固態硬盤SSD與閃存（Flash Memory）

轉自：http://qiaodahai.com/solid-state-drives-ssd-and-flash-memory.html

固態硬盤SSD(Solid State Drive)泛指使用NAND Flash組成的固態硬盤，其特別之處在於沒有機械結構，利用傳統的NAND Flash特性，以區塊寫入和抹除的方式做讀寫的功能，所以在讀寫的效率上，很是依賴讀寫技術上的設計，與目前的傳統硬盤相較，具備低耗電、耐震、穩定性高、耐低溫等優勢。
世界上第一款固態硬盤出現於1989年，不過因爲其價格過於高昂所以在當時只限應用於很是特別的市場好比醫療、工做以及軍用市場。實際上雖然當時其1M大小的閃存換算下來的價格已經達到了3500美圓，可是其性能卻要遠低於當時的普通硬盤產品，不過憑藉其獨有的特性卻使得閃存硬盤在軍用、航空以及醫療領域得到了長足的發展。
相比而言，固態硬盤首先功耗很低，發熱量小，工做噪音低。而如今隨着控制器以及閃存發展的不斷成熟在一些特別的應用領域其性能已經接近甚至超過了普通硬盤。 以後，隨着三星、SONY等一大批國外實力廠家的不斷開發研究，SSD市場已經全面開花了。
每個新生事物的出現總會遇到價格偏高的問題，SSD也因其研發成本、技術含量等問題，價格相對於其餘存儲設備來講要高，但其優點也仍是很是明顯的。

固態硬盤的優勢
固態硬盤與普通硬盤比較，擁有如下優勢：
1. 啓動快，沒有電機加速旋轉的過程。
2. 不用磁頭，快速隨機讀取，讀延遲極小。根據相關測試：兩臺電腦在一樣配置的電腦下，搭載固態硬盤的筆記本從開機到出現桌面一共只用了18秒，而搭載傳統硬盤的筆記本總共用了31秒，二者幾乎有將近一半的差距。
3. 相對固定的讀取時間。因爲尋址時間與數據存儲位置無關，所以磁盤碎片不會影響讀取時間。
4. 基於DRAM的固態硬盤寫入速度極快。
5. 無噪音。由於沒有機械馬達和風扇，工做時噪音值爲0分貝。某些高端或大容量產品裝有風扇，所以仍會產生噪音。
6. 低容量的基於閃存的固態硬盤在工做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。
7. 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。這樣即便在高速移動甚至伴隨翻轉傾斜的狀況下也不會影響到正常使用，並且在筆記本電腦發生意外掉落或與硬物碰撞時可以將數據丟失的可能性降到最小。
8. 工做溫度範圍更大。典型的硬盤驅動器只能在5到55℃範圍內工做。而大多數固態硬盤可在-10~70℃工做，一些工業級的固態硬盤還可在-40~85℃，甚至更大的溫度範圍下工做。
9. 低容量的固態硬盤比同容量硬盤體積小、重量輕。但這一優點隨容量增大而逐漸減弱。直至256GB，固態硬盤仍比相同容量的普通硬盤輕。
固態存儲技術（簡稱爲SSD），通常能夠分爲二種，一種是基於閃存的SSD，採用FLASH MEMORY 做爲存儲介質，這也是咱們一般比較常見的SSD，象咱們常用的U盤，數碼相機等一些電子存儲器及另一些ATA、SCSI、FC接口的Flash Disk，統稱爲閃存盤；SSD的另外一種是DDRRAM Base SSD，採用DDRRAM做爲存儲介質、仿效傳統磁盤驅動器的設計、可被各類操做系統的文件系統工具進行卷設置和管理，並提供工業標準的PCI和FC接口用於鏈接主機/服務器或存儲網絡的存儲設備，可分爲SSD驅動器和SSD盤陣列二大塊，是一種真正高性能的存儲，並且它的使用壽命很是長，幾乎包含全部閃存盤所擁有的優勢或它所欠缺的部分，美中不足的它卻須要電源保護數據安全。
基於FLASH 的SSD最大的優勢就是能夠移動，並且數據保護不受電源控制，能適應於各類環境，可是使用年限不高。因此閃存盤的容量通常都很是小，上G的已經算大了，目前最大的有64G的Flash Disk。適合於我的PC用戶使用，但應用到企業的存儲系統就無能爲力了。採用FLASH內存的SSD具有至關高的數據安全性，而且在噪音、便攜性等方面都有硬盤所沒法媲美的優點，在航空航天、軍事、金融、電信、電子商務等部門中都有普遍的使用。
而DDRRAM Base SSD相對普通HDD硬盤的最顯著優點就是速度，例如一個每分鐘15000轉的硬盤轉一圈須要200毫秒的時間，而在SSD上因爲是數據是存放在半導體內存上，可以在低於一毫秒的時間內對任意位置的存儲單元完成I/O（輸入/輸出）操做，所以在對許多應用程序來講最爲關鍵的I/O性能指標——IOPs（即每秒多少次IO動做）上，SSD能夠達到硬盤的50~800倍。

【閃存的概念】
閃存（Flash Memory）是一種長壽命的非易失性（在斷電狀況下仍能保持所存儲的數據信息）的存儲器，數據刪除不是以單個的字節爲單位而是以固定的區塊爲單位（注意：NOR Flash 爲字節存儲。），區塊大小通常爲256KB到20MB。閃存是電子可擦除只讀存儲器（EEPROM）的變種，EEPROM與閃存不一樣的是，它能在字節水平上進行刪除和重寫而不是整個芯片擦寫，這樣閃存就比EEPROM的更新速度快。因爲其斷電時仍能保存數據，閃存一般被用來保存設置信息，如在電腦的BIOS（基本輸入輸出程序）、PDA（我的數字助理）、數碼相機中保存資料等。另外一方面，閃存不像RAM（隨機存取存儲器）同樣以字節爲單位改寫數據，所以不能取代RAM。
閃存卡（Flash Card）是利用閃存（Flash Memory）技術達到存儲電子信息的存儲器，通常應用在數碼相機，掌上電腦，MP3等小型數碼產品中做爲存儲介質，因此樣子小巧，有如一張卡片，因此稱之爲閃存卡。根據不一樣的生產廠商和不一樣的應用，閃存卡大概有SmartMedia（SM卡）、Compact Flash（CF卡）、 MultiMediaCard（MMC卡）、Secure Digital（SD卡）、Memory Stick（記憶棒）、 XD-Picture Card（XD卡）和微硬盤（MICRODRIVE）這些閃存卡雖然外觀、規格不一樣，可是技術原理都是相同的。

【技術及特色】
NOR型與NAND型閃存的區別很大，打個比方說，NOR型閃存更像內存，有獨立的地址線和數據線，但價格比較貴，容量比較小；而NAND型更像硬盤，地址線和數據線是共用的I/O線，相似硬盤的全部信息都經過一條硬盤線傳送通常，並且NAND型與NOR型閃存相比，成本要低一些，而容量大得多。所以，NOR型閃存比較適合頻繁隨機讀寫的場合，一般用於存儲程序代碼並直接在閃存內運行，手機就是使用NOR型閃存的大戶，因此手機的「內存」容量一般不大；NAND型閃存主要用來存儲資料，咱們經常使用的閃存產品，如閃存盤、數碼存儲卡都是用NAND型閃存。

這裏咱們還須要端正一個概念，那就是閃存的速度其實頗有限，它自己操做速度、頻率就比內存低得多，並且NAND型閃存相似硬盤的操做方式效率也比內存的直接訪問方式慢得多。所以，不要覺得閃存盤的性能瓶頸是在接口，甚至想固然地認爲閃存盤採用 USB2.0接口以後會得到巨大的性能提高。
前面提到NAND型閃存的操做方式效率低，這和它的架構設計和接口設計有關，它操做起來確實挺像硬盤(其實NAND型閃存在設計之初確實考慮了與硬盤的兼容性)，它的性能特色也很像硬盤：小數據塊操做速度很慢，而大數據塊速度就很快，這種差別遠比其餘存儲介質大的多。這種性能特色很是值得咱們留意。
閃存存取比較快速，無噪音，散熱小。你買的話其實能夠不考慮那麼多，一樣存儲空間買閃存。若是硬盤空間大就買硬盤，也能夠知足你應用的需求。

【閃存的分類】
·目前市場上常見的存儲按種類可分：
U盤
CF卡
SM卡
SD/MMC卡
記憶棒
XD卡
MS卡
TF卡
國內市場常見的品牌有：
金士頓、索尼、晟碟、Kingmax、創見、威剛，聯想、臺電等。
【NAND型閃存】
內存和NOR型閃存的基本存儲單元是bit，用戶能夠隨機訪問任何一個bit的信息。而NAND型閃存的基本存儲單元是頁（Page）（能夠看到，NAND型閃存的頁就相似硬盤的扇區，硬盤的一個扇區也爲512字節）。每一頁的有效容量是512字節的倍數。所謂的有效容量是指用於數據存儲的部分，實際上還要加上16字節的校驗信息，所以咱們能夠在閃存廠商的技術資料當中看到「（512+16）Byte」的表示方式。目前2Gb如下容量的NAND型閃存絕大多數是（512+16）字節的頁面容量，2Gb以上容量的 NAND型閃存則將頁容量擴大到（2048+64）字節。
NAND型閃存以塊爲單位進行擦除操做。閃存的寫入操做必須在空白區域進行，若是目標區域已經有數據，必須先擦除後寫入，所以擦除操做是閃存的基本操做。通常每一個塊包含32個512字節的頁，容量16KB；而大容量閃存採用2KB頁時，則每一個塊包含64個頁，容量128KB。
每顆NAND型閃存的I/O接口通常是8條，每條數據線每次傳輸（512+16）bit信息，8條就是（512+16）×8bit，也就是前面說的512字節。但較大容量的NAND型閃存也愈來愈多地採用16條I/O線的設計，如三星編號 K9K1G16U0A的芯片就是64M×16bit的NAND型閃存，容量1Gb，基本數據單位是（256+8）×16bit，仍是512字節。
尋址時，NAND型閃存經過8條I/O接口數據線傳輸地址信息包，每包傳送8位地址信息。因爲閃存芯片容量比較大，一組8位地址只夠尋址256個頁，顯然是不夠的，所以一般一次地址傳送須要分若干組，佔用若干個時鐘週期。NAND的地址信息包括列地址(頁面中的起始操做地址)、塊地址和相應的頁面地址，傳送時分別分組，至少須要三次，佔用三個週期。隨着容量的增大，地址信息會更多，須要佔用更多的時鐘週期傳輸，所以NAND型閃存的一個重要特色就是容量越大，尋址時間越長。並且，因爲傳送地址週期比其餘存儲介質長，所以NAND型閃存比其餘存儲介質更不適合大量的小容量讀寫請求。

決定NAND型閃存的因素有哪些？
1．頁數量
前面已經提到，越大容量閃存的頁越多、頁越大，尋址時間越長。但這個時間的延長不是線性關係，而是一個一個的臺階變化的。譬如12八、256Mb的芯片須要3個週期傳送地址信號，512Mb、1Gb的須要4個週期，而二、4Gb的須要5個週期。
2．頁容量
每一頁的容量決定了一次能夠傳輸的數據量，所以大容量的頁有更好的性能。前面提到大容量閃存（4Gb）提升了頁的容量，從512字節提升到2KB。頁容量的提升不但易於提升容量，更能夠提升傳輸性能。咱們能夠舉例子說明。以三星K9K1G08U0M和K9K4G08U0M爲例，前者爲1Gb，512字節頁容量，隨機讀（穩定）時間 12μs，寫時間爲200μs；後者爲4Gb，2KB頁容量，隨機讀(穩定)時間25μs，寫時間爲300μs。假設它們工做在20MHz。
讀取性能：NAND型閃存的讀取步驟分爲：發送命令和尋址信息→將數據傳向頁面寄存器(隨機讀穩定時間)→數據傳出(每週期8bit，須要傳送512+16或2K+64次)。
K9K1G08U0M讀一個頁須要：5個命令、尋址週期×50ns+12μs+ （512+16）×50ns=38.7μs；K9K1G08U0M實際讀傳輸率：512字節÷38.7μs=13.2MB/s；K9K4G08U0M讀一個頁須要：6個命令、尋址週期×50ns+25μs+（2K+64）×50ns=131.1μs；K9K4G08U0M實際讀傳輸率：2KB字節÷131.1μs=15.6MB/s。所以，採用2KB頁容量比512字節也容量約提升讀性能20%。
寫入性能：NAND型閃存的寫步驟分爲：發送尋址信息→將數據傳向頁面寄存器→ 發送命令信息→數據從寄存器寫入頁面。其中命令週期也是一個，咱們下面將其和尋址週期合併，但這兩個部分並不是連續的。
K9K1G08U0M寫一個頁須要：5個命令、尋址週期×50ns+ （512+16）×50ns+200μs=226.7μs。K9K1G08U0M實際寫傳輸率：512字節÷226.7μs=2.2MB/s。 K9K4G08U0M寫一個頁須要：6個命令、尋址週期×50ns+（2K+64）×50ns+300μs=405.9μs。K9K4G08U0M實際寫傳輸率：2112字節/405.9μs=5MB/s。所以，採用2KB頁容量比512字節頁容量提升寫性能兩倍以上。
3．塊容量
塊是擦除操做的基本單位，因爲每一個塊的擦除時間幾乎相同（擦除操做通常須要2ms，而以前若干週期的命令和地址信息佔用的時間能夠忽略不計），塊的容量將直接決定擦除性能。大容量NAND型閃存的頁容量提升，而每一個塊的頁數量也有所提升，通常 4Gb芯片的塊容量爲2KB×64個頁=128KB，1Gb芯片的爲512字節×32個頁=16KB。能夠看出，在相同時間以內，前者的擦速度爲後者8 倍！
4．I/O位寬
以往NAND型閃存的數據線通常爲8條，不過從256Mb產品開始，就有16條數據線的產品出現了。但因爲控制器等方面的緣由，x16芯片實際應用的相對比較少，但未來數量上仍是會呈上升趨勢的。雖然x16的芯片在傳送數據和地址信息時仍採用8位一組，佔用的週期也不變，但傳送數據時就以16位爲一組，帶寬增長一倍。K9K4G16U0M就是典型的64M×16芯片，它每頁仍爲2KB，但結構爲（1K+32）×16bit。
模仿上面的計算，咱們獲得以下。K9K4G16U0M讀一個頁須要：6個命令、尋址週期 ×50ns+25μs+（1K+32）×50ns=78.1μs。K9K4G16U0M實際讀傳輸率：2KB字節÷78.1μs=26.2MB/s。 K9K4G16U0M寫一個頁須要：6個命令、尋址週期×50ns+（1K+32）×50ns+300μs=353.1μs。K9K4G16U0M實際寫傳輸率：2KB字節÷353.1μs=5.8MB/s
能夠看到，相同容量的芯片，將數據線增長到16條後，讀性能提升近70%，寫性能也提升 16%。
5．頻率
工做頻率的影響很容易理解。NAND型閃存的工做頻率在20～33MHz，頻率越高性能越好。前面以K9K4G08U0M爲例時，咱們假設頻率爲20MHz，若是咱們將頻率提升一倍，達到40MHz，則K9K4G08U0M讀一個頁須要：6個命令、尋址週期×25ns+25μs+（2K+64）×25ns=78μs。K9K4G08U0M實際讀傳輸率：2KB字節÷78μs=26.3MB/s。能夠看到，若是K9K4G08U0M的工做頻率從20MHz提升到40MHz，讀性能能夠提升近70%！固然，上面的例子只是爲了方便計算而已。在三星實際的產品線中，可工做在較高頻率下的應是K9XXG08UXM，而不是K9XXG08U0M，前者的頻率目前可達33MHz。
6．製造工藝
製造工藝能夠影響晶體管的密度，也對一些操做的時間有影響。譬如前面提到的寫穩定和讀穩定時間，它們在咱們的計算當中佔去了時間的重要部分，尤爲是寫入時。若是可以下降這些時間，就能夠進一步提升性能。90nm的製造工藝可以改進性能嗎？答案恐怕是否！目前的實際狀況是，隨着存儲密度的提升，須要的讀、寫穩定時間是呈現上升趨勢的。前面的計算所舉的例子中就體現了這種趨勢，不然4Gb芯片的性能提高更加明顯。
綜合來看，大容量的NAND型閃存芯片雖然尋址、操做時間會略長，但隨着頁容量的提升，有效傳輸率仍是會大一些，大容量的芯片符合市場對容量、成本和性能的需求趨勢。而增長數據線和提升頻率，則是提升性能的最有效途徑，但因爲命令、地址信息佔用操做週期，以及一些固定操做時間（如信號穩定時間等）等工藝、物理因素的影響，它們不會帶來同比的性能提高。
1Page=（2K+64）Bytes；1Block=（2K+64）B×64Pages= （128K+4K）Bytes；1Device=（2K+64）B×64Pages×4096Blocks=4224Mbits
其中：A0～11對頁內進行尋址，能夠被理解爲「列地址」。
A12～29對頁進行尋址，能夠被理解爲「行地址」。爲了方便，「列地址」和「行地址」分爲兩組傳輸，而不是將它們直接組合起來一個大組。所以每組在最後一個週期會有若干數據線無信息傳輸。沒有利用的數據線保持低電平。NAND型閃存所謂的「行地址」和「列地址」不是咱們在DRAM、SRAM中所熟悉的定義，只是一種相對方便的表達方式而已。爲了便於理解，咱們能夠將上面三維的NAND型閃存芯片架構圖在垂直方向作一個剖面，在這個剖面中套用二維的「行」、「列」概念就比較直觀了。

【閃存發展過程】
·閃存的發展歷史
在1984年，東芝公司的發明人Fujio Masuoka 首先提出了快速閃存存儲器(此處簡稱閃存)的概念。與傳統電腦內存不一樣，閃存的特色是非易失性(也就是所存儲的數據在主機掉電後不會丟失)，其記錄速度也很是快。
Intel是世界上第一個生產閃存並將其投放市場的公司。1988年，公司推出了一款256K bit閃存芯片。它如同鞋盒同樣大小，並被內嵌於一個錄音機裏。後來，Intel發明的這類閃存被統稱爲NOR閃存。它結合EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)和EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)兩項技術，並擁有一個SRAM接口。
第二種閃存稱爲NAND閃存。它由日立公司於1989年研製，並被認爲是NOR閃存的理想替代者。NAND閃存的寫週期比NOR閃存短90%，它的保存與刪除處理的速度也相對較快。NAND的存儲單元只有NOR的一半，在更小的存儲空間中NAND 得到了更好的性能。鑑於NAND出色的表現，它經常被應用於諸如CompactFlash、SmartMedia、 SD、 MMC、 xD、 and PC cards、USB sticks等存儲卡上。
·閃存的市場現狀分析
目前的閃存市場仍屬於羣雄爭霸的末成熟時期。三星、日立、Spansion和Intel是這個市場的四大生產商。
因爲戰略上的一些錯誤，Intel在第一次讓出了它的榜首座椅，下落至三星、日立和 Spansion之後。
AMD閃存業務部門Spansion同時生產NAND和NOR閃存。它上半年的NOR閃存產量幾乎與Intel持平，成爲NOR閃存的最大製造商。該公司在上半年贏利爲13億美圓，幾乎是它整個公司利潤額(25億美圓)的一半以上。
整體而言，Intel和AMD在上半年成績喜人，但三星和日立卻遭受挫折。
據市場調研公司iSuppli所作的估計，今年全球的閃存收益將達到166億美圓，比2003 年(116.4億美圓)上漲46%。消息者對數碼相機、USB sticks和壓縮式MP3播放器內存的需求將極大推進閃存的銷售。據預測，2005年閃存的銷售額將達到175億美圓。不過，iSuppli估計，2005年至2008年閃存的利潤增漲將有所回落，最高將達224億美圓。

·新的替代品是否可能？
與許多壽命短小的信息技術相比，閃存以其16年的發展歷程，充分顯示了其「老前輩」的做風。九十年代初，閃存才初入市場；至2000年，利益額已突破十億美圓。
儘管對閃存替代品的討論愈來愈激勵，閃存仍然受到市場的重視。將來的替代品不只必須是相似閃存同樣的非易失性存儲器，並且在速度和寫週期上略勝一籌。此外，生產成本也應該相對低廉。因爲如今製造技術還不成熟，新的替代品不會對閃存構成絕對的威脅。下面就讓咱們來認識一下幾種能的替代產品：
·Nanocrystals(納米晶體)
摩托羅拉的半導體部門Freescale正在研製一種增長閃存生命週期的產品。這種產品以硅納米晶體(Silicon Nanocrystals)爲介質，用硅原子柵格代替了半導體內部的固態層。納米晶體不是一個全新的存儲技術。它只是對閃存的一種改進，使它更易擴展。它的生產成本能夠比原來低大約10-15%，生產過程更加簡單。它的性能與可靠性都可以與目前的閃存相媲美。
摩托羅拉花了十年時間研發這種技術，並打算大規模生產此類產品。去年六月，該公司已經成功地使用此技術推出了一款此類芯片。硅納米晶體芯片預計會在2006年全面投放市場。
·MRAM(Magnetic RAM磁荷隨機存儲器)
MRAM磁荷隨機存儲器是由英飛凌與Freescale兩家公司研發的一種利用磁荷來儲存數據的存介質。MRAM的寫次數很高，訪問速度也比閃存大大加強。根據計算，寫MRAM芯片上1bit的時間要比寫閃存的時間短一百萬倍。
·磁荷隨機存儲器
兩家公司都認爲，MRAM不只將是閃存的理想替代品，也是DRAM與SRAM的強有力競爭者。今年六月，英飛凌已將本身的第一款產品投放市場。與此同時，Freescale也正在加緊研發，力爭在明年推出4M bit芯片。
可是，一些評論者擔憂MRAM是否能達到閃存存儲單元的尺寸。另外，MRAM的生產成本也是個不小的問題。
·OUM(Ovonic Unified Memory Ovonyx標準化內存)
OUM是由Intel研發的，利用Ge、Sb與Te等化合物爲材料製成的薄膜。 OUM。OUM的寫、刪除和讀的功能與CD-RW與DVD-RW類似。但CD/DVD使用激光來加熱和改變稱爲硫系化合物(chalcogenides) 的材料；而OUM則經過電晶體控制電源，使其產生相變方式來儲存資料。
OUM的擦寫次數爲10的12次方，100次數據訪問時間平均爲200納秒。OUM的速度比閃存要快。儘管OUM比MRAM的數據訪問時間要慢，可是低廉的成本倒是OUM的致勝法寶。
與MRAM不一樣，OUM的發展仍處於初期。儘管已製成測試芯片，它們僅僅能用來確認概念而不是說明該技術的可行性。Intel在過去四年一直致力於OUM的研發，並正在努力擴大該市場。
閃存在使用過程當中的一些問題

一、閃存可擦寫多少次？閃存裏的數據能保存多久？
閃存可擦寫1,000,000次，閃存裏數據可保存10年
二、一臺電腦可同時接幾個閃存？
理論上一臺電腦可同時接127個閃存，但因爲驅動器英文字母的排序緣由， 以及現有的驅動器需佔用幾個英文字母，故閃存盤最多隻能夠接23個（除開 A、B、C）， 且須要USB HUB的協助。

總結 除了上文提到的MRAM和OUM，其它可替代的產品還有MRAM (FeRAM)、 Polymer memory (PFRAM)、 PCRAM、 Conductive Bridge RAM (CBRAM)、 Organic RAM (ORAM)以及最近的Nanotube RAM (NRAM)。目前替代閃存的產品有許多，可是哪條路可以成功，以及什麼時候成功仍然值得懷疑。