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固态硬盘

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2.5吋SATA SSD
三星980 PRO PCIe 4.0 NVMe SSD
配合mSATA转SATA转接器使用的mSATA SSD
SSD内部的印刷电路板
左上：7-pin SATA数据接口
左下：15-pin SATA电力接口
中：SandForce主控
右：六片NAND Flash
mini PCI-E SSD，接口与mSATA相同，但互不兼容

固态驱动器（英语：solid-state drive，简称SSD）也称固态硬盘（solid-state disk）是一种以集成电路制作的电脑存储装置。相比传统的机械硬盘，固态驱动器的体积更小、读写速度更快、功耗更低，但在上市早期由于价格及最大存储容量都与机械式硬盘有巨大差距，在普及率上无法与硬盘竞争。但自2010年代末期开始随着成本降低和体积更小的M.2标准推出，固态驱动器虽然仍比同容量的硬盘更贵，但因为性能上的优势已经开始逐步全面取代硬盘。

可以用非易失性存储器（主要以闪存中的 NAND Flash）作为永久性存储装置，也可以用易失性存储器（例如DRAM）作为临时性存储装置。

固态硬盘常采用SATA、PCI Express、mSATA、M.2、ZIF、IDE、U.2、CF、CFast（英语：CompactFlash）等接口。

分类

易失性存储器

用DIMM存储器制成固态盘

由易失性存储器制成的固态盘主要用于临时性存储（例如 I-RAM）。易失性存储器（例如DRAM）具有存取速度快的特点，可以将需要运行的程序、资料先行复制到易失性存储器中，然后再执行。这样可以避免永久性存储装置（例如传统硬盘）的启动延迟、搜索延迟…等对程序以及系统造成的影响。因为这类存储器需要持续靠电力维持其记忆，所以由此制成的固态盘还需要配合电池才能在断电时维持记忆。

由易失性存储器制成的固态盘可能可以搭配电池使用：当关机或电源意外中断时，这类固态盘可以靠电池驱动持续记忆资料，当电力恢复后，再将资料转移到永久性存储装置。

非易失性存储器

非易失性存储器的资料存取速度介于易失性存储器和传统硬盘之间。和易失性存储器相比，非易失性存储器一经写入资料，就不需要外界电力来维持其记忆。因此更适于作为传统硬盘的替代品。

闪存当中的NAND Flash是最常见的非易失性存储器。小容量的NAND闪存可被制作成带有USB接口的移动存储装置，亦即人们常说的“U盘”。随着生产成本的下降，将多个大容量闪存模块集成在一起，制成以闪存为存储介质的固态盘已经是目前的趋势。

目前用来生产固态盘的NAND Flash有四种，分别是单层式存储（SLC）、多层式存储（MLC，通常用来指称双层式存储）、三层式存储（TLC）、四层式存储（QLC）。有些厂商亦称TLC为3-bit MLC。[1]SLC、MLC、TLC的读写速度依序从快至慢（约4:2:1），使用寿命依序从长至短（约6:3:2），成本依序从高至低，需要纠错位元数（ECC）则是相反地从低至高（同一制程下1:2:4。不过ECC也受制程的影响，同一种晶片，越小尺度的制程需要越多的纠错位元）。[2][3]固态盘的主流从SLC晶片转到MLC晶片，促成了2011年的大降价，固态盘因此普及。

由于SLC的速度较快但成本过高，用于伺服器的企业级SSD都改用了MLC。[4]TLC因为速度较慢但成本低，原本只用来做U盘；不过2012下半年，SAMSUNG首先推出使用TLC的消费级固态盘（型号840系列），固态盘名牌Plextor也打算于2013年量产TLC产品作为低端廉价市场的主力，[5][6]然而TLC的寿命、速度和可靠性（错误率）成为消费者的最大疑虑（见下文：缺点）。生产商会在TLC SSD使用更先进的主控及更多预留空间（OP）来处理这些问题。

3-bit的TLC错误率较高，需要使用先进的主控及大量的空间进行纠错。4-bit的QLC错误率更高，因而寿命更短。三星已量产两代3D垂直闪存，利用3D堆栈增加存储密度。[7]东芝已于2017年发布QLC(四位元单元) BiCS架构的3D NAND闪存晶片。[8]

形式

华硕Eee PC的SSD

固态盘大部分被制作成与传统硬盘相同的外壳尺寸，例如常见的1.8吋、2.5吋或3.5吋规格，并采用了相互兼容的接口；但有些固态盘也使用PCI Express或是Express Card作为接口来突破现有硬盘传输接口的速度，或是在有限空间（如上网本、超级移动电脑等）中置放固态盘。

缺点

固态盘的五大缺点：高昂价格和成本、写入次数、读取干扰、损坏时的不可挽救性及掉速。[9]

价格高昂

早期的固态盘价格非常高昂，只用于军事及工业用途上；无论是易失性存储器还是非易失性存储器，其每兆字节（MB）成本都远高于传统硬盘。因此只有小容量的固态盘的价格能够被绝大多数人接受。

不过技术更新随着NAND Flash的19nm制程于2012年初进入量产，能够在同样大小的闪存空间内塞入倍增的容量；NAND Flash架构也从SLC到MLC、TLC、QLC；这两项技术都进一步降低每兆字节的成本[10][11]。

随着价格逐渐降低，固态盘广泛使用在一般的手提电脑上做为主系统碟。预计2018年有过半手提电脑搭配固态硬盘出厂。[12]而由于价格与存储空间之比和机械碟仍有较大差距，固态盘短时间内依旧无法在容量用途上取代机械硬盘，更多人的电脑上处于两者并存的状态。对于台式电脑及大型手提电脑的用户来说，使用两台硬盘是成本效益比最佳的方法：小容量SSD安装操作系统及常用资料，大容量机械碟存储不常用资料及做为SSD备份用。但是对于薄型手提电脑、超极本及平板电脑的用户来说，SSD的高成本仍是问题：容量够大的SSD很贵而且紧凑的电脑通常无法自行更换SSD而需专业拆机。

损坏时不可挽救

固态盘数据损坏后是难以修复救回资料的。当负责存储资料的闪存颗粒有毁损时，现在的数据修复技术很难在损坏的半导体晶片中救回资料，相反传统机械硬盘还能通过扇区恢复技术挽回许多资料，当然机械硬盘的数据救回服务收费极度高昂，通常只有企业在挽救重要价值资料时会使用。

虽然逐渐有厂商开发SSD轻度损坏时的救援方法，但传统的多存储介质备份习惯还是万全之法，不论是机械碟或SSD只要无备份习惯都将承受资料损失的风险。[13]

写入次数寿命

寿命方面，由于闪存上每一个电闸都有一定的写入次数限制，寿命结束后会无法写入变成只读状态；而且随着使用的闪存从SLC架构到MLC、TLC，若电闸的质量不变，理论上电闸寿命呈现6:3:2的衰退（因为其原理是在同一个电闸上记录1、2或3个位元，记录越多位元，被写入的机会就越高），[14]因此成为大众接受固态盘的另一个障碍。

另一方面，随着固态盘主控晶片的改进，能将写入地址依照电闸使用率更平均地分散，使只读状态不会太快到来；而固态盘容量的增大也有助于拉低电闸平均使用率，因为一般使用习惯上，会经常改写的文件只占全部资料的一小部分。优秀的厂商通常会用软件算法进一步延长一倍以上的寿命，使固态盘能经历极大量使用，甚至比电脑其它硬件还长久耐用，给予用户足够的缓冲时间将资料转移和备份。而最新的3D-nand技术则可以在降低成本、增加容量的同时避免写入寿命过低。 在2015年技术制造主要为MLC的 240-256GB SSD实测中，即使每天写入100GB数据到固态盘上也要连续19年才会耗尽其寿命，所以物理寿命问题已经远离一般家用用户的领域。[15]

静置时资料消失

JEDEC固态技术协会主席Alvin Cox于2015年的一份报告中探讨SSD长期不使用静置时资料的消失特性，时间长短与气温有相关性，根据英特尔（Intel）所提供的温度与资料保存的研究报告显示只要存放温度提高5度，资料保存时间就会缩短一半。在消费级SSD的标准状况下，于40度的运作温度中写入资料后于30度的温度下静置不通电可保存资料52周，大约相当于一年时间。温度越高时保存时间短，实验执行到55度气温的保存情境下，而一般人几乎不会遇到此温度。[16]

事实上就较少使用的“冷资料”存储来说，SSD原本就不符合存储容量效益，一般的大量资料归档保存，还是以机械硬盘、磁带较为适当。同时较新的MLC型SSD已经大幅改善这问题，而基本之道还是尽量将SSD多多使用，作为随身硬盘时也经常接入使其通电，避免长期静置。

读取干扰现象

读取干扰是容易发生的问题，闪存随着多次的读取，会导致在同一区块中相近的记忆单元内容改变（变成写入动作）。这即是所谓的读取干扰。会导致读取干扰现象的读取次数门槛介于区块被抹除间，通常为10万次。假如连续从一个记忆单元读取，此记忆单元将不会受损，而受损却是接下来被读取的周围记忆单元。

为避免读取干扰问题，闪存控制器通常会计算从上次抹除动作后的区块读取动作总次数。当计数值超过所设置的目标值门槛时，受影响的区块会被复制到一个新的区块，然后将原区块抹除后释放到区块回收区中。原区块在抹除动作后就会像新的一样。若是闪存控制器没有即时介入时读取干扰错误就会发生，如果错误太多而无法被ECC机制修复时就会伴随着可能的资料丢失。[17]目前此物理现象问题透过SSD上控制晶片的算法改善。[18]

掉速

闪存的另一个问题是掉速，会随着写入次数增加而降低速度，若接近装满时速度也会下降，所以使用时尽量让其保留一定的空闲空间较好，是用户必须改变的使用习惯。同时厂商设计上会通过OP（冗余资源）、磨损均衡等等技术来减缓掉速。

原因包括耗损平均技术的副作用、控制晶片及固件的优劣等。目前较佳的解决方案是Secure Erase（会略微缩短SSD寿命，不过在出现掉速时剩余寿命还很长）及提高更换频率。在量产之前TLC架构的速度相较于SLC和MLC产品，原本也是令人质疑的，因为理论上随着每一电闸记录位元数的增加，判读和写入的速度在相同的准确度之下都必然更缓慢。不过正式量产之后，TLC固态盘的读写速度甚至略高于同容量MLC的最高速产品，这归功于主控晶片的进步以及多通道的使用。[19]

优点

和机械硬盘相比读写速度远远胜出，尤其是随机读写，这也是其最主要的优点。还具有无噪音、抗震动，在一般使用情境下平均功耗、热量会比较低的特点。这些特点可以延长靠电池供电的电脑装置运转时间，并且更适合用在行动式装置。

例如三星电子于2006年3月推出的容量为32GB的固态盘，采用和传统微硬盘相同的1.8吋规格。其耗电量只有机械硬盘的5%，写入速度是1.5倍，读取速度是3倍，并且没有任何噪音。[20]

在2007年台北国际电脑展览会中，闪迪公司发表64GB与32GB的固态盘，并有2.5吋、SATA接口与1.8吋、UATA接口两种规格。OCZ Technology现场展出的固态盘分为2.5吋与1.8吋两种，其中2.5吋采用SATA接口最大容量可达128GB；1.8吋机种则是采用IDE接口，最大容量可达64GB，可分别使用在手提电脑与更小的UMPC上，用来取代传统的硬盘。OCZ的2.5吋固态盘OCTANE，容量已达到1TB。[21][22]

三星2015在闪存高峰会（Flash Memory Summit）上发表容量高达16TB的2.5吋固态盘PM1633a（V-NAND），其存储容量甚至高过于传统硬盘。固态盘的表现与传统硬盘互有胜负，一般在容量、速度、价钱、性价比等作出比较。最初的固态盘容量少、价钱高，性价比远不及传统的机械式硬盘。但随着固态盘的不断发展，固态盘的容量已有实用性，价钱明显下滑之下，已为传统硬盘市场制造危机。

混合固态硬盘

主条目：混合固态硬盘

有众多存储厂商推出融合SSD/HDD优点的固态混合硬盘，像是OCZ RevoDrive Hybrid、Seagate Momentus XT 750GB及之后的SSHD（混合固态硬盘）[23]等等。其它像主板厂商也有使用多个SATA连接端口将SSD/HDD同时使用，像是ASUS的SSD Caching功能。还有磁盘阵列厂商的缓存加速卡，像是HighPoint RocketCache 3240x8等等。

2011年，Intel推出了使用SSD作为缓冲优化磁碟表现的技术——SRT（Smart Response Technology）[24]。在配套的Intel晶片组上，如Z68、QS77、H77等上，可以将SSD与HDD以RAID模式连接，并在系统中以Intel Rapid Storage Technology程序进行加速管理，实现磁碟性能的提升。Intel也在次年2012年推出了名为313的SLC SSD产品线[25]，针对加速用途，提供20、24GB容量。

于2012年底，苹果公司发布新一代iMac时同时展示了“Fusion Drive”技术，Fusion Drive技术除了融合HDD和SSD外（合并在同一的逻辑卷），还在操作系统（只限在OS X）上作配合。原理是在用户不知情的情况下，操作系统自动在背景将用户常用应用程式、文件、照片或者其他数据来存储在SSD中，同时将很少访问或者使用的文件留在HDD。苹果公司在发布时指出在正常情况使用下，Fusion Drive的平均性能是SSD的80%，可以让用户体验“SSD的性能，HDD的容量”。

预留空间

SSD的预留空间（Over-provisioning，OP）可用作垃圾收回（Garbage collection）、ECC或其他数据保护技术。

预留空间可分成三层

  • 第一层是容量的7.37%，128GB SSD实际上有128GB NAND Flash，厂商以十进制标示容量大小，以二进制计算两者有7.37%差额。这层是不会标示的。所以标示为0% OP的SSD，实际上也有7% OP。
  • 第二层是厂商决定的，通常是0%、7%、28%。所以，我们会看见128GB、120GB、100GB的SSD。它们都有128GB，只是被厂商保留起来作OP。企业版SSD注重稳定性及耐用性，所以会保留多达28%空间作OP。要注意，把一个120GB SSD连接到电脑只可看见112GB空间，是因为大部分操作系统（包括Windows及Android）以二进制计算空间大小120x109=112x230，就如16GB SD卡插进手机或电脑只看见15GB一样，与OP无关。
  • 第三层是用户自行划分的，用户在分区时可自行预留空间作为OP，以满足不同需要（稳定性／可用空间）。如果预留多达50%空间作OP，持续地写入大量细小文件的高负载情况下，写入性能只有轻微下降。[26]但一般情况下，没有需要再保留更多空间作OP，因为一般使用情境下不会大量和持续地写入数据。若以SSD建立RAID，应保留一定空间以弥补没有TRIM的影响。

分类

首先按照外观结构接口分类，再按照支持的逻辑装置接口（驱动程式）与总线协议分类：

  • 传统硬盘驱动器接口
    • IDE：罕见
    • SATA：AHCI逻辑装置接口、SATA总线
    • SAS：AHCI逻辑装置接口、SATA总线
    • U.2：NVMe逻辑装置接口、PCIe总线。外观上和SAS接口一致。主要应用在企业级的SSD固态上，极大地提高伺服器数据传输速度，理论上速度可以达到32GB/s（即256Gbps），近似于PCIe 4.0 x16满速，PCIe3.0 x16的两倍之快。
    • SATAe：AHCI逻辑装置接口、SATA总线。由两个SATA接口和一个辅助接口组合而成，理论的速度6GB/s * 2 = 12GB/s，实际可能只能达到10GB/s左右。目前被M.2接口取代。
  • 扩展接口卡
    • mSATA：AHCI逻辑装置接口、SATA总线
      • 30mm*50mm 全高
      • 30mm*25mm 半高
    • M.2 即NGFF。尺寸有2230、2242、2260、2280、22110
      • B key
      • M key：理论上兼容B key外观接口，即可以插入B key的槽中。
    • PCIe：可有 PCIe 2.0x2、PCIe 2.0x4、PCIe 2.0x8、PCIe 3.0x4
      • 兼容SATA
      • 不带NVMe逻辑装置接口
      • 带NVMe逻辑装置接口
  • 可移动磁碟

参见

参考文献

  1. ^ 三星大规模生产128Gb MLC闪存芯片. MyDrivers. [2013-10-17]. （原始内容存档于2013-10-17）. 
  2. ^ Flash Chip Type（TLC, MLC, SLC）. CENTON. [2013-03-02]. （原始内容存档于2013-03-30）. 
  3. ^ 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]. （原始内容存档于2015-02-27）. 
  4. ^ 最佳做法. Enterprise versus Client SSD. Kingston. [2013-10-20]. （原始内容存档于2013-10-20）. 
  5. ^ 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]. （原始内容存档于2013-08-09）. 
  6. ^ 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]. （原始内容存档于2013-10-14）. 
  7. ^ Samsung宣佈量產全球首個3D垂直閃存V-NAND. [2013-10-20]. （原始内容存档于2013-09-19）. 
  8. ^ 中关村在线. 东芝全球首发QLC闪存彪悍：竟堪比TLC. ssd.zol.com.cn. [2018-11-21]. （原始内容存档于2018-11-21）. 
  9. ^ OCZ VERTEX3 240GB固態硬碟評測. [2009-02-05]. （原始内容存档于2011-07-22）. 
  10. ^ 张岚霆. 東芝發表19nm快閃記憶體. iTHome online. 2011-04-25 [2013-03-02]. （原始内容存档于2013-10-16）. 
  11. ^ 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]. （原始内容存档于2013-10-16）. 
  12. ^ Mamiit, Aaron. Most Laptops Will Have SSDs Instead Of HDDs By 2018, Report Says: Is This Good Or Bad For Consumers?. Tech Times. 2016-08-30 [2018-08-12]. （原始内容存档于2018-08-12） （英语）. 
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  14. ^ Solid-state revolution: in-depth on how SSDs really work. Ars Technica. 2012-06-04 [2013-02-12]. （原始内容存档于2013-02-18）. 
  15. ^ http://www.newmobilelife.com/2015/03/13/6-ssd-endurance-test-ended/ （页面存档备份，存于互联网档案馆） SSD生命力有多强？由这个长寿测试告诉你！
  16. ^ SSD資料會消失?. [2019-05-01]. （原始内容存档于2019-05-01）. 
  17. ^ TN-29-17 NAND Flash Design and Use Considerations Introduction (PDF). Micron. April 2010 [29 July 2011]. （原始内容 (PDF)存档于2011年7月19日）. 
  18. ^ Kawamatus, Tatsuya. TECHNOLOGY FOR MANAGING NAND FLASH (PDF). Hagiwara sys-com co., LTD. [1 August 2011]. [永久失效链接]
  19. ^ Trotz TLC-Speicher rasend schnelle SSD. GameStar. 2013-01-08 [2013-03-03]. （原始内容存档于2013-02-19） （德语）. 
  20. ^ Samsung. Samsung Launches NAND Flash-based Solid State Disk for Mobile PCs. Samsung. 2006-03-21 [2014-12-12]. （原始内容存档于2014-12-13） （英语）. 
  21. ^ Anand Lal Shimpi. OCZ's Octane SSD: Indilinx Everest, Up to 1TB in a Consumer Drive. AnandTech. 2011-10-20 [2014-12-12]. （原始内容存档于2014-12-13） （英语）. 
  22. ^ Lucas Mearian. OCZ releases first 1TB laptop SSD with 'instant on' boot up. Computer World. 2011-10-20 [2014-12-12]. （原始内容存档于2014-12-13） （英语）. 
  23. ^ 固态混合硬盘技术 （页面存档备份，存于互联网档案馆） - Seagate
  24. ^ Intel® Smart Response Technology （页面存档备份，存于互联网档案馆）—Intel（英文）
  25. ^ Intel® SSD 313 Series （页面存档备份，存于互联网档案馆） - ARK Intel（英文）
  26. ^ James. 预留下25%最佳？SSD空间/性能关系探寻. PConline. 2012-12-13 [2013-11-13]. （原始内容存档于2013-11-13）. 

外部链接

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