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固态硬盘是什么?怎么用?

2017-06-11 22:30 来源: 本站整理 作者:upantool编辑 浏览量:241次
    固态硬盘是什么:  
    随着互联网的飞速发展,人们对数据信息的存储需求和速度也在不断提升,这就诞生了固态硬盘。固态硬盘(Solid State Drives),简称固盘,是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,其芯片的工作温度范围很宽,商规产品(0~70℃)工规产品(-40~85℃)。虽然成本较高,但也正在逐渐普及到DIY市场。由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同,所以产生了不少新兴的存储器厂商。厂商只需购买NAND存储器,再配合适当的控制芯片,就可以制造固态硬盘了。新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口和CFast接口。
    基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别,其内部构造十分简单,固态硬盘内主体其实就是一块PCB板,而这块PCB板上最基本的配件就是控制芯片,缓存芯片(部分低端硬盘无缓存芯片)和用于存储数据的闪存芯片。
    市面上比较常见的固态硬盘有LSISandForce、Indilinx、JMicron、Marvell、Goldendisk、Samsung以及Intel等多种主控芯片。主控芯片是固态硬盘的大脑,其作用一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,二则是承担了整个数据中转,连接闪存芯片和外部SATA接口。不同的主控之间能力相差非常大,在数据处理能力。算法,对闪存芯片的读取写入控制上会有非常大的不同,直接会导致固态硬盘产品在性能上差距高达数十倍。
    Marvell各方面都很强劲,高端大气上档次。早期运用企业级产品,现也用在浦科特、闪迪、英睿达等品牌SSD上。Marvell自身也是一家大型公司,这两年也没什么变动,技术进步也很平稳,也没出过什么主控质量问题,未来的前景也值得看好。
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,但是主控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。相比Marvell公司,SandForce公司这两年就有点折腾了。被LSI、Avago多次转手之后,SandForce最终于2014年落入机械硬盘厂商希捷的手中。(至于希捷好基友西数也是通过收购拓展固态硬盘业务,举债千亿收购闪迪,砸锅卖铁为君来。收购将于2016年5月12日生效。)
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850EVO、850PRO上。
除了自有SSD主控的公司,在外包主控的市场中,Marvell与SF占据了90%的份额,留给其他厂商的空间并不多。2016年,来自台湾主控厂商,智微Jmicron、慧荣Silicon Motion、群联Phison三家公司的主控它们的成本低廉相当受SSD厂家欢迎。2012年附近几年一直是山寨厂商的最爱,如今台系主控已经不满足于廉价低端市场了,开始在技术与性能上寻求进一步突破。(目前看起来,混的比较好的是慧荣)
    主控芯片旁边是缓存芯片,固态硬盘和传统硬盘一样需要高速的缓存芯片辅助主控芯片进行数据处理。这里需要注意的是,有一些廉价固态硬盘方案为了节省成本,省去了这块缓存芯片,这样对于使用时的性能会有一定的影响。
    除了主控芯片和缓存芯片以外,PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash闪存芯片了。NAND Flash闪存芯片又分为SLC(单层单元)MLC(多层单元)以及TLC(三层单元)NAND闪存。
    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。
SLC的固态硬盘目前市面上没有,一是太贵,二是MLC足够了。
中高端SSD还是MLC的天下。但是MLC也有很大区别。最好的是Enterprise Synch MLC(企业级同步MLC),可靠性和寿命针对企业级市场做了优化。之后就是Synch/Toggle MLC(同步颗粒),其中Toggle MLC多为东芝出品,当然Toggle阵营中也有企业级闪存,与企业级同步MLC对应。SSD中应用比较多的其实还有Asynch MLC(异步颗粒),价格便宜量又足,不过性能比同步颗粒差。
由于TLC需要更精确的控制电压,那么写入数据当然也会花费更多的时间;同样的,由于需要识别8种信号,而MLC只需要识别4种,所以TLC会花更多时间来读取数据。但是和SLC比起来,MLC就被完爆了,因为SLC的电压组合只有1和0两种,与MLC的4种电压组合比起来,SLC会花费更少的时间来识别信号,同时对电压控制的要求变低:上电就是1,断电就是0,这也就解释了SLC的性能为何最好。
TLC闪存优点是成本低,但是带来的考验也更大。容纳的电位多了可以提升容量,但也使得整个过程更复杂,需要更精确的电压控制,Program过程所需时间更多,因此写入性能也会大幅下降,所以现在的TLC SSD都启用了SLC Cache模式提升写入速度,否则那个写入速度是很难让人接受的;读取,特别是随机读取性能也会受影响,因为需要花更多的时间从八种电信号状态中区分所需数据。另外TLC相邻的存储单元也会产生电荷干扰,20nm工艺之后,Cell单元之间的干扰现象更加严重,如果数据长时间不刷新的话就会出现像之前三星840 Evo那样的读取旧文件会掉速的现象。
最关键的是闪存寿命直线下降,MLC的P/E次数至少还有3000-5000次,而TLC公认的P/E指标是1000次,好点的可能做到1500次,依然比MLC差很多。但各种极限测试也都证明:正常家用,TLC 120g 固态的来说用个10年左右也是不成问题,所以不必纠结寿命。更别提很多寿命更长MLC的SSD。
目前全球生产NAND闪存芯片的厂商屈指可数:1三星、2东芝、3闪迪、4镁光(英睿达)、5海力士、6英特尔。其中三星市场占有率第一,东芝颗粒应用最广泛。另外还有英特尔、美光、三星、闪迪多用在自家产品。海力士的量则主要是供给移动市场为主。(不过在DRAM内存市场上,主要的玩家就剩下三星、SK Hynix及美光三家了)
NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分,为了进一步提高容量、降低成本,NAND的制程工艺也在不断进步,从早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm,但NAND闪存跟处理器不一样,先进工艺虽然带来了更大的容量,但NAND闪存的制程工艺是双刃剑,容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降,因为工艺越先进,NAND的氧化层越薄,可靠性也越差,厂商就需要采取额外的手段来弥补,但这又会提高成本,以致于达到某个点之后制程工艺已经无法带来优势了。
相比之下,3D NAND解决问题的思路就不一样了,为了提高NAND的容量、降低成本,厂商不需要费劲心思去提高制程工艺了,转而堆叠更多的层数就可以了,这样一来3D NAND闪存的容量、性能、可靠性都有了保证了,比如东芝的15nm NAND容量密度为1.28Gb/mm2,而三星32层堆栈的3D NAND可以轻松达到1.87Gb/mm2,48层堆栈的则可以达到2.8Gb/mm2。
由于已经向垂直方向扩展NAND密度,那就没有继续缩小晶体管的压力了,所以三星、Intel和美光可以使用相对更旧的工艺来生产3D NAND闪存,做成3D NAND MLC或者3D NAND TLC。现在三星已经就这样做了,850 Pro是3D MLC,850 Evo是3D TLC。使用旧工艺的好处就是P/E擦写次数大幅提升,而且电荷干扰的情况也因为使用旧工艺而大幅减少。
三星、SK Hynix、东芝/闪迪、Intel/美光这四大NAND豪门都已经涉足3D NAND闪存了。三星最早量产了3D NAND,其他几家公司在3D NAND闪存量产上要落后三星至少2年时间。这四大豪门的3D NAND闪存所用的技术不同,堆栈的层数也不一样,而Intel在常规3D NAND闪存之外还开发了新型的3D XPoint闪存,它跟目前的3D闪存有很大不同,属于杀手锏级产品。
Intel本来就是做存储技术起家的。虽然现在的主业是处理器,但存储技术从来没放松。根据Intel官方说法,3D XPoint闪存各方面都超越了目前的内存及闪存,性能是普通显存的1000倍,可靠性也是普通闪存的1000倍,容量密度是内存的10倍,而且是非易失性的,断电也不会损失数据。由于还没有上市,而且Intel对3D XPoint闪存口风很严。Intel准备在2016年开始推出基于3D XPoint技术的存储产品,内存容量可达6TB,值得关注。
传统的平面NAND闪存现在还谈不上末路,主流工艺是15/16nm,但10/9nm节点很可能是平面NAND最后的机会了,而3D NAND闪存还会继续走下去,目前的堆栈层数不过32-48层,厂商们还在研发64层甚至更高层数的堆栈技术。3D NAND闪存在容量、速度、能效及可靠性上都有优势。
2D的TLC闪存由于各种问题是不会成为主流的,基本上只会有低价入门级的SSD会使用,现在的TLC SSD很多都是试验性产品,但是等到3D TLC大批量产后,它将会成为未来的主力。
    固态硬盘的存储介质分为两种,一种是采用闪存(FLASH芯片)作为存储介质,另外一种是采用DRAM作为存储介质。
    基于闪存的固态硬盘
    基于闪存的固态硬盘(IDEFLASH DISK、SerialATA Flash Disk):采用FLASH芯片作为存储介质,这也是我们通常所说的SSD。它的外观可以被制作成多种模样,例如:笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、U盘等样式。这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动,而且数据保护不受电源控制,能适应于各种环境。
    基于DRAM的固态硬盘
    基于DRAM的固态硬盘: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,美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。DRAM固态硬盘属于比较非主流的设备。
    固态硬盘(Solid State Drive)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(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。
    固态硬盘的品牌众多,目前市面上比较受欢迎的固态硬盘有:三星 、影驰 、金士顿 、Intel 、威刚、浦科特、特科芯、台电、闪迪、东芝等(排名不分先后)
    作为新兴产品,具有以下特点:
    1、读写速度快。采用闪存作为存储介质,读取速度相对机械硬盘更快。固态硬盘不用磁头,寻道时间几乎为0。持续写入的速度非常惊人,固态硬盘厂商大多会宣称自家的固态硬盘持续读写速度超过了500MB/s!
    固态硬盘的快绝不仅仅体现在持续读写上,随机读写速度快才是固态硬盘的终极奥义,这最直接体现在绝大部分的日常操作中。与之相关的还有极低的存取时间,最常见的7200转机械硬盘的寻道时间一般为12-14毫秒,而固态硬盘可以轻易达到0.1毫秒甚至更低!
    2、防震抗摔性:传统硬盘都是磁碟型的,数据储存在磁碟扇区里。而固态硬盘是使用闪存颗粒(即mp3、U盘等存储介质)制作而成,所以SSD固态硬盘内部不存在任何机械部件,这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用,而且在发生碰撞和震荡时能够将数据丢失的可能性降到最小。相较传统硬盘,固态硬盘占有绝对优势。
    3、数据存储速度:固态硬盘相对传统硬盘在存取速度上有着飞跃性的提升。
    4、低功耗:功耗固态硬盘的功耗上要低于传统硬盘。
    5、低热量:由于固态硬盘采用无机械部件的闪存芯片,所以具有了发热量小、散热快等特点。基于闪存的固态硬盘在工作状态下能耗和发热量较低(但高端或大容量产品能耗会较高)。典型的硬盘驱动器只能在5到55摄氏度范围内工作。而大多数固态硬盘可在-10~70摄氏度工作。
    6、重量:固态硬盘在重量方面更轻,与常规1.8英寸硬盘相比,重量轻20-30克。固态硬盘比同容量机械硬盘体积小、重量轻。
    7、噪音小:没有机械马达和风扇,工作噪音值为0分贝。传统硬盘就要逊色很多。
    8、容量:固态硬盘标准2.5寸目前最大容量为2TB(Solidata 深圳实忆科技推出全球首款单碟2.5寸MLC工业级2TB固态硬盘),与传统硬盘相差并不大,但相当价位时容量相差较大.
    9、使用寿命:固态硬盘闪存具有擦写次数限制的问题,这也是许多人诟病其寿命短的所在。闪存完全擦写一次叫做1次P/E,因此闪存的寿命就以P/E作单位。34nm的闪存芯片寿命约是5000次P/E,而25nm的寿命约是3000次P/E。随着SSD固件算法的提升,新款SSD都能提供更少的不必要写入量。一款120G的固态硬盘,要写入120G的文件才算做一次P/E。普通用户正常使用,即使每天写入50G,平均2天完成一次P/E,3000个P/E能用20年,到那时候,固态硬盘早就被替换成更先进的设备了(在实际使用中,用户更多的操作是随机写,而不是连续写,所以在使用寿命内,出现坏道的机率会更高)。另外,虽然固态硬盘的每个扇区可以重复擦写100000次(SLC),但某些应用,如操作系统的LOG记录等,可能会对某一扇区进行多次反复读写,而这种情况下,固态硬盘的实际寿命还未经考验。不过通过均衡算法对存储单元的管理,其预期寿命会延长。SLC有10万次的写入寿命,成本较低的MLC,写入寿命仅有1万次,而廉价的TLC闪存则更是只有可怜的500-1000次。
    固态硬盘还是有寿命的,有使用限制。为了延长固态硬盘的使用寿命,我们在平时的使用中一定要注意保养和使用:
    1、不要使用碎片整理
    碎片整理是对付机械硬盘变慢的一个好方法,但对于固态硬盘来说这完全就是一种“折磨”。
    消费级固态硬盘的擦写次数是有限制,碎片整理会大大减少固态硬盘的使用寿命。其实,固态硬盘的垃圾回收机制就已经是一种很好的“磁盘整理”,再多的整理完全没必要。Windows的“磁盘整理”功能是机械硬盘时代的产物,并不适用于SSD。
    除此之外,使用固态硬盘最好禁用win7的预读(Superfetch)和快速搜索(Windows Search)功能。这两个功能的实用意义不大,而禁用可以降低硬盘读写频率。
    2、小分区 少分区
    还是由于固态硬盘的“垃圾回收机制”。在固态硬盘上彻底删除文件,是将无效数据所在的整个区域摧毁,过程是这样的:先把区域内有效数据集中起来,转移到空闲的位置,然后把“问题区域”整个清除。
    这一机制意味着,分区时不要把SSD的容量都分满。例如一块128G的固态硬盘,厂商一般会标称120G,预留了一部分空间。但如果在分区的时候只分100G,留出更多空间,固态硬盘的性能表现会更好。这些保留空间会被自动用于固态硬盘内部的优化操作,如磨损平衡、垃圾回收和坏块映射。这种做法被称之为“小分区”。
    “少分区”则是另外一种概念,关系到“4k对齐”对固态硬盘的影响。一方面主流SSD容量都不是很大,分区越多意味着浪费的空间越多,另一方面分区太多容易导致分区错位,在分区边界的磁盘区域性能可能受到影响。最简单地保持“4k对齐”的方法就是用Win7自带的分区工具进行分区,这样能保证分出来的区域都是4K对齐的。
    3、固态硬盘4K对齐
    一般来说,如果固态硬盘4K没对齐好,对硬盘读取速度影响是很大的,SSD硬盘最大的优势就是拥有传统硬盘2倍甚至更高的存储于读取数据,如果没有4K对齐好,其速度优势无法完全体现。关于固态硬盘如何设置4K对齐,之前也有不少文章介绍过,比如我们可以使用硬盘分区工具Diskgen软件(至少是3.7版本以上)对固态硬盘进行4K对齐,方法如下图所示,只需要勾选上对齐选项即可。
    4、开启硬盘AHCI功能
     发现不少朋友抱怨固态硬盘4K对齐后,性能还是跟理论速度相差很大,这主要是因为可能还没有开启AHCI功能。我们知道通过开启硬盘的AHCI模式,可以在一定程度上提升固态硬盘性能。就目前来说,大部分台式机电脑默认是IDE模式,开启硬盘AHCI模式需要进入Bios里面设置开启。笔记本则大多默认已经采用AHCI模式。
    进入Bios开启硬盘AHCI模式的大致步骤是:重新启动电脑,启动电脑时按Del键进入BIOS,依次选择Devices→ATA Drives Setup→Configure SATA as→AHCI,最后按F10键保存并退出BIOS。
     BIOS里面开启AHCI功能是固态硬盘优化的一项必操作项目,当开启后固态硬盘可以支持NCQ,当队列深度(QD)增大,性能也会以几何级别上升,而IDE则是不支持NCQ,队列深度增大性能也不会有太大的变化,下面我们通过一组测试数据,来看看开启AHCI功能与没有开启AHCI功能情况下,固态性能速度对比。
    未开启AHCI功能与开启AHCI功能对固态硬盘读取速度影响还是非常大的,通过开启AHCI功能可以有效的提升固态硬盘性能。另外发现部分朋友电脑在BIOS里开启AHCI功能后,容易引起电脑蓝屏死机,遇到这种问题的朋友则可以再修改下注册表即可解决。
    5、主板开启节能模式导致固态硬盘性能下降
    通常开通了主板的节能功能,CPU的频率会有所降低,这也将导致固态硬盘的性能下降,因为在节能时CPU频率减弱10%,发送指令时则会慢了10%,因此测试时理论SSD性能会减弱了10%,因此如果想发挥固态硬盘最佳性能,主板请不要开启节能模式。

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