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DIY硬件菜鳥學(xué)堂:固態(tài)硬盤的前世今生

來源:pconline 更新日期:2012-02-19 作者:August

固態(tài)硬盤的前世今生

    前言:多少年以來,我們裝在電腦機(jī)箱里面的硬盤都是磚塊形狀的機(jī)械硬盤。然而時(shí)至今日,硬盤的發(fā)展卻明顯落后于其它硬件,逐漸成為電腦性能的瓶頸之一。直到SSD固態(tài)硬盤的出現(xiàn),才讓硬盤真正進(jìn)入到高速發(fā)展的時(shí)代。

    不過身邊很多人對SSD固態(tài)硬盤的認(rèn)識還停留在不穩(wěn)定、不安全、用久了會慢、超級貴等負(fù)面認(rèn)知上。事實(shí)是否就是如此呢?在SSD固態(tài)硬盤蓬勃發(fā)展的當(dāng)下,我們也有必要更新下對其的認(rèn)識了吧。

    二十三載:固態(tài)硬盤的前世

    話說當(dāng)年IBM公司1956年發(fā)明的世界上第一塊硬盤,僅有5MB的存儲空間,卻由50多塊24英寸的碟片組成,所占體積在現(xiàn)今人對電腦的理解來看就是不可想象的。但傳統(tǒng)硬盤,也就是機(jī)械硬盤的主要物理結(jié)構(gòu)就是從那時(shí)確定,并一直沿用至今。

SSD的歷史現(xiàn)在與未

世界上第一塊硬盤,由于年代久遠(yuǎn),僅有黑白照片

    機(jī)械硬盤必須有類似老式黑膠留聲機(jī)一般的機(jī)械結(jié)構(gòu),磁頭,懸架,轉(zhuǎn)軸和盤片。因此遺憾的是,由于機(jī)械架構(gòu)的存在,硬盤不能像CPU那樣通過改進(jìn)制造工藝,在一定的空間內(nèi)放置更多的晶體管提高性能。經(jīng)過50多年的風(fēng)風(fēng)雨雨,目前硬盤的主軸轉(zhuǎn)速基本沒有太大的提高空間了,主流的7200RPM也不知道多久沒有提高了。

SSD的歷史現(xiàn)在與未

后來SSD出現(xiàn)了

    在上世紀(jì)七十年代,StorageTek公司(現(xiàn)在的Sun StorageTek)開發(fā)了第一個(gè)固態(tài)硬盤驅(qū)動器。早期固態(tài)硬盤的缺陷如價(jià)格昂貴、性能不穩(wěn)定,以及當(dāng)時(shí)高性能市場需求尚未崛起,致使它來去匆匆無聲無息。世界上第一款固態(tài)硬盤出現(xiàn)于1989年,不過由于其價(jià)格過于高昂因此在當(dāng)時(shí)只限應(yīng)用于非常特別的市場比如醫(yī)療、工作以及軍用市場。實(shí)際上雖然當(dāng)時(shí)其1M大小的閃存換算下來的價(jià)格已經(jīng)達(dá)到了3500美元,但是其性能卻要遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)的普通硬盤產(chǎn)品,不過憑借其獨(dú)有的特性卻使得閃存硬盤在軍用、航空以及醫(yī)療領(lǐng)域獲得了長足的發(fā)展。自從07年七月IBM在其刀片式服務(wù)器上部署 SanDisk SSD,固態(tài)硬盤再一次走進(jìn)人們的視線。

    所以SSD固態(tài)硬盤早已不是個(gè)新生事物,算起來也有23歲了。如果以人類年齡來估算,固態(tài)硬盤應(yīng)該也到了風(fēng)華正茂的年華了吧,而事實(shí)上也正是這樣。

    風(fēng)華正茂:固態(tài)硬盤的今生

    關(guān)于固態(tài)硬盤的概念大家想必都已經(jīng)不在陌生了。SSD (Solid State Drive)中文就是:固態(tài)硬盤,SSD由控制單元和存儲單元(FLASH芯片)組成,簡單的說就是用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤。目前的硬盤(ATA 或 SATA)都是磁碟型的,數(shù)據(jù)就儲存在磁碟扇區(qū)里,而固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)則儲存在芯片里。

    固態(tài)硬盤目前目前主要有兩類:

固態(tài)硬盤

基于閃存的固態(tài)硬盤

    1.基于閃存的固態(tài)硬盤:采用FLASH芯片作為存儲介質(zhì),這也是我們通常所說的固態(tài)硬盤。它的外觀可以被制作成多種模樣,例如:筆記本硬盤、微硬盤、存儲卡、優(yōu)盤等樣式。這種固態(tài)硬盤最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以移動,而且數(shù)據(jù)保護(hù)不受電源控制,能適應(yīng)于各種環(huán)境,但是使用壽命不高,適合于個(gè)人用戶使用。

全面認(rèn)識固態(tài)硬盤

基于DRAM的固態(tài)硬盤

    2.基于DRAM的固態(tài)硬盤:采用DRAM作為存儲介質(zhì),目前應(yīng)用范圍比較窄。它仿效傳統(tǒng)硬盤的設(shè)計(jì)、可被絕大部分操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)工具進(jìn)行卷設(shè)置和管理,并提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI和FC接口用于連接主機(jī)或者服務(wù)器。它是一種高性能的存儲器,而且使用壽命很長,美中不足的是需要獨(dú)立電源來保護(hù)數(shù)據(jù)安全。

    由于DRAM固態(tài)硬盤屬于比較非主流的設(shè)備,所以接下來我們談到的固態(tài)硬盤還是以基于閃存的固態(tài)硬盤,也就是大家比較容易購買、使用的產(chǎn)品為主。

固態(tài)硬盤的發(fā)展現(xiàn)狀

    我們可以買到的固態(tài)硬盤

    過去的2011年,各路固態(tài)硬盤廠商如雨后春筍般的冒了出來,如今有Intel、鎂光、OCZ、威剛、浦科特、金士頓、奧瑞科、金勝等數(shù)十家。各路品牌意味著市面上我們能夠買到的固態(tài)硬盤產(chǎn)品也是琳瑯滿目。

浦科特 PX-128M2S(128GB)

固態(tài)硬盤內(nèi)部拆解

浦科特 PX-128M2S(128GB)

浦科特 PX-128M2S(128GB)

    從上圖可以看到,固態(tài)硬盤的PCB板是由閃存顆粒、1顆控制芯片及1顆緩存芯片組成。所以主控芯片和閃存顆粒成為了固態(tài)硬盤的決定性因素(因?yàn)橛行┲骺胤桨覆恍枰彺骖w粒,因此緩存顆粒不構(gòu)成決定性因素),也是我們消費(fèi)者購買固態(tài)硬盤首先要考慮的。

    關(guān)于主控芯片

各大固態(tài)硬盤主控芯片品牌、型號、產(chǎn)品一覽
品牌
型號
代表產(chǎn)品
Intel
PC29AS21AA0、PC29AS21BA0
Intel 320 Series G3(80G)
SandForce
SF-1500/SF-1200、SF-2000系列
OCZ Agility 3 SATA3 60G
JMicron
JMF602、JMF612、JMF618
金士頓的SSD Now V系列
Marvell
88SS9174-BJP2、88SS9174-BKK2
Intel的510系列、鎂光C400、浦科特 PX-128M2S
Indilinx
IDX110M00-LC、IDX110M01-LC
SOLIDATA K5-64Me
三星
S3C49RBX01-YH80、S3C29RBB01-YK40
三星 SLC 3.5 100GB
東芝 TC58NCF602GAT、TC58NCF618GBT、T6UG1XBG 金士頓 SSDNow V+100系列

    可以看到,SandForce的主控芯片憑借著出色的性價(jià)比依舊在主流市場上占據(jù)著十分大的份額,Intel主控芯片擁有先進(jìn)的性能受到專業(yè)用戶和企業(yè)用戶的喜愛,而更高端還有Marvell的高性能產(chǎn)品坐鎮(zhèn),幾大芯片廠商都在不斷嘗試為自己的芯片產(chǎn)品尋找最合適的定位。在研發(fā)力度上,支持原生SATA6Gbps的主控有Marvell、SandForce和Indilinx三家。

    關(guān)于閃存顆粒

固態(tài)硬盤

閃存芯片

    除了主控芯片和緩存芯片以外,PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash閃存芯片了。NAND Flash閃存芯片又分為SLC(單層單元)和MLC(多層單元)NAND閃存:

    1.SLC全稱是單層式儲存 (Single Level Cell),因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單,在寫入數(shù)據(jù)時(shí)電壓變化的區(qū)間小,所以壽命較長,傳統(tǒng)的SLC NAND閃存可以經(jīng)受10萬次的讀寫。而且因?yàn)橐唤M電壓即可驅(qū)動,所以其速度表現(xiàn)更好,目前很多高端固態(tài)硬盤都是都采用該類型的Flash閃存芯片。

    2.MLC全稱是多層式儲存(Multi Leveled Cell),它采用較高的電壓驅(qū)動,通過不同級別的電壓在一個(gè)塊中記錄兩組位信息,這樣就可以將原本SLC的記錄密度理論提升一倍。作為目前在固態(tài)硬盤中應(yīng)用最為廣泛的MLC NAND閃存,其最大的特點(diǎn)就是以更高的存儲密度換取更低的存儲成本,從而可以獲得進(jìn)入更多終端領(lǐng)域的契機(jī)。不過,MLC的缺點(diǎn)也很明顯,其寫入壽命較短,讀寫方面的能力也比SLC低,官方給出的可擦寫次數(shù)僅為1萬次。

威剛 S511 120GB

閃存顆粒

    除了MLC/SLC的區(qū)別,目前固態(tài)硬盤采用的閃存顆粒還有著25/34nm制程、同步/異步、ONFI/Toggle Mode等等不同。不同閃存顆粒數(shù)據(jù)傳輸率有著很大的差異,異步ONFI顆粒只有50MT/s(Intel或者M(jìn)icron早期顆粒),同步ONFI 2.x顆粒則可以達(dá)到133MT/s ~ 200MT/s (Intel或者M(jìn)icron顆粒),異步Toggly DDR 1.0顆粒也可以達(dá)到133MT/s ~ 200MT/s (TOSHIBA或者Samsung顆粒)。因此在通道數(shù)相同的前提下,閃存顆粒傳輸率更高的固態(tài)硬盤更容易突破500MB/s的持續(xù)讀取速度。

固態(tài)硬盤的產(chǎn)品特性

    固態(tài)硬盤的發(fā)展方向

浦科特 PX-128M2S(128GB)

2.5英寸固態(tài)硬盤

    除了我們常見的2.5英寸、SATA接口的固態(tài)硬盤以外,由于人們對存儲性能的不斷追求。更快更大的固態(tài)硬盤已經(jīng)出現(xiàn),OCZ在CES2012的展臺就展示了一片采用PCI-E 2.0 x16接口,搭載了16顆SandForce SF-2582主控芯片并配置了熱管散熱器,最高可支持總?cè)萘繛?6TB的NAND閃存芯片的固態(tài)硬盤。

OCZ展示16控制器版PCI-E固態(tài)硬盤

OCZ展示16控制器版PCI-E固態(tài)硬盤

    可以說固態(tài)硬盤做到了機(jī)械硬盤做不到的事情。因?yàn)楣虘B(tài)硬盤的存儲介質(zhì)是閃存芯片,因此符合摩爾定律,也就是說隨著時(shí)間的推移,芯片的價(jià)格會不斷下降,容量和性能卻會斷提升。這讓停滯了多年的機(jī)械硬盤垂直記錄技術(shù)情何以堪。

    總結(jié)當(dāng)下固態(tài)硬盤的特點(diǎn)

突破500MB/s

持續(xù)讀取速度突破500MB/s

    1、固態(tài)硬盤很快!的確,但是固態(tài)硬盤究竟快在哪里?現(xiàn)在的固態(tài)硬盤廠商大多會宣稱自家的固態(tài)硬盤持續(xù)讀寫速度超過了500MB/s云云,這相對機(jī)械硬盤的100MB/s的速度著實(shí)是相當(dāng)可觀的。

對比

存取時(shí)間快很多

    固態(tài)硬盤的快絕不僅僅體現(xiàn)在持續(xù)讀寫上,隨機(jī)讀寫速度快才是固態(tài)硬盤的終極奧義,這最直接體現(xiàn)在絕大部分的日常操作中。與之相關(guān)的還有極低的存取時(shí)間,目前機(jī)械硬盤最快也要14毫秒左右,而固態(tài)硬盤可以輕易達(dá)到0.1毫秒甚至更低。

結(jié)構(gòu)

固態(tài)硬盤并不脆弱

    2、其他物理特性,低功耗、無噪音、抗震動、低熱量 、體積小、工作溫度范圍大(-40~ +85℃ )。這些優(yōu)勢機(jī)械硬盤都不具備,固態(tài)硬盤比機(jī)械硬盤還要耐用,更低溫、更抗震、更便攜。因此固體硬盤才能廣泛應(yīng)用于軍事、車載、工業(yè)、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域。

機(jī)械硬盤對比固態(tài)硬盤
產(chǎn)品
日立 Deskstar 7K1000.D
OCZ Solid 3 SATA III
容量
1TB
120GB
價(jià)格
750元
1300元
容價(jià)比
0.75元/GB
10.8元/GB

    3、容價(jià)比低。這里指的是容量和價(jià)格的比,相比機(jī)械硬盤,固態(tài)硬盤的容價(jià)比的確低得沒話說。如今1TB機(jī)械硬盤750元,平均0.75元/GB。120GB固態(tài)硬盤一般在1300元甚至更高,平均10.8元/GB。

壽命

    4、壽命限制。固態(tài)硬盤閃存具有擦寫次數(shù)限制的問題,這也是許多人詬病其壽命短的所在。閃存完全擦寫一次叫做1次P/E,因此閃存的壽命就以P/E作單位。34nm的閃存芯片壽命約是5000次P/E,而25nm的壽命約是3000次P/E。是不是看上去壽命更短了?理論上是這樣沒錯,但隨著SSD固件算法的提升,新款SSD都能提供更少的不必要寫入量。再來一個(gè)具體的例子,一款120G的固態(tài)硬盤,要寫入120G的文件才算做一次P/E。普通用戶夸正常使用,即使每天寫入50G,平均2天完成一次P/E,那么一年就有180次P/E。大家可以自行計(jì)算3000個(gè)P/E能用幾年,相信到那時(shí)候,固態(tài)硬盤早就被你換成別的什么新奇玩意了。

    總結(jié):時(shí)至今日,固態(tài)硬盤無論從技術(shù)上還是產(chǎn)能上都已經(jīng)有了長足的進(jìn)步。2012年,隨著更多的廠商加入這一產(chǎn)品線,固態(tài)硬盤有望迎來井噴式的發(fā)展。同時(shí)工藝制成的提高必然會帶來成本的下降,這樣一來固態(tài)硬盤的價(jià)格將不再高不可攀。

    無論是Intel的超級本還是蘋果的新一代MBP/MBA都將搭載SSD而非HDD,這樣的趨勢會延續(xù)下去,但我們也必須看到,即便遭遇了水災(zāi)的影響,傳統(tǒng)硬盤依舊是很多人首選。因此短期內(nèi),我們都會發(fā)現(xiàn)SSD和HDD會是共存共生的局面。不過說些題外話,身邊用過SSD的朋友可是表示他們再也無法接受HDD了。

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