固態硬碟

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2.5" SATA SSD
SSD內部的印刷電路板
左上:7-pin SATA資料接口
左下:15-pin SATA電力接口
中:SandForce主控
右:六片NAND Flash
mini PCI-E SSD,介面與mSATA相同,但互不相容

固態硬碟Solid State Disk、Solid State Drive,簡稱SSD)是一種以記憶體作為永久性記憶體的電腦儲存裝置。[1]雖然SSD已不是使用「碟」來記存資料,而是使用NAND Flash,但是人們依照命名習慣,仍然稱為固態硬碟(Solid-State Disk)或固態驅動器(Solid-State Drive)。當然,SSD內也沒有用來驅動(Drive)旋轉的馬達希捷科技另稱其為固態儲存器[1](簡稱[固存])。

由於固態硬碟技術與傳統硬碟技術不同,所以產生了不少新興的記憶體廠商。廠商只需使用快閃記憶體(NAND),再配合適當的控制晶片,就可以製造固態硬碟了。新一代的固態硬碟普遍採用SATA-3介面,也有使用PCI-E x8或者mSATAZIFIDECFCFast等介面的固態硬碟銷售,如Intel 910,Goldendisk CFast,Glodendisk Esatadom。

分類[編輯]

揮發性記憶體[編輯]

使用DIMM記憶體製成的固態硬碟

由易失記憶體製成的固態硬碟主要用於臨時性存儲。因為這類記憶體需要靠外界電力維持其記憶,所以由此製成的固態硬碟還需要配合電池才能使用。揮發性記憶體,例如SDRAM,具有存取速度快的特點。利用這一特點,可以將需要運行的程式從傳統硬碟複製到固態硬碟中,然後再交由電腦執行,這樣可以避免由於傳統硬碟的啟動延遲、搜尋延遲等對程式以及系統造成的影響。

由揮發性記憶體製成的固態硬碟通常會依靠電池來保證完成應急備份:當電源意外中斷時,靠電池驅動的這類固態硬碟可以有足夠的時間將資料轉移到傳統硬碟中。當電力恢復後,再從傳統硬碟中恢復資料。

非揮發性記憶體[編輯]

非揮發性記憶體的資料存取速度介於揮發性記憶體和傳統硬碟之間。和揮發性記憶體相比,非揮發性記憶體一經寫入資料,就不需要外界電力來維持其記憶。因此更適於作為傳統硬碟的替代品。

快閃記憶體當中的NAND Flash是最常見的非揮發性記憶體。小容量的NAND快閃記憶體可被製作成帶有USB介面的移動存儲裝置,亦即人們常說的「隨身碟」。隨著生產成本的下降,將多個大容量快閃記憶體模組整合在一起,製成以快閃記憶體為存儲介質的固態硬碟已經是目前的趨勢。

目前用來生產固態硬碟的NAND Flash有三種,分別是單層式儲存(SLC)、多層式儲存(MLC,通常用來指稱兩層式儲存)、三層式儲存(TLC)。現在,廠商已不使用TLC這個名字,她們稱作3-bit MLC。[2]SLC、MLC及TLC的讀寫速度依序從快至慢(約4:2:1),使用壽命依序從長至短(約6:3:2),成本依序從高至低,需要糾錯位元數(ECC)則是相反地從低至高(同一製程下1:2:4。不過ECC也受製程的影響,同一種晶片,越小尺度的製程需要越多的糾錯位元)。[3][4]固態硬碟的主流從SLC晶片轉到MLC晶片,促成了2011年的大降價,固態硬碟因此普及。

由於SLC的成本過高,用於伺服器的企業級SSD都改用了MLC。[5]TLC因為速度較慢但成本低,原本只用來做隨身碟;不過2012下半年,SAMSUNG首先推出使用TLC的消費級固態硬碟(型號840系列),固態硬碟名牌Plextor也打算於2013年量產TLC產品作為低階廉價市場的主力,[6][7]然而TLC的壽命、速度和可靠性(錯誤率)成為消費者的最大疑慮(見下文:缺點)。生產商會在TLC SSD使用更先進的主控及更多預留空間(OP)來處理這些問題。

TLC的錯誤率已經很高,需要使用先進的主控及大量的空間進行糾錯。如果發展4-bit MLC會令錯誤率升得更高,同時壽命更短。三星已展示新一代3D垂直閃存,利用3D堆疊增加儲存密度。[8] 因有馬達動作,所以有熱能產生,7200轉已是上限(太熱)目前技術無法克服 就算是筆電頂級7200轉,效能還是輸ssd

形式[編輯]

華碩Eee PC的SSD

固態硬碟大部分被製作成與傳統硬碟相同的外殼尺寸,例如常見的1.8吋、2.5吋或3.5吋規格,並採用了相互相容的介面;但有些固態硬碟也使用PCI Express或是Express Card作為介面來突破現有硬碟傳輸介面的速度,或是在有限空間(如小筆電超級移動電腦等)中置放固態硬碟。

優點[編輯]

和傳統硬碟相比,固態硬碟具有低功耗、無噪音、抗震動、低熱量的特點。這些特點不僅使得資料能更加安全地得到保存,而且也延長了靠電池供電的設備的連續運轉時間。

例如三星半導體公司2006年3月推出的容量為32GB的固態硬碟,採用了和傳統微硬碟相同的1.8吋規格。其耗電量只有常規硬碟的5%,寫入速度是傳統硬碟的1.5倍,讀取速度是傳統硬碟的3倍,並且沒有任何噪音。[9]

在2007年的Computex Taipei中,新帝公司發表了64GB與32GB的固態硬碟,並有2.5吋、SATA介面與1.8吋、UATA介面兩種規格。OCZ現場展出的固態硬碟分為2.5吋與1.8吋兩種,其中2.5吋採用SATA介面,最大容量可達128GB;1.8吋機種則是採用IDE介面,最大容量可達64GB,可分別使用在筆記型電腦與更小的UMPC上,用來取代傳統的硬碟。現在由OCZ Technology發表的OCTANE 2.5吋固態硬碟容量已達到1TB。[10]

固態硬碟的表現與傳統硬碟互有勝負,一般在容量、速度、價錢、價效比等作出比較。最初的固態硬碟容量少,價錢高,至價效比遠不及傳統的機器性硬碟。但隨著固態硬碟的不斷發展,固態硬碟的容量已有實用性,價錢明顯下滑之下,已為傳統硬碟市場製造危機。

缺點[編輯]

目前固態硬碟普及的三大問題:成本、寫入次數和損壞時的不可挽救性。[11]

固態硬碟以往由於價格高昂,通常只用於軍事工業用途上,不過隨著NAND快閃記憶體成本的不斷下降,如今固態硬碟已經使用在一般的筆記型電腦上,並預計逐步於刀鋒伺服器上採用,提供全新的電腦使用體驗。固態硬碟比起傳統硬碟具有速度快、耗電量低與不會出現實體壞軌的優點。由於硬碟早已是系統效能的瓶頸,因此改用固態硬碟可以帶來明顯及令人興奮的效能提升。但由於價格與儲存空間比於傳統硬碟仍有較大差距,固態硬碟成為真正主流儲存設備而取代傳統硬碟仍需一定時間。

成本方面,無論是揮發性記憶體還是非揮發性記憶體,其每百萬位元組(MB)成本都遠高於傳統硬碟。因此只有小容量的固態硬碟的價格能夠被大多數人所承受。當消費級傳統硬碟2012年已經來到2T、3T甚至5T時,相當價位的固態硬碟只有128G或256G。壽命方面,由於快閃記憶體上每一個電閘都有一定的寫入次數限制,壽命結束後會無法寫入變成唯讀狀態;而且隨著使用的快閃記憶體從SLC架構到MLC,到最近開始改用TLC,若電閘的品質不變,理論上電閘壽命呈現6:3:2的衰退(因為其原理是在同一個電閘上記錄1、2或3個位元,記錄越多位元,被寫入的機會就越高),[12]因此成為大眾接受固態硬碟的另一個障礙。

不過技術總是在更新:成本方面,隨著NAND Flash的19nm製程於2012年初進入量產,使得能夠在同樣大小的快閃記憶體空間內塞入倍增的容量;隨著NAND Flash從SLC架構到MLC,到最近開始改用TLC;這兩項技術都進一步降低每百萬位元組的成本[13][14]。而壽命方面,隨著固態硬碟主控晶片的改進,能將寫入位址依照電閘使用率更平均地分散,使唯讀狀態不會太快到來;而固態硬碟容量的增大,也有助於拉低電閘平均使用率,因為一般使用習慣上,會經常改寫的檔案只佔全部資料的一小部分。

第三大問題,也是很多人最在意的問題:固態硬碟資料損壞後是難以修復的。當負責儲存資料的快閃記憶體顆粒有毀損時,現時的資料修復技術不可能在損壞的晶片中救回資料,相反傳統機械硬碟或許還能透過一些資料恢復技術挽回一些資料。不過真正在意資料保存的人士一般也會定期備份資料。

在量產之前,TLC架構的速度相較於SLCMLC產品,原本也是令人質疑的,因為理論上隨著每一電閘記錄位元數的增加,判讀和寫入的速度在相同的準確度之下都必然更緩慢。不過正式量產之後,TLC固態硬碟的讀寫速度甚至略高於同容量MLC的最高速產品,這歸功於主控晶片的進步,以及多通道的使用。[15]

演變[編輯]

目前有眾多儲存廠商推出融合SSD/HDD優點的固態混合硬碟,像是OCZ RevoDrive Hybrid. Seagate Momentus XT 750GB等等。其它像主機板廠商也有使用多個SATA連接埠將SSD/HDD同時使用,像是ASUS的SSD Caching功能。還有磁碟陣列廠商的快取加速卡,像是HighPoint RocketCache 3240x8等等。

預留空間[編輯]

SSD的預留空間(Over-provisioning,OP)可用作垃圾收回(Garbage collection)、ECC或其他資料保護技術。

預留空間可分成三層。第一層是容量的7.37%,128GB SSD實際上有128GiB NAND Flash,廠商以十進制標示容量大小,以二進制計算兩者有7.37%差額。這層是不會標示的。所以標示為0% OP的SSD,實際上也有7% OP。

第二層是廠商決定的,通常是0%、7%、28%。所以,我們會看見128GB、120GB、100GB的SSD。它們都有128GB,只是被廠商保留起來作OP。企業版SSD注重穩定性及耐用性,所以會保留多達28%空間作OP。要注意,把一個120GB SSD連接到電腦只可看見112GB空間,是因為大部份作業系統(包括WindowsAndroid)以二進制計算空間大小120x109=112x230,就如16GB SD卡插進手機或電腦只看見15GB一樣,與OP無關。

第三層是使用者自行劃分的,使用者在分區時可自行預留空間作為OP,以滿足不同需要(穩定性/可用空間)。如果預留多達50%空間作OP,持續地寫入大量細小檔案的高負載情況下,寫入效能只有輕微下降。[16]但一般情況下,沒有需要再保留更多空間作OP,因為家用電腦不會大量和持續地寫入資料。若以SSD建立RAID,應保留一定空間以彌補沒有TRIM的影響。

Over-provisioning on an SSD.png

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 王順德. 快閃記憶體變身固態硬碟零轉速、硬碟效率更快速. PChome電腦家庭. 2007/07/18 [2014-03-04查詢]. 
  2. ^ 三星大規模生產128Gb MLC閃存芯片. MyDrivers. [2013-10-17]. 
  3. ^ Flash Chip Type(TLC, MLC, SLC). CENTON. [2013-03-02]. 
  4. ^ Flash與SSD產業的挑戰─可靠度與總成本. 科技商情Digitimes. 2012-08-30 [2013-03-02]. 
  5. ^ 最佳做法. Enterprise versus Client SSD. Kingston. [2013-10-20]. 
  6. ^ 性能比三星840還要強,浦科特展示TLC快閃記憶體的M5系列SSD. XF ASTEST. 2013-01-09 [2013-03-02]. 
  7. ^ 快閃記憶體來自東芝,PLEXTOR TLC SSD將在CeBIT展會亮相. XF ASTEST. 2013-02-28 [2013-03-02]. 
  8. ^ Samsung宣佈量產全球首個3D垂直閃存V-NAND. [2013-10-20]. 
  9. ^ Samsung. Samsung Launches NAND Flash-based Solid State Disk for Mobile PCs. Samsung. 2006年3月21日 [2007-1-11] (英文). 
  10. ^ Octane - SATA III 2.5"(EOL). OCZ. [2013-10-15] (英文). 
  11. ^ OCZ VERTEX3 240GB固態硬碟評測. [2009-02-05]. 
  12. ^ Solid-state revolution: in-depth on how SSDs really work. Ars Technica. 2012-06-04 [2013-02-12]. 
  13. ^ 張嵐霆. 東芝發表19nm快閃記憶體. iTHome online. 2011-04-25 [2013-03-02]. 
  14. ^ 范眠. 英特爾、美光發表20奈米NAND快閃記憶體. iTHome online. 2011-04-15 [2013-03-02]. 
  15. ^ Trotz TLC-Speicher rasend schnelle SSD. GameStar. 2013-01-08 [2013-03-03] (德文). 
  16. ^ James. 預留下25%最佳?SSD空間/性能關係探尋. PConline. 2012-12-13 00:15 [2013-11-13]. 

外部連結[編輯]