1、 SSD固態硬盤論文課 程專 業班 級成 員 完成日期年 月 摘 要 固態硬盤用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲單元（FLASH芯片、DRAM芯片）組成。固態硬盤的接口規范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致。 本文就固態硬盤的由來，發展以及物理原理介紹，并簡要科普市面上常見的固態硬盤，以及對現代超級筆記本的推進作用和前景猜想。關鍵字：固態硬盤；原理簡介；前景猜想； ABSTRACT Solid-state drives made of hard disk storage chip array and solid state e

2、lectronics, by the control unit and storage list < (FLASH chip, DRAM chips). SSD interface specification and on the definition, function and method of use with exactly the same as that of common hard disk on the product shape and size are fully consistent with the ordinary hard disk.In this paper

3、, the origin of the solid-state drives, development as well as the physical principle is introduced, and briefly popular science common solid-state drives on the market, and promote the modern super notebook and prospects.Key words：Solid-state drives; Introduction of principle; Prospects for guess；

4、1 引言固態硬盤（Solid State Drives），簡稱固盤，是用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，其芯片的工作溫度范圍很寬,商規產品（070）工規產品（-4085）。半導體硬盤SSD由NAND閃存、NAND控制器以及用在緩存的DRAM所構成。在SSD中，壞塊處理、糾錯編碼及單元調整等處理都有NAND控制器的內存轉換層來執行。SSD的性能不僅取決于NAND閃存的性能，而且在很大程度上還會受到NAND控制器算法的影響。因此，在優化NAND控制器的設計時，需要考慮到NAND內存的特性。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場。由于固態硬盤技術與傳統硬盤技術不同，所以產生了不少新興的存儲器廠

5、商。廠商只需購買NAND存儲器，再配合適當的控制芯片，就可以制造固態硬盤了。新一代的固態硬盤普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、MSATA接口和CFast接口。 目前SSD開始逐步應用與計算機存儲中，突破機械硬盤對傳輸速度的限制，涌現出一批“超級本”等新興電子產品，改變人們的生活。 2 正文2.2 固態硬盤發展歷程1956年，IBM公司發明了世界上第一塊硬盤。1968年，IBM重新提出“溫徹斯特”（Winchester）技術的可行性，奠定了硬盤發展方向。1970年，StorageTek公司(Sun StorageTek)開發了第一個固態硬盤驅動器。1989年，世界上第一款固態硬盤出現。

6、2006年3月，三星率先發布一款32GB容量的固態硬盤筆記本電腦，2007年1月，SanDisk公司發布了1.8寸32GB固態硬盤產品，3月又發布了2.5寸32GB型號。2007年6月，東芝推出了其第一款120GB固態硬盤筆記本電腦。2008年9月，憶正MemoRight SSD的正式發布，標志著著中國企業加速進軍固態硬盤行業。2009年，SSD井噴式發展，各大廠商蜂擁而來，存儲虛擬化正式走入新階段。2010年2月，鎂光發布了全球首款SATA 6Gbps接口固態硬盤，突破了SATAII接口300MB/s的讀寫速度。2012年，蘋果公司在筆記本電腦上應用容量為512G的固態硬盤。12012年7月

7、 ，Goldendisk 深圳云存科技推出全球第一款體積最小的CFast固態硬盤。2.2 固態硬盤的存儲介質SSD包括兩種存儲介質： 一種是閃存（FLASH芯片）。另外一種是DRAM。它們的特點如下：特性類型存儲介質存儲特性接口應用方式使用范圍閃存（FLASH芯片）FLASH芯片（NAND Flash）非易失性存儲器（NVRAM，永久性存儲器）IDE和Serial ATA、PCI-E等筆記本硬盤、微硬盤、存儲卡、U盤等個人DRAMDRAM（動態隨機存取存儲器，如：SDRAM）非永久性存儲器（需獨立電源維持）工業標準的PCI和FC接口、DIMMSSD硬盤和SSD硬盤陣列兩種服務器基于閃存的固態硬

8、盤（非易失性隨機存儲器、永久性存儲器）： 采用FLASH芯片作為存儲介質，這也是我們通常所說的SSD，適合于個人用戶使用，有筆記本硬盤、微硬盤、存儲卡、U盤等樣式。和易失性存儲器相比，作為非易失性存儲器的閃存盤一經寫入數據，就不需要外界電力來維持其記憶。因此更適于作為傳統硬盤的替代品。非易失性隨機存儲器（Non-Volatile Random Access Memory，NVRAM）的數據訪問速度介于易失性存儲器和傳統硬盤之間。其特性類同ROM，只不過它不但可讀，也是可寫的。 其主體其實就是一塊PCB板，上面有控制芯片（不同的主控可致性能相差數十倍），緩存芯片（部分低端硬盤無緩存芯片）和用于存

9、儲數據的閃存芯片等。Flash分有兩種：NAND flash和NOR flash。NAND Flash是最常見的非易失性存儲器，小容量的NAND閃存用于閃存盤（U盤）。目前用來生產固態硬盤的NAND Flash有三種：分別是單層式存儲（SLC, Single Level Cell），多層式存儲（MLC, Multi Level Cell，但通常只用來指稱兩層式存儲），三層式存儲（TLC, Triple-Level Cell）。SLC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，可以經受10萬次的讀寫。但它的成本最高。 MLC理論比SLC的記錄密度理論提升一倍，官方給出的可擦寫次數僅

10、為1萬次,但是一般為3000 - 10000次。固態硬盤的主流從SLC芯片轉到MLC芯片，促成了2011年的大降價，固態硬盤因此普及。TLC容量達到MLC的1.5倍，其價格較之MLC閃存最大降低50%，制造工藝僅次于MLC，高于SLC，使命壽命僅有500 -1000次,理論上的讀寫速度最慢。TLC速度較慢但成本低，原本只用來做U盤的TLC也開始作為低級廉價市場的主力。 三種NAND Flash簡單對比如下：特性類型讀寫速度比使用壽命比可讀寫次數存儲層式成本需要糾錯比特數即ECC（同一制程下之比）SLC46100000單層高低（1）MLC233000-10000多層（雙層）中中（2）TLC125

11、00-1000三層低高（4）基于DRAM的固態硬盤（易失性隨機存儲器，非永久性存儲器）： 采用 DRAM作為存儲介質，屬于比較非主流的設備，與PC的內存、顯存同類同性，屬性于隨機訪問存儲器。具有使用壽命很長、訪問速度快的特點，美中不足的是需要獨立電源來保護數據安全。 因為這類存儲器需要靠外界電力（獨立電源）維持其記憶，所以由易失性存儲器制成的固態硬盤主要用于臨時性存儲。當電源意外中斷時，靠電池驅動的這類固態硬盤可以有足夠的時間將數據轉移到傳統硬盤中。當電力恢復后，再從傳統硬盤中恢復數據。2.3 固態硬盤與機械硬盤儲存原理 機械硬盤（HDD）的基本工作原理。當機械硬盤需要讀寫數據時，將會接到指令

12、，然后磁頭會移動到相應位置，盤片也會轉動以便讓數據發生操作的區域到達指定位置。這些動作所需要的時間就是尋道時間和潛伏周期，由于需要發生裝置的移動，這些過程都需要幾毫秒的時間。 這是由于操作系統的讀寫機制造成的：硬盤被分為若干個區域作為最基本的操作單位，這個單位被叫做“扇區”，當一個新數據寫入時，會選擇一個或幾個扇區進行數據寫入，這些扇區的位置都是挨著的，從邏輯上說它們是連續的，無論在讀取還是寫入的時候所需時間都比較短。而問題的關鍵在于：所有數據都不是在建立之后就永遠放在那里不會改變了，當原先寫入的數據修改時，比如增加內容、數據量加大，而緊挨著原有扇區的位置已經有了其他數據，這些新數據就要寫入到

13、其他位置去，那么我們在操作系統中看到的一個文件，在實際物理地址上并不是連續的，那么在再次讀取該文件時，磁盤要進行的工作量就會加大，在最惡劣的情況，磁頭和盤片會進行多次移動和轉動，最后的工作時間也是成倍的增加。隨著單位面積存儲容量的提高，我們可以享用到更高容量的硬盤，但是讀寫數據的速度上并沒有太大突破。因為決定尋道時間、潛伏周期的關鍵因素：磁頭移動速度和磁盤轉動速度都已經接近了極限，繼續增加會帶來其他不利因素：比如成本增加、噪音、溫度的增加等等。 機械硬盤的物理構造 SSD的系統接口、供電部分，以及驅動方式都與HDD沒有差別，其主要改變是構成單元和物理工作方式。SSD的內部構造包括PCB板、主控

14、制器芯片和閃存芯片，有些產品還會有緩存。SSD最基本的單位就是閃存芯片，英文名字叫做Nand Flash，這是一種非易失性內存芯片，通過充電、放點的方式寫入和擦除數據，速度相當快。由于在讀寫操作中完全通過電路來傳輸信號，因此不會存在類似HDD那樣移動磁頭、旋轉盤片等動作，因此大大減少了處理時間。然而，Nand Flash也分為幾種，目前消費級SSD甚至不少企業級SSD都是用MLC（多層單元）閃存，這種閃存的寫入性能不如SLC（單層單元）閃存，壽命也較之短很多，但是價格要低很多。就算這樣，目前SSD的成本也沒有降低到人人都能接受的程度，價格仍然是影響SSD進一步普及的障礙。 一塊SSD是由多個N

15、and flash閃存顆粒組成的，我們可以將每一個閃存顆粒看作是一個獨立的存儲單位，然后由主控制器將他們做了一個RAID并聯。也就是說SSD的讀寫是“多線程”的，每次的工作并不會只局限于一個顆粒之上，主控可以讓數據分解并同時在不同顆粒上進行寫入，這樣以來速度自然會更快了。這也是SSD速度快的原因之一。當然，主控要做的事情遠非這么簡單。 Nand Flash的晶圓2.4 固態硬盤的主控器 SSD閃存也是有最小操作單元的，和機械硬盤相比，Nand Flash的一個比較特殊的區別是寫入與擦出操作最小單位不同，寫入最小單位為4KB,這個4KB大小的單元稱之為“頁”（Page），而擦除則為512KB，叫

16、做“塊”（Block）。也就是說，在空白單元上寫入，可以以頁為單位來進行，但是若要刪除這個數據，就需要將整個塊進行擦除操作。并且當有一個塊中的數據需要刪除時，會先對需要刪除的數據進行標記而非真正物理擦出，然后當再次需要在同一物理位置寫入之時，會將有效數據保留，復制到新的塊上，然后擦寫原來的塊。聽起來似乎很復雜，簡單的說，SSD的寫入機制就是原本需要寫入1MB大小的數據，實際操作量是會大于這個數值的，具體是多少，就要看主控制器的算法是否具備高效率，而實際隨機寫入速度則取決于運算速度是否夠快。和HDD的相同之處是，SSD也需要邏輯地址來管理，然而操作系統的邏輯地址最小單位是512B，SSD的最小寫

17、入單位則是4KB，這其中就需要CPU、芯片組和主控制器依次工作。除此之外，主控制器還要負責分配每個閃存芯片的任務量，全盤閃存狀態的監控，各個塊的管理，數據校驗等等，工作相當多而繁雜，這也是為什么在一些新主控上會使用到ARM雙核心處理器，因為主控的性能會直接影響到SSD的速度。2.5 固態硬盤的優勢 讀寫速度快：采用閃存作為存儲介質，讀取速度相對機械硬盤更快。固態硬盤不用磁頭，尋道時間幾乎為0。持續寫入的速度非常驚人，固態硬盤廠商大多會宣稱自家的固態硬盤持續讀寫速度超過了500MB/s！固態硬盤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盤的終極奧義，這最直接體現在絕大部分的日常操作中

18、。與之相關的還有極低的存取時間，最常見的7200轉機械硬盤的尋道時間一般為12-14毫秒，而固態硬盤可以輕易達到0.1毫秒甚至更低。 防震抗摔性：傳統硬盤都是磁碟型的，數據儲存在磁碟扇區里。而固態硬盤是使用閃存顆粒（即mp3、U盤等存儲介質）制作而成，所以SSD固態硬盤內部不存在任何機械部件，這樣即使在高速移動甚至伴隨翻轉傾斜的情況下也不會影響到正常使用，而且在發生碰撞和震蕩時能夠將數據丟失的可能性降到最小。相較傳統硬盤，固態硬盤占有絕對優勢。 低功耗：固態硬盤的功耗上要低于傳統硬盤。 無噪音：固態硬盤沒有機械馬達和風扇，工作時噪音值為0分貝。基于閃存的固態硬盤在工作狀態下能耗和發熱量較低（但

19、高端或大容量產品能耗會較高）。內部不存在任何機械活動部件，不會發生機械故障，也不怕碰撞、沖擊、振動。由于固態硬盤采用無機械部件的閃存芯片，所以具有了發熱量小、散熱快等特點。 工作溫度范圍大：典型的硬盤驅動器只能在5到55攝氏度范圍內工作。而大多數固態硬盤可在-1070攝氏度工作。固態硬盤比同容量機械硬盤體積小、重量輕。固態硬盤的接口規范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同，在產品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。其芯片的工作溫度范圍很寬（-4085攝氏度）。 輕便：固態硬盤在重量方面更輕，與常規1.8英寸硬盤相比，重量輕20-30克。2.6 固態硬盤的發展趨勢 一、SSD將會取代傳統機械硬盤

20、大家都知道機械硬盤的讀寫速度跟SSD比那是天壤之別，并且現在的機械硬盤的腳步已經放緩了，遠沒有SSD發展的腳步那么快，并且機械硬盤受制于自身的機械機構，在性能和容量上很難有進一步的發展，所以必然會被SSD所取代。 二、SSD的閃寸工藝越來越小 容量將逐漸增大 如今現在的閃存工藝已經做的越來越小了，影馳的Thunder GT系列采用的是19 nm TYPEB的閃存，技術發展的非常之快，而隨著閃存的工藝制程的越來越先進，這也意味著SATA接口的固態硬盤的容量將會越來越大。 三、SSD的尺寸將越來越小 如今SSD的尺寸大小都是在2.5英寸的居多，而市面上的SSD會有一小部分采用了1.8英寸的硬盤尺寸，而隨著工藝制程的越來越先進，1.8英寸或者更小尺寸的SSD將會逐漸代替2.5英寸大小的SSD。 四、將會使用TLC閃存顆粒 大家都知道，現在的SSD用的閃存分為SLC、MLC、TLC，而MLC以及SLC相對于TLC來說有更長的壽命以及更快