曉林電腦分享給大家固態(tài)硬盤(pán)的存儲技術(shù)原理
固態(tài)驅動(dòng)器( SSD )是一種固態(tài)存儲設備，它使用集成電路組件來(lái)持久存儲數據，通常使用閃存，并在計算機存儲層次結構中用作輔助存儲。它有時(shí)也被稱(chēng)為半導體存儲設備、固態(tài)設備或固態(tài)磁盤(pán)，盡管 SSD 缺少硬盤(pán)驅動(dòng)器 (HDD)中使用的物理旋轉磁盤(pán)和可移動(dòng)讀寫(xiě)頭和軟盤(pán)。
與機電驅動(dòng)器相比，SSD 通常更能抵抗物理沖擊、無(wú)聲運行，并且具有更高的IOPS和更低的延遲。 SSD 將數據存儲在半導體單元中。截至 2019 年，單元格可以包含 1 到 4位數據。SSD 存儲設備的屬性根據每個(gè)單元中存儲的位數而有所不同，單比特單元（“單級單元”或“SLC”）通常是最可靠、耐用、快速和昂貴的類(lèi)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)存儲數據，而不是在單元中存儲電荷，而由RAM制成的 SSD可用于高速，當斷電后數據保持不需要，或者在其常用電源不可用時(shí)可以使用電池電源來(lái)保留數據。混合驅動(dòng)器或固態(tài)混合驅動(dòng)器(SSHD)，例如將 SSD 和 HDD 的功能結合在同一單元中，同時(shí)使用閃存和 HDD，以提高頻繁訪(fǎng)問(wèn)數據的性能。允許純粹在軟件中實(shí)現類(lèi)似的效果，使用專(zhuān)用的常規 SSD 和 HDD 的組合。
如果長(cháng)時(shí)間不通電，基于NAND閃存的SSD會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移慢慢泄漏電荷。這會(huì )導致磨損的驅動(dòng)器（已超過(guò)其耐用等級）通常在存儲一年（如果存儲在 30°C）到兩年（如果存儲在 25°C）后開(kāi)始丟失數據；對于新驅動(dòng)器，它需要更長(cháng)的時(shí)間。因此，SSD 不適合歸檔存儲。3D XPoint可能是此規則的一個(gè)例外；它是一種相對較新的技術(shù)，具有未知的長(cháng)期數據保留特性。
SSD 可以使用傳統的 HDD 接口和外形尺寸，或者利用 SSD 中閃存的特定優(yōu)勢的更新接口和外形尺寸。傳統接口（例如SATA和SAS）和標準HDD外形尺寸允許此類(lèi) SSD 用作計算機和其他設備中 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(chēng)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)入次數有限，并且在達到其全部存儲容量時(shí)也會(huì )變慢。
企業(yè)級閃存驅動(dòng)器( EFD ) 專(zhuān)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用而設計。在大多數情況下，與通常用于筆記本電腦的 SSD 相比，EFD 是具有更高規格的SSD。EMC 于 2008 年 1 月首次使用該術(shù)語(yǔ)，以幫助他們識別能夠提供符合這些更高標準的產(chǎn)品的 SSD 制造商。沒(méi)有控制 EFD 定義的標準機構，因此任何 SSD 制造商都可以聲稱(chēng)生產(chǎn) EFD，而實(shí)際上產(chǎn)品實(shí)際上可能不滿(mǎn)足任何特定要求。
(OLTP)等寫(xiě)入密集型應用需要高耐用性的服務(wù)器和存儲平臺進(jìn)行了優(yōu)化。PX02SS 系列采用 12 Gbit/s SAS 接口，采用 MLC NAND 閃存，隨機寫(xiě)入速度高達 42,000 IOPS，隨機讀取速度高達 130,000 IOPS，耐久性等級為每天 30 次驅動(dòng)器寫(xiě)入 (DWPD)。
基于 3D XPoint 的 SSD 具有更高的隨機性（更高的 IOPS），但比其 NAND 閃存對應物更低的順序讀/寫(xiě)速度。它們的 IOPS 最高可達250 萬(wàn)。
使用其他持久內存技術(shù)的驅動(dòng)器
架構和功能
SSD 的關(guān)鍵組件是控制器和存儲數據的內存。SSD 中的主要內存組件傳統上是DRAM易失性?xún)却妫?2009 年以來(lái)，它更常見(jiàn)的是NAND閃存非易失性?xún)却妗?/span>
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 內存組件連接到主機的電子設備。控制器是執行固件級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)行錯誤檢測和糾正，例如BCH碼
· 垃圾收集
· 總計清理和總計干擾管理
· 磨損均衡
SSD 的性能可以隨著(zhù)設備中使用的并行 NAND 閃存芯片的數量而擴展。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，約 250 μs 將IO 緩沖區中的 4 KiB 頁(yè)面提交到寫(xiě)入時(shí)的陣列，約 2ms 可擦除 256 KiB 塊）。當多個(gè) NAND 設備在 SSD 內并行運行時(shí)，帶寬會(huì )擴展，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載在設備之間均勻分布。
美光和英特爾最初通過(guò)在其架構中實(shí)施數據條帶化（類(lèi)似于RAID 0）和交錯來(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繼續利用這種并行閃存連接，發(fā)布了消費級 SATA 6 Gbit /s SSD 控制器，支持 500 MB/s 讀/寫(xiě)速度。 SandForce控制器在將數據發(fā)送到閃存之前對其進(jìn)行壓縮。此過(guò)程可能會(huì )導致更少的寫(xiě)入和更高的邏輯吞吐量，具體取決于數據的可壓縮性
