固態硬碟

固態硬碟（Solid State Disk或Solid State Drive，簡稱SSD），又稱固態驅動器，是用固態電子存儲晶片陣列製成的硬碟。

基本介紹

• 中文名：固態硬碟/固態驅動器
• 外文名：Solid State Disk或Solid State Drive 
• 別名：固態
• 套用領域：軍事、車載、工控、電力、醫療等
• 組成：由控制單元，存儲單元與快取晶片組成
• 英文縮寫：SSD

基本簡介

固態硬碟，因為台灣的英語裡把固體電容稱為Solid而得名。SSD由控制單元和存儲單元（FLASH晶片、DRAM晶片）組成。

固態硬碟在接口的規範和定義、功能及使用方法上與普通硬碟的完全相同，在產品外形和尺寸上基本與普通硬碟一致（新興的U.2，M.2等形式的固態硬碟尺寸和外形與SATA機械硬碟完全不同）。

被廣泛套用于軍事、車載、工控、視頻監控、網路監控、網路終端、電力、醫療、航空、導航設備等諸多領域。

晶片的工作溫度範圍很大，商規產品（0~70℃）工規產品（-40~85℃）。雖然成本較高，但是正在普及至DIY市場。

由於固態硬碟的技術與傳統硬碟的技術不同，所以產生了不少新興的存儲器廠商。廠商只需購買NAND顆粒，再配適當的控制晶片，編寫主控制器代碼，就製造了固態硬碟。

新一代的固態硬碟普遍採用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、M.2接口、CFast接口、SFF-8639接口和NVME/AHCI協定。

分類

分類方式：

固態硬碟的存儲介質分為兩種，一種是採用快閃記憶體（FLASH晶片）作為存儲介質，另外一種是採用DRAM作為存儲介質。最新還有英特爾的XPoint顆粒技術。

基於快閃記憶體的固態硬碟：

基於快閃記憶體的固態硬碟（IDEFLASH DISK、Serial ATA Flash Disk）：採用FLASH晶片作為存儲介質，這也是通常所說的SSD。它的外觀可以被製作成多種模樣，例如：筆記本硬碟、微硬碟、存儲卡、隨身碟等樣式。這種SSD固態硬碟最大的優點就是可以移動，而且數據保護不受電源控制，能適應於各種環境，適合於個人用戶使用。壽命較長，根據不同的快閃記憶體介質有所不同。SLC快閃記憶體普遍達到上萬次的PE，MLC可達到3000次以上，TLC也達到了1000次左右，最新的QLC也能確保300次的壽命，普通用戶一年的寫入量不超過硬碟的50倍總尺寸，即便最廉價的QLC快閃記憶體，也能提供6年的寫入壽命。可靠性很高，高品質的家用固態硬碟可輕鬆達到普通家用機械硬碟十分之一的故障率。

基於DRAM類：

基於DRAM的固態硬碟：採用DRAM作為存儲介質，套用範圍較窄。它仿效傳統硬碟的設計，可被絕大部分作業系統的檔案系統工具進行卷設定和管理，並提供工業標準的PCI和FC接口用於連線主機或者伺服器。套用方式可分為SSD硬碟和SSD硬碟陣列兩種。它是一種高性能的存儲器，理論上可以無限寫入，美中不足的是需要獨立電源來保護數據安全。DRAM固態硬碟屬於比較非主流的設備。

基於3D XPoint類

基於3D XPoint的固態硬碟：原理上接近DRAM，但是屬於非易失存儲。讀取延時極低，可輕鬆達到現有固態硬碟的百分之一，並且有接近無限的存儲壽命。缺點是密度相對NAND較低，成本極高，多用於發燒級台式機和數據中心。

發展歷程

1956年，IBM公司發明了世界上第一塊硬碟。

1968年，IBM重新提出“溫徹斯特”（Winchester）技術的可行性，奠定了硬碟發展方向。

1970年，StorageTek公司(Sun StorageTek)開發了第一個固態硬碟驅動器。

1984年，東芝發明快閃記憶體。

1989年，世界上第一款固態硬碟出現。

2006年3月，三星率先發布一款32GB容量的固態硬碟筆記本電腦，

2007年1月，SanDisk公司發布了1.8寸32GB固態硬碟產品，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固態硬碟筆記本電腦。

2008年9月，憶正MemoRight SSD的正式發布，標誌著中國企業加速進軍固態硬碟行業。

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接口固態硬碟，突破了SATAII接口300MB/s的讀寫速度。

2010年底，瑞耐斯Renice推出全球第一款高性能mSATA固態硬碟並獲取專利權。

2013年，三星推出VNand 3D快閃記憶體。

2022年7月21日，三星電子宣布，公司成功研製出第二代智慧型固態硬碟（SmartSSD），今後將以此搶占未來市場。

基本結構

基於快閃記憶體的固態硬碟是固態硬碟的主要類別，其內部構造十分簡單，固態硬碟內主體其實就是一塊PCB板，而這塊PCB板上最基本的配件就是控制晶片，快取晶片（部分低端硬碟無快取晶片）和用於存儲數據的快閃記憶體晶片。

主控晶片

市面上比較常見的固態硬碟有LSISandForce、Indilinx、JMicron、Marvell、Phison、Sandisk、Goldendisk、Samsung以及Intel等多種主控晶片。主控晶片是固態硬碟的大腦，其作用一是合理調配數據在各個快閃記憶體晶片上的負荷，二則是承擔了整個數據中轉，連線快閃記憶體晶片和外部SATA接口。不同的主控之間能力相差非常大，在數據處理能力、算法，對快閃記憶體晶片的讀取寫入控制上會有非常大的不同，直接會導致固態硬碟產品在性能上差距高達數倍。

快取顆粒

主控晶片旁邊是快取顆粒，固態硬碟和傳統硬碟一樣需要高速的快取晶片輔助主控晶片進行數據處理。這裡需要注意的是，有一些廉價固態硬碟方案為了節省成本，省去了這塊快取晶片，這樣對於使用時的性能會有一定的影響，尤其是小檔案的讀寫性能和使用壽命上。

快閃記憶體晶片

除了主控晶片和快取晶片外，PCB板上其餘大部分位置都是NAND Flash快閃記憶體晶片。

NAND Flash快閃記憶體晶片又分為SLC（Single-Level Cell，單層單元）、MLC（Multi-Level Cell，雙層單元）、TLC（Trinary-Level Cell，三層單元）、QLC（Quad-Level Cell，四層單元）這四種規格。

另還有一種eMLC（Enterprise Multi-Level Cell，企業多層單元）是MLC NAND快閃記憶體的一個“增強型”的版本，它在一定程度上彌補了SLC和MLC之間的性能和耐久差距。

對比傳統硬碟

固態硬碟的接口規範和定義、功能及使用方法上與普通硬碟幾近相同，外形和尺寸也基本與普通的2.5英寸硬碟一致。

固態硬碟具有傳統機械硬碟不具備的快速讀寫、質量輕、能耗低以及體積小等特點，同時其劣勢也較為明顯。儘管IDC認為SSD已經進入存儲市場的主流行列，但其價格仍較為昂貴，容量較低，一旦硬體損壞，數據較難恢復等；並且亦有人認為固態硬碟的耐用性（壽命）相對較短。

影響固態硬碟性能的幾個因素主要是：主控晶片、NAND快閃記憶體介質和固件。在上述條件相同的情況下，採用何種接口也可能會影響SSD的性能。

主流的接口是SATA（包括3Gb/s和6Gb/s兩種）接口，亦有PCIe 3.0接口的SSD問世。

由於SSD與普通磁碟的設計及數據讀寫原理的不同，使得其內部的構造亦有很大的不同。一般而言，固態硬碟（SSD）的構造較為簡單，並且也可拆開；所以我們通常看到的有關SSD性能評測的文章之中大多附有SSD的內部拆卸圖。

而反觀普通的機械磁碟，其數據讀寫是靠碟片的高速旋轉所產生的氣流來托起磁頭，使得磁頭無限接近碟片，而又不接觸，並由步進電機來推動磁頭進行換道數據讀取。所以其內部構造相對較為複雜，也較為精密，一般情況下不允許拆卸。一旦人為拆卸，極有可能造成損害，磁碟無法正常工作。這也是為何在對磁碟進行評測時，我們基本看不到關於磁碟拆卸圖的原因。

優點

讀寫速度快：採用快閃記憶體作為存儲介質，讀取速度相對機械硬碟更快。固態硬碟不用磁頭，尋道時間幾乎為0。持續寫入的速度非常驚人，固態硬碟廠商大多會宣稱自家的固態硬碟持續讀寫速度超過了500MB/s，近年來的NVMe固態硬碟可達到2000MB/s左右，甚至4000MB/s以上。固態硬碟的快絕不僅僅體現於持續讀寫上，隨機讀寫速度快才是固態硬碟的終極奧義，這最直接體現於絕大部分的日常操作中。與之相關的還有極低的存取時間，最常見的7200轉機械硬碟的尋道時間一般為12-14毫秒，而固態硬碟可以輕易達到0.1毫秒甚至更低。

防震抗摔性：傳統硬碟都是磁碟型的，數據儲存在磁碟扇區里。而固態硬碟是使用快閃記憶體顆粒（即MP3、隨身碟等存儲介質）製作而成，所以SSD固態硬碟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盪時能夠將數據丟失的可能性降到最小。相較傳統硬碟，固態硬碟占有絕對優勢。

低功耗：固態硬碟的功耗上要低於傳統硬碟。

無噪音：固態硬碟沒有機械馬達和風扇，工作時噪音值為0分貝。基於快閃記憶體的固態硬碟在工作狀態下能耗和發熱量較低（但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、衝擊、振動。由於固態硬碟採用無機械部件的快閃記憶體晶片，所以具有了發熱量小、散熱快等特點。

工作溫度範圍大：典型的硬碟驅動器只能在5到55攝氏度範圍內工作。而大多數固態硬碟可在-10~70攝氏度工作。固態硬碟比同容量機械硬碟體積小、重量輕。固態硬碟的接口規範和定義、功能及使用方法上與普通硬碟的相同，在產品外形和尺寸上也與普通硬碟一致。其晶片的工作溫度範圍很寬（-40~85攝氏度）。

輕便：固態硬碟在重量方面更輕，與常規1.8英寸硬碟相比，重量輕20-30克。

缺點

容量：隨著MLC、TLC、QLC乃至未來的PLC等多階存儲單元的發展，固態硬碟容量正在迅速增長。截止2021年1月世界上容量最大的固態硬碟是Nimbus Data 推出的 ExaDrive DC100 系列固態硬碟，容量可達100TB。

壽命限制：固態硬碟快閃記憶體具有擦寫次數限制的問題，這也是許多人詬病其壽命短的所在。快閃記憶體完全擦寫一次叫做1次P/E，因此快閃記憶體的壽命就以P/E作單位。34nm的快閃記憶體晶片壽命約是5000次P/E，而25nm的壽命約是3000次P/E。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。一款120G的固態硬碟，要寫入120G的檔案才算做一次P/E。普通用戶正常使用，即使每天寫入50G，平均2天完成一次P/E，3000個P/E能用20年，到那時候，固態硬碟早就被替換成更先進的設備了(在實際使用中，用戶更多的操作是隨機寫，而不是連續寫，所以在使用壽命內，出現壞道的機率會更高)。另外，雖然固態硬碟的每個扇區可以重複擦寫100000次(SLC)，但某些套用，如作業系統的LOG記錄等，可能會對某一扇區進行多次反覆讀寫，而這種情況下，固態硬碟的實際壽命還未經考驗。不過通過均衡算法對存儲單元的管理，其預期壽命會延長。SLC有10萬次的寫入壽命，成本較低的MLC，寫入壽命僅有1萬次,而廉價的TLC快閃記憶體則更是只有1000-2000次。此外，使用全盤模擬SLC提升寫入速度的多階存儲固態會面臨寫入放大問題，進一步縮短壽命。

售價高：截止2021年1月市場上採用TLC存儲單元的256GB固態硬碟價格大約為240元人民幣左右（採用SATA接口+TLC顆粒），而1TB固態硬碟產品的價格大約在650元人民幣左右（NVMe接口+TLC顆粒）。計算下來每GB大約0.6-1元。相比每GB僅為0.2元的機械硬碟高了不少。

使用與保養

對於固態硬碟的使用和保養，最重要的一條就是：在機械硬碟時代養成的“良好習慣”，未必適合固態硬碟。

一、不要使用碎片整理

碎片整理是對付機械硬碟變慢的一個好方法，但對於固態硬碟來說這完全就是一種“折磨”。

消費級固態硬碟的擦寫次數是有限制，碎片整理會大大減少固態硬碟的使用壽命。其實，固態硬碟的垃圾回收機制就已經是一種很好的“磁碟整理”，再多的整理完全沒必要。Windows的“磁碟整理”功能是機械硬碟時代的產物，並不適用於SSD。

除此之外，使用固態硬碟最好禁用Win7的預讀(Superfetch)和快速搜尋(Windows Search)功能。這兩個功能的實用意義不大，而禁用可以降低硬碟讀寫頻率。（在Windows 10中，這一項最佳化不需要）

二、小分區 少分區

還是由於固態硬碟的“垃圾回收機制”。在固態硬碟上徹底刪除檔案，是將無效數據所在的整個區域摧毀，過程是這樣的：先把區域內有效數據集中起來，轉移到空閒的位置，然後把“問題區域”整個清除。

這一機制意味著，分區時不要把SSD的容量都分滿。例如一塊128G的固態硬碟，廠商一般會標稱120G，預留了一部分空間。但如果在分區的時候只分100G，留出更多空間，固態硬碟的性能表現會更好。這些保留空間會被自動用於固態硬碟內部的最佳化操作，如磨損平衡、垃圾回收和壞塊映射。這種做法被稱之為“小分區”。

“少分區”則是另外一種概念，關係到“4k對齊”對固態硬碟的影響。一方面主流SSD容量都不是很大，分區越多意味著浪費的空間越多，另一方面分區太多容易導致分區錯位，在分區邊界的磁碟區域性能可能受到影響。最簡單地保持“4k對齊”的方法就是用Win7自帶的分區工具進行分區，這樣能保證分出來的區域都是4K對齊的。

三、保留足夠剩餘空間

固態硬碟存儲越多性能越慢。而如果某個分區長期處於使用量超過90%的狀態，有些固態硬碟崩潰的可能性將大大增加，絕大部分硬碟也會出現性能降低的現象。

所以及時清理無用的檔案，設定合適的虛擬記憶體大小，將電影音樂等大檔案存放到機械硬碟非常重要，必須讓固態硬碟分區保留足夠的剩餘空間。

四、及時刷新固件

“固件”好比主機板上的BIOS，控制固態硬碟一切內部操作，不僅直接影響固態硬碟的性能、穩定性，也會影響到壽命。優秀的固件包含先進的算法能減少固態硬碟不必要的寫入，從而減少快閃記憶體晶片的磨損，維持性能的同時也延長了固態硬碟的壽命。因此及時更新官方發布的最新固件顯得十分重要。不僅能提升性能和穩定性，還可以修復之前出現的bug。

五、學會使用恢復指令

固態硬碟的Trim重置指令可以把性能完全恢復到出廠狀態。

隨著網際網路的飛速發展，人們對數據信息的存儲需求也在不斷提升，多家存儲廠商推出了自己的攜帶型固態硬碟，更有支持Type-C接口的移動固態硬碟和支持指紋識別的固態硬碟推出。

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