一个10M的可压缩数据可能被他压成5M的写入硬盘,但还是占用10M的空间,可以提高点速度,最大的特点是会延长SSD的寿命,但是CPU占用会高点而且速度会随着硬盘的使用逐渐小幅度降低。代表型号为SF-2281,运用在包括Intel、金士顿、威刚等品牌的SSD上。

Samsung主控一般只有自家的SSD上使用,性能上也是很强悍的,不会比Marvell差多少。目前三星主控已经发展到第五代MEX,主要运用在三星840EVO上。

Indilinx被OCZ收购后,主要运用在OCZ的SSD上,拥有不错的综合读写性能,代表型号为Barefoot 3。

固件算法:

SSD的固件是确保SSD性能的最重要组件,用于驱动控制器。主控将使用SSD中固件算法中的控制程序,去执行自动信号处理,耗损平衡,错误校正码(ECC),坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备(如电脑)通信,以及执行数据加密等任务。由于固件冗余存储至NAND闪存中,因此当SSD制造商发布一个更新时,需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。

开发高品质的固件不仅需要精密的工程技术,而且需要在NAND闪存、控制器和其他SSD组件间实现完美整合。此外,还必须掌握NADN特征、半导体工艺和控制器特征等领域的最先进的技术。固件的品质越好,整个SSD就越精确,越高效,目前具备独立固件研发的SSD厂商并不多,仅有Intel/英睿达/浦科特/OCZ/三星等厂商。

NAND闪存:

SSD用户的数据全部存储于NAND闪存里,它是SSD的存储媒介。SSD最主要的成本就集中在NAND闪存上。NAND闪存不仅决定了SSD的使用寿命,而且对SSD的性能影响也非常大。NAND闪存颗粒结构及工作原理都很复杂,接下来我们会继续推出系列文章来重点介绍闪存,这里主要来了解一下大家平常选购SSD经常接触到的SLC、MLC及TLC闪存。

SLC/MLC/TLC闪存:

种闪存状态(图片来自网络)

这几年NAND闪存的技术发展迅猛同,从企业级标准的SLC闪存到被广泛运用在消费级SSD上的MLC闪存再到目前正在兴起的TLC闪存,短短时间里,我们看到NAND技术显著进步。对SLC、MLC及TLC闪存怎么理解呢?简单来说,NAND闪存中存储的数据是以电荷的方式存储在每个NAND存储单元内的,SLC、MLC及TLC就是存储的位数不同。

单层存储与多层存储的区别在于每个NAND存储单元一次所能存储的“位元数”。SLC(Single-Level Cell)单层式存储每个存储单元仅能储存1bit数据,同样,MLC(Multi-Level Cell)可储存2bit数据,TLC(Trinary-Level)可储存3bit数据。一个存储单元上,一次存储的位数越多,该单元拥有的容量就越大,这样能节约闪存的成本,提高NAND的生产量。但随之而来的是,向每个单元存储单元中加入更多的数据会使得状态难以辨别,并且可靠性、耐用性和性能都 会降低。

闪存的类型各自有优缺点,如何在保证SSD的性能,耐久度,寿命的前提下,提高存储密度,增大SSD的容量,降低SSD的制造成本,这才有可能迎来下一个个人存储革命的开端。

总结:SSD带来极速体验的前提是拥有着非常复杂的技术在支撑,并不同机械硬盘通电即使用,SSD需要正确地使用方法及后期更多的维护,而这些的基础是您对SSD有足够的了解,我们将继续探讨神秘的SSD技术。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】


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