固态硬盘——传统硬盘的接班人

1、计算机组成与结构大作业固态硬盘传统硬盘的接班人专 业计算机科学与技术姓 名李子厚学 号2143214日 期2016/12/3摘 要近年来，固态硬盘（SSD）技术的发展使得企业与个人的数据存储媒介发生了巨大的变化，传统的机械硬盘正在被混合硬盘和固态硬盘所取代。固态硬盘在各方面性能都要优于机械硬盘，只是由于成本较高，还没有完全代替机械硬盘。本文就是为了读者更好的了解固态硬盘整理而成。文章从固态硬盘的概念、相关技术、应用实例、市场行情、发展前景等五个方面对固态硬盘进行了介绍。主要内容有：SLC-SSD和MLC-SSD的区别，NAND-Flash存储块的基本原理，SSD实现的几个基本技术，应用SSD的

2、具体实例，2016年上半年SSD的市场行情分析，以及短时间内SSD的发展前景。关键词：固态硬盘;SLC-SSD;MLC-SSD;NAND-Flash目录一、固态硬盘简介11.1 SLC-SSD11.2 MLC-SSD1二、相关技术22.1 NAND-Flash22.2 损耗均衡算法（Wear Leveling）32.3 SSD多通道并发技术42.4 纠错管理与映射机制42.5 与机械硬盘对比5三、应用实例53.1 H3C的IP存储产品5四、市场行情64.1 3D TLC闪存抢滩 SSD市场64.2 支持2D/3D TLC的主控解决方案64.3 TLC SSD集中亮相74.4 价格越来越便宜：2

3、40G SSD低至299元7五、发展前景85.1 企业级存储迎来超大容量固态硬盘时代85.2 TB级SSD即将投入民用市场9参考文献11一、固态硬盘简介 参考：固态硬盘(SSD)技术from H3C固态硬盘简称SSD（Solid State Disk或Solid State Drive），也称作电子硬盘或者固态电子盘，是由控制单元和固态存储单元（DRAM或FLASH芯片）组成的存储设备。固态硬盘根据容量、可靠性和性能等要求分为SLC SSD和MLC SSD，SLC可靠性和耐用性较强，主要应用于服务器、工作站、数据中心等环境中，MLC则主要应用于桌面PC可靠性要求不高的环境中。1.1 SLC-S

4、SDSLC全称单层式储存(Single Level Cell)，是指一个Block(块，Flash的基本存储单元，也可称为Cell)只有两种电荷值，高低不同的电荷值表明0或者1，因为只需要一组高低电压就可以区分出0或者1信号，所以SLC最大的驱动电压可以做到很低，传统的双电压卡或者低电压版本卡片肯定采用SLC类型的NAND Flash芯片。SLC因为结构简单，在写入数据时电压变化的区间小，所以寿命较长，传统的SLC Flash可以经受10万次的读写，因此出现坏Block的几率较小，因为存储结构非常简单，一组电压即可驱动，所以其速度表现更好，目前所有的超高速卡都采用SLC类型的Flash芯片。1

5、.2 MLC-SSDMLC(多层式储存Multi Leveled Cell)是一种充分利用盘块（Block）的技术，它采用较高的电压驱动，通过不同级别的电压在一个Block中记录两组位信息(00、01、11、10)，这样就可以将原本SLC的记录密度理论提升一倍。不过MLC除了同制程、同晶圆面积时理论大一倍的记录空间外，存在一些先天的弊端，比如说电压区间更小，Flash就需要更多的CRC校验空间，这会大概占据Block中10%的空间，因此实际使用中同制程同晶圆面积的MLC的容量不到SLC的一倍。因为电压变化更频繁，所以MLC技术的Flash在寿命方面远劣于SLC，官方给出的可擦写次数仅为1万次，

6、这是MLC最要命的一个缺点。MLC技术的Flash还有一个缺点，它的读写速度先天不如SLC，一个Block存储两组位数据，自然需要更长的时间，这里面还有电压控制、CRC写入方式等因素需要考虑。二、相关技术2.1 NAND-FlashFigure 1-Flash闪存单元结构 参考：Flash memoryfrom Figure 2-NAND读写结构 参考：Flash memoryfrom NAND型闪存以块（sector）为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪

7、存的基本操作。一般每个块包含32个512字节的页（page），容量16KB；而大容量闪存采用2KB页时，则每个块包含64个页，容量128KB。每颗NAND型闪存的I/O接口一般是8条，每条数据线每次传输（512+16）bit信息，8条就是（512+16）8bit，也就是前面说的512字节。但较大容量的NAND型闪存也越来越多地采用16条I/O线的设计，如三星编号K9K1G16U0A的芯片就是64M16bit的NAND型闪存，容量1Gb，基本数据单位是（256+8）16bit，还是512字节。寻址时，NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包，每包传送8位地址信息。由于闪存芯片容量比较

8、大，一组8位地址只够寻址256个页，显然是不够的，因此通常一次地址传送需要分若干组，占用若干个时钟周期。NAND的地址信息包括列地址（页面中的起始操作地址）、块地址和相应的页面地址，传送时分别分组，至少需要三次，占用三个周期。随着容量的增大，地址信息会更多，需要占用更多的时钟周期传输，因此NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。而且，由于传送地址周期比其他存储介质长，因此NAND型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容量读写请求。2.2 损耗均衡算法（Wear Leveling）因为闪存的写操作的次数是有限制的，如果针对某些单元进行过10万次写操作，那么后续这些单元的写入可靠性则

9、无法保证，有些单元则可能会失效，例如有些管理数据系统日志等改写频繁,而某些静态文件数据却几乎从不改写.如不加控制，部分块就会因反复多次擦除而提前损坏,而部分块还未被改写过，以至影响SSD盘的使用寿命，为解决此问题，使用写操作均匀分布到各闪存单元上，从整体上做一个平衡，以避免个别单元失效，损耗均衡算法（Wear Leveling）就是为解决此问题而广泛采用的算法。Wear Leveling就是提供一个块映射机制, 把写入损耗分散在不同的块上, 不会导致某些块先被写坏而使整个SSD盘失效，而是把在预期寿命前失效的块, 会有一些保留块来替代, 这个算法使得整个设备的寿命跟Flash的最大寿命在同一量

10、级。一般为实现损耗均衡算法（Wear Leveling）会采用一种基于页的文件存储算法，闪存物理地址和逻辑地址之间并没有一一对应的关系。当固态硬盘收到数据写入请求时，并不会循规蹈矩的按顺序进行写入，而是找到最少写入的单元写入。因而，在为写入数据动态分配物理块时,会根据各块的使用情况不同分配相应的优先级，从而均衡整个存储器各单元的使用寿命。2.3 SSD多通道并发技术Figure 3多道并发技术由于目前Nand Flash的数据总线为8bit，最大能提供25MB/s的读速度和3MB/s的写速度，显然SSD如果提供此速度是用户无法接受的，目前SSD控制器普遍采用多个通道同时并行操作多片Flash，

11、类似RAID0，这样读写速度得到了极大地提高。2.4 纠错管理与映射机制SSD控制器会监测和校验读写Flash的数据，以确保对数据操作的成功，并内置纠错冗余数据，防止基于闪存设备的个别单元数据丢失造成整个数据块丢失。SSD的映射机制一般采用基于页的文件存储算法，闪存物理地址和逻辑地址之间并没有一一对应的关系。当固态硬盘收到数据写入请求时，并不会循规蹈矩的按顺序进行写入，而是找到最方便写入最快的位置进行写入，以提高写入速度。通常检测工作通过片上状态寄存器和特定的硬件部件来校验写操作和擦除操作是否成功，校验工作通过回读写入数据与用户数据进行比较来完成。当写操作失败时，系统并不将错误简单的反馈给用户

12、，而是通过块重映射机制，另外分配一个空闲块重新执行写操作，由于SSD在设计的时候，已经预留了一部分Flash用于临时存储数据和坏块替换使用，再加上Flash芯片对擦写次数有限制，读没有次数限制，这样即使某些块被写坏了，也不会影响到整个SSD的使用寿命。因此，SSD通过自动校验来预防错误发生，个别单元读错误可以通过纠错来恢复数据，确保数据的完整性，逻辑地址与物理地址的映射机制，解决了写物理区块错误问题，同时在损耗均衡算法中也需要逻辑地址与物理地址的映射机制来实现。2.5 与机械硬盘对比 参考：存储的进化：对比SSD与传统硬盘from 固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘几近相同，

13、外形和尺寸也基本与普通的 2.5英寸硬盘一致。固态硬盘具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，同时其劣势也较为明显。尽管IDC认为SSD已经进入存储市场的主流行列，但其价格仍较为昂贵，容量较低，一旦硬件损坏，数据较难恢复等；并且亦有人认为固态硬盘的耐用性（寿命）相对较短。影响固态硬盘性能的几个因素主要是：主控芯片、NAND闪存介质和固件。在上述条件相同的情况下，采用何种接口也可能会影响SSD的性能。主流的接口是SATA（包括3Gb/s和6Gb/s两种）接口，亦有PCIe 3.0接口的SSD问世。由于SSD与普通磁盘的设计及数据读写原理的不同，使得其内部的构造亦有很大的

14、不同。一般而言，固态硬盘（SSD）的构造较为简单，并且也可拆开；所以我们通常看到的有关SSD性能评测的文章之中大多附有SSD的内部拆卸图。而反观普通的机械磁盘，其数据读写是靠盘片的高速旋转所产生的气流来托起磁头，使得磁头无限接近盘片，而又不接触，并由步进电机来推动磁头进行换道数据读取。所以其内部构造相对较为复杂，也较为精密，一般情况下不允许拆卸。一旦人为拆卸，极有可能造成损害，磁盘无法正常工作。这也是为何在对磁盘进行评测时，我们基本看不到关于磁盘拆卸图的原因。三、应用实例 实例：H3C的IP存储产品3.1 H3C的IP存储产品SSD盘相对于普通机械硬盘的特点是顺序和随机读取数据性能一样，且响应

15、时间小于1毫秒，无机械部件，可靠性高。通过仔细研究分析测试多个厂家的SSD盘后，H3C为与万兆存储配合使用和发挥最好的性能，选用了高可靠性和高性能的SLC SSD盘，每个盘读性能能达到250MB/s，每个磁盘的写性能能达到170MB/s，在4 KB块读的情况下，每个盘可以达到35KIOPS,在4 KB块写的情况下，每个盘可以达到3.3KIOPS。SSD盘性能和可靠性都很高，但价格相对也较高，而且容量偏小。这就决定了SSD比较适合随机读比例较高，响应时间有较高要求的应用场合，主要包括如下：1. 数据库环境。数据库的数据盘一般是小数据块的随机读写，响应时间要求较高，容量在2TB以下的占绝大多数，采

16、用SSD盘组成的RAID5既可以提供很高的IOPS又最大限度地利用其容量。2. 作为H3C存储的SafeCache空间。H3C存储提供的SafeCache功能可以使用户写入的数据先缓存在SafeCache盘中，后台再不断地把SafeCache盘中的数据刷回对应的数据盘。这样SSD相当于一个大容量的缓存，可以极大地提高突发写的能力。3. 高性能集群系统的共享数据盘。在集群系统中需要共享大量数据，且数据需要被各节点频繁访问，要求响应速度快，在此系统中通过采用SSD盘后，可以极大地减少各节点的访问共享盘的待定时间，提高其性能。四、市场行情 引用：2016年半年回顾：SSD固态硬盘市场现状如何? fr

17、om 4.1 3D TLC闪存抢滩 SSD市场在消费类市场中，三星由于最早投入3D NAND生产，现已广泛用于SSD上，所以在3D 闪存上三星占据着绝对优势，市场占有率将近40%。今年上半年，随着东芝/闪迪、美光、SK海力士等加快切入3D NAND生产，SSD市场将进入新的战局。目前SK海力士已推出了一款采用36层3D NAND企业级SSD，像金泰克系列新品所采用的16nm TLC 颗粒就是出自于海力士之手；美光也发布了基于3D TLC NAND的全新消费级SSD-MX300系列，台北展上亮相过，即将亮相中国市场；Intel在年底将正式发布基于3D TLC NAND的PRO 6000P、600

18、P系列SSD，而在上半年，Intel 540s系列SSD悄然上线，这是Intel首款TLC SSD，虽然仍旧是2D TLC，但是可以看到Intel开始重视TLC SSD市场的。4.2 支持2D/3D TLC的主控解决方案同时，国际控制芯片厂商Marvll 推出的88SS1074、88NV1140、88NV1120等SSD控制芯片也均支持2D/3D TLC NAND；慧荣也推出一款支持3D NAND-TLC SM2258，并已开始供货，预计很快更多非原厂3D TLC SSD面世。毫无疑问，3D TLC SSD将继TLC SSD之后，市场上又一闪耀的“明星”产品，同时也是SSD市场新角逐的对象。4

19、.3 TLC SSD集中亮相这其中包括三星750EVO系列、浦科特M7V系列、Intel 540s系列、英睿达MX300系列、金泰克S300系列 、金士顿UV400系列2016年上半年主角就是TLC SSD，几乎所有的新品都是TLC SSD。4.4 价格越来越便宜：240G SSD低至299元Figure 4-240GB SSD价格走势 图片来自 中国闪存市场 ChinaFlashM阻碍SSD普及就是“价格”，今年上半年SSD的价格整体呈下降趋势，对于消费者来说无疑是好事。120G-128G SSD价格区间在199-299元；而最受欢迎的240G-256G SSD价格区间在299-499元；更

20、大容量480G、512G甚至是1TB SSD，价格仍旧比较昂贵。不过，日前影驰铁甲战将240G在天猫上打出299元低价，一般这个价钱只能买到120G 容量，如今却能买到240GB，并且影驰也不算是小厂商，不得不，SSD越来越便宜了。五、发展前景5.1 企业级存储迎来超大容量固态硬盘时代 企业级存储迎来超大容量固态硬盘时代from C关于SSD何时取代硬碟的议题中，有两个观察指标：一是储存密度或容量的对比，二是单位容量成本的对比。面对SSD的竞争，更大的容量(以单一装置而言)，与更低的单位容量成本，是传统硬碟仅存的少许优势，但其中容量更大一项，已即将为SSD所超越。当前最大容量10TB硬碟问世还

21、不过1年时间，容量更大的15.3TB SSD已经在2016年上半年开始出货，一举逆转硬碟原有的容量优势。从下半年起，主要的企业级储存设备都将陆续支援15.3TB规格的SSD，但随着这类超大容量SSD的应用，也给企业储存带来新的问题，进而将带动新的储存架构发展。在技术进步的驱动下，无论硬碟还是SSD的容量都在持续增长，但两者的成长速度不同。由于储存装置的外型尺寸规格是固定的，所以是透过容量密度的提高来使容量向上增长，硬碟容量的成长取决于磁录技术进步所带来的磁录密度成长，而SSD的容量成长则取决于半导体制程技术的进展。相较于硬碟磁录技术，半导体制程技术的进步更快，也给SSD带来更快的容量成长速度。

22、SSD虽然直到2013年初才突破1TB容量，而同时期的硬碟最大容量已有6TB。但2年后，市场上就有4TB容量的SSD可买，相较之下，硬碟容量从1TB成长到4TB，便花了将近5年时间。而到了2016年中，硬碟最大容量虽然从3年前的6TB增加到10TB，提升了66%的容量，但在SSD方面，随着3D NAND Flash记忆体技术的实用化，SSD容量更是以倍于从前的速度持续增长，2015年初出现了6TB SSD，2016年初又有13TB容量的SSD上市，现在更大的7.68TB与15.3TB容量SSD，也都即将在下半年上市，较3年前增加了15倍。硬碟容量从1TB成长到当前的10TB，足足花了8年多，相

23、对的，SSD从1TB成长到15TB容量，却只花了3年多，由此可见两种储存媒体的容量成长速度差异。而且10TB硬碟是属于3.5寸规格，而SSD的标准规格是2.5寸，以更小的尺寸却能提供高出50%以上的容量，因此双方的容量密度还有着更大的差距。一直到2016年上半年之前，硬碟相对于SSD都还拥有容量优势，但随着SSD导入3D NAND技术，从2015年起储存容量便急速增长，到2016年上半年已正式超越硬碟。5.2 TB级SSD即将投入民用市场 SSD故事会(21)：4TB SSD来了你准备好了吗?from 三星2016年推出4T容量固态硬盘850 EVO 4TB SSDFigure 5-3D V-NAND 转自：在3D闪存领域，三星已经连续推出两代立体堆叠闪存，