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SSD基础知识及一些技术解析 Preparedby chencanwen 2012 4 12 目录 SSD定义及组成SSD发展历程SSD分类SSD与HDD优劣比较SSD性能参数及一些技术解析SSD产品测试介绍 SSD定义及组成 SSD SolidStateDisk 俗称固态硬盘 相对原来主轴旋转 并无机械部分 所以被人称为固态硬盘 SSD由控制单元和存储单元 FLASH芯片 组成 存儲單元負責存儲資料 控制單元負責讀取 寫入資料 简单的说就是存储芯片通过阵列制成的硬盘 基本都是RAID0模式 这也是SSD高速的原因 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的完全相同 SSD定义及组成 Controller主控 负责读取 写入SandForce Intel Marvell 迈威 JMicron智微 SamSung Indilinx Sandisk Toshiba东芝 SkyMedi擎泰 Phison群联 SMI慧荣 KTC太和 Alcor安国 USBest联盛 亮发Initio 量晶 NandFlash闪存 负责存储Intel SamSung Toshiba Micron Hynix Sandisk STMicro Renesas Qimonda Numonyx infineonMobileDRAM samsung Elpida 尔必达 Hynix 海力士 Mcron 镁光 SSD定义及组成 短板的出现 硬盘 硬盘 CPU 主板 内存 性能表现 SSD发展历程 1956年9月 IBM向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC RandomAccessMethodofAccountingandControl 1968年 IBM公司首次提出 温彻斯特 Winchester 技术1973年 IBM公司制造出第一台采用 温彻期特 技术的硬盘1979年 IBM发明薄膜磁头 为减小硬盘体积 增大容量 提高读写速度提供了可能80年代末期 IBM发明了MR MagnetoResistive 磁阻 使得盘片的存储密度比以往20MB每英寸提高了数十倍1991年 IBM生产的3 5英寸的硬盘使用了MR磁头 使硬盘的容量首次达到了1GB 从此硬盘容量开始进入了GB数量级1999年9月7日 Maxtor宣布了首块单碟容量高达10 2GB的ATA硬盘 把硬盘的容量引入了一个新里程碑2000年2月23日 希捷发布了转速高达15 000RPM的CheetahX15系列硬盘2000年3月16日 IBM第一款 玻璃硬盘 问世 HDD发展历程 SSD发展历程 上世紀七十年代 SunStorageTek公司就開發了第一個固態硬碟 由於價格昂貴 性能不穩定 使它來去匆匆 1989年 出現世界上第一款固態硬碟 不過由於其價格過於高昂因 在當時只限應用於非常特別的市場比如軍用市場 當時1M大小的快閃記憶體換算下來的價格達到了3500 2005年5月 三星首款基於Nand快閃記憶體技術的固態硬碟搶先出貨2007年3月 INTEL發佈了其首款固態硬碟 SSD 基于DRAM 基于FLASH MLCMulti LevelCell多层单元 NAND型与非 NOR型或非 SLCSingleLayerCell单层单元 SSD的分类 SSD的分类 基于DRAM的SSD 采用DRAM作为存储介质 目前应用范围较窄 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存储器和SSD存储器阵列两种 它是一种高性能的存储器 而且它的使用寿命很长 美中不足的它需要独立供电电源来保护数据安全 SSD的分类 基于闪存的SSD 采用Flash芯片作为存储介质 这也是通常所说的SSD 它的外观有多种 例如 笔记本硬盘 2 5 微硬盘 1 8 优盘等样式 这种SSD固态存储器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 但是使用年限不高 适合于个人用户使用 单层单元 SLC SingleLayerCell 每个单元是1bit成本高 容量小 速度快结构简单复写次数高达100000次多层单元 MLC Multi LevelCell 每个单元是2bit容量大 成本低 速度慢MLC存储单元中存放的资料较多 结构相对复杂 出错的几率会增加 必须进行错误修正 性能大幅落后于结构简单的SLC闪存复写次数5000 10000次为了保证MLC的寿命 控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法 使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊 达到100万小时故障间隔时间 MTBF NandFlash SLC MLC性能区别 SSD与HDD比较 16 转速 RotationalSpeed或Spindlespeed 是硬盘内电机主轴的旋转速度 也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数 平均访问时间 AverageAccessTime 是指磁头从起始位置到达目标磁道位置 并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间 平均访问时间 平均寻道时间 平均等待时间传输速率 DataTransferRate 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度 内部传输率 InternalTransferRate 亦称持续传输率 SustainedTransferRate 反映了硬盘缓冲区未用时的性能 SSD与HDD性能比较 SLC MLC HDD的性能比较 其中HDD为1 8英寸 SSD即是采用多个闪存芯片的并发读写来提供更好的性能 18 SSD HDD功耗比较 SSD与HDD其它比较 SSD在较宽的工作温度范围 强烈的抗震动和冲击的特性 使得SSD成为军事 车载 工控 视频监控 网络监控 网络终端 电力 医疗 航空等 导航设备等数据存储的首选 SSD HDD功耗比较 启动快没有电机加速旋转的过程 读取延迟小不用磁头 快速随机读取 读延迟极小 碎片不影响读取时间相对固定的读取时间 由于寻址时间与数据存储位置无关 因此磁盘碎片不会影响读取时间写入速度快基于DRAM的固态硬盘写入速度极快 无噪音发热量较低 SSD总结 不会发生机械故障内部不存在任何机械活动部件 不会发生机械故障 也不怕碰撞 冲击 振动 省电工作温度范围更大典型的硬盘驱动器只能在5到55 范围内工作 而大多数固态硬盘可在 10 70 工作 一些工业级的固态硬盘还可在 40 85 甚至更大的温度范围下工作 e g RunCore军工级产品温度为 55 135 体积小重量轻低容量的固态硬盘比同容量硬盘体积小 重量轻 但这一优势随容量增大而逐渐减弱 直至256GB 固态硬盘仍比相同容量的普通硬盘轻 SSD总结 成本高每单位容量价格是传统硬盘的5 10倍 基于闪存 甚至200 300倍 基于DRAM 容量低目前固态硬盘最大容量远低于传统硬盘 美国公司Foremay推出了EC188M系列固态硬盘2TB 传统硬盘的容量仍在迅速增长 据称IBM已测试过4TB的传统硬盘 易受外界影响由于不像传统硬盘那样屏蔽于法拉第笼中 固态硬盘更易受到某些外界因素的不良影响 如断电 基于DRAM的固态硬盘尤甚 磁场干扰 静电等 SSD总结 写入寿命有限写入寿命有限 基于闪存 一般闪存写入寿命为1万到10万次 特制的可达100万到500万次 然而整台计算机寿命期内文件系统的某些部分 如文件分配表 的写入次数仍将超过这一极限 特制的文件系统或者固件可以分担写入的位置 使固态硬盘的整体寿命达到20年以上 数据难以恢复数据损坏后难以恢复 一旦在硬件上发生损坏 如果是传统的磁盘或者磁带存储方式 通过数据恢复也许还能挽救一部分数据 但是如果是固态存储 一但芯片发生损坏 要想在碎成几瓣或者被电流击穿的芯片中找回数据那几乎就是不可能的 当然这种不足也是可以牺牲存储空间来弥补的 主要用RAID1来实现的备份 和传统的存储的备份原理相同 由于目前SSD的成本较高 采用这种方式备份还是价格不菲 SSD总结 25 可编辑 影响SSD系统性能因素 1 控制器性能2 闪存性能 MLC SLC 3 通道数量4 接口5 其他 PCB 工艺 层数layer 辅料 磁珠 电源IC等 SSD是以1page写入 而擦除则是以block为最小单位 所以全新的SSD因为数据顺序写入 能达到最佳性能 而使用过的SSD则将新数据写入空白区域 当删除数据并没有删除 只是原始数据被标注无效 当需擦除数据时 以NAND数据块 block 为单位进行擦除 影响SSD系统性能因素 28 写入放大WriteAmplification 因闪存读写特性决定 在写入数据前必须对闪存存储单元先进行擦除后方可改写 该特性使得产品使用寿命受到较多影响 同时也增加了无谓数据写入量 理论上说 写入放大倍数为1最适合 影响SSD系统性能因素 1 垃圾回收 GC Garbagecollection 这个比较特殊的算法用来整理 移动 合并 删除闪存块来提升效率 减少写入放大 2 预留空间 OP Over provisioning 这块取用一般被用来做优化 包括磨损均衡 GC Trim和坏块映射 7 37 3 TRIM开启后可以减少写入放大一个ATA指令 由操作系统发送给SSD主控 告诉主控哪些数据是无效的并且可以不用做垃圾回收操作 Trim命令需要SSD的支持 windows7 4 可用容量减少写入放大 好 可用空间越大 写入放大越低 SSD控制器会使用所有的可用空间做垃圾回收和磨损均衡 保证一定的可用空间可以提升SSD效率 减少写入放大 前提是支持Trim 5 安全擦除SecureErase减少写入放大 好清除所有用户数据和相关元数据 让SSD重置到初始性能 影响SSD系统性能因素 6 静动数据分离SeparatingStaticandDynamicData减少写入放大 好分组常改写和不常改写的数据 7 持续写入Sequentialwrites减少写入放大 好理论上来说 持续写入的写入放大为1 但是某些因素还是会影响这个数值 8 随机写入Randomwrites提高写入放大 不好随机写入会写入很多非连续的LBA 当全盘颗粒都被写过后 GC功能就将被启用 速度就会受到影响 之后的写入放大就会达到SSD主控制器的最大倍数 大量的随机小文件的写入是 闪存杀手 9 磨损平衡 WL WearLeveling直接提高写入放大 不好确保闪存的每个块被写入的次数相等的一种机制 影响SSD系统性能因素 31 垃圾收集 Garbagecollection 一旦SSD的所有块都已经写入了一次 SSD主控制器将会初始化那些包含无效数据的块 陈旧数据 这些块里的数据已经被更新的数据替换 已经无效了 没了LBA地址 现在他们正在等待被删除 以便新的数据可以写入其中 如何优化并整理这些个等待被删除的无效数据 这个算法被称为垃圾收集 GC 32 Trim功能与工作原理当LBA被操作系统更新后 只有随着之后的每次数据写入 其实等于覆盖 SSD主控制器才知道这个地址原来早已经失效了 之前认为每个数据都是有效的 在Win7里 由于Trim的引入解决了这个问题 当某些文件被删除或者格式化了整个分区 操作系统把Trim指令和在操作中更新的LBA一起发给SSD主控制器 其中包含了无效数据地址 这样在之后的GC操作中 无效数据就能被清空了 减少了写入放大同时也提升了性能 Trim的依赖性和局限性 1 Trim命令需要SSD的支持 某些老型号的SSD可以靠刷新固件得到Trim支持 G2 barefoot YK40 或者用一些独特的工具 barefootwiper 提取出系统里所有无效的LBA告诉SSD主控并清除 2 Trim命令之后 速度并不一定是立马就能提升的 因为Trim后的干净空间可能随机的包含在每个块里 只有等着多次的copyblock操作和主控的GC操作才能明显感觉到速度的提升 3 就算操作系统 驱动 SSD主控固件都满足Trim命令了 也不代表在某些特定环境下能工作 比如RAID阵列和数据库 至少到目前为止 预留空间Over provisioning 预留空间一般是指用户不可操作的容量 为实际物理闪存容量减去用户可用容量 这块取用一般被用来做优化 包括磨损均衡 GC Trim和坏块映射 损耗均衡算法WearLeveling WearLeveling就是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 SSD多通道并发技术 由于目前NandFlash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 类似RAID0 这样读写速度得到了极大地提高 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