固态硬盘——传统硬盘的接班人.docx

一、固态硬盘简介固态硬盘简称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-SSDSLC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。1.2 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，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Figure 2-NAND读写结构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64M×16bit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