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为高速而生 细数SSD固态硬盘技术那些事

Solid-State Drive(SSD)简称固态硬盘,由主控和NAND Flash闪存组成的阵列存储系统,区别于传统的HDD机械转轴设计,具备低功耗、高性能的特点。

IBM 305 RAMAC机械硬盘

自1956年IBM发布了全球首款5MB HDD以来,存储容量提升了成千上万倍,磁存储一直占据着存储市场的统治地位,而SSD在上世纪七十年代问世后,饱受价格昂贵、性能低下而折磨未能有所作为,直到1989年全球才出现了首款SSD产品,不过其过高的成本绝对使其只能在医疗、军用市场。

进入21世纪,随着晶体管工艺的提升,SSD市场迎来了小范围的民用推广,而随着工艺的进步,SSD的速率也得到了极大的提升,在与HDD的对抗中出现了全面的胜利,而1美元/GB的鸿沟似乎也将被跨越,SSD大有取代HDD,在未来成为市场的中坚产品。

不过来自微软最新的研究报告显示SSD可能并不会在与HDD的对抗中获胜,因为随着工艺的提升和存储密度的提升,SSD的出错率将会得到大幅攀升,容量和速率将会出现双重瓶颈,HDD将重新回到存储市场的主力。

主控+NAND SSD存储结构全面分析

好了现在就回到正题来介绍下SSD的一些基本知识,众所周知SSD由NAND控制器和NAND Flash闪存组成,内部采用了阵列存储,即多通道系统。

NAND控制器目前已经全面迈入SATA 6Gbps时代,目前市售的SATA 6Gbps方案主要包括Marvell的88SS9174、SandForce SF-2281、三星的S4LJ204X01,另外被OCZ收购的Indilinx也拥有Indilinx Everest主控,而JMicron JMF66X主控也出现在一些低端SATA 6Gbps SSD上。

由于市场目前已经全面进入到SATA 6Gbps时代,SATA 3Gbps SSD价格并没有多大的优势,毕竟SSD的成本主要来自NAND Flash颗粒,使得更新换代速度要比传统HDD快上不少。

目前还在销售的SATA 3Gbps SSD主控方案主要有Intel PC29AS21BA0、东芝T6UG1XBG以及少许的SandForce SF-1222。

NAND存储接口:Intel、镁光缔造ONFI规范

在NAND Flash闪存方面目前主要包含两大阵营:以Intel、镁光为首的ONFI(Open NAND Flash Interface)和东芝、三星组成的Toggle DDR联盟。

ONFI从2006年底建立以来,致力于规范NAND闪存和NAND控制器之间的传输枢纽,初期ONFI 1.0传输带宽为50Mbps,基本可以满足SATA 3Gbps的传输需求。

而在2008年ONFI 2.0正式发布,带宽提升到133Mbps,支持DDR双倍数据传输技术,另外ONFI 1.0的异步传输也升级为同步时钟控制,而随着工艺的提升SSD的错误率并没有得到下降,相对却出现了增加,随后新的ONFI 2.3则将ECC矫正由NAND主控芯片管理移植到NAND Flash内部。有效的提高了主控的效率。

Intel ONFI NAND Flash闪存

不过ONFI革命性变化要数去年三月份发布的ONFI 3.0规范,带宽全面提升到400Mbps,攀升了三倍,另外ONFI 3.0的一个重大改革就是对针脚进行了优化,更少的引脚使得PCB的设计难度大幅降低。

NAND存储接口:东芝、三星联姻Toggle DDR

东芝、三星组成的Toggle DDR联盟自2007年组建以来,致力于发布自己的NAND闪存接口,不过由于早期SSD并没有得到大力推广,Toggle DDR 1.0 NAND Flash闪存接口一直到2010年才正式量产。

Toggle DDR 1.0传输带宽为133Mbps,同样采用了DDR双倍数据传输技术,不过依然采用了异步设计,虽然制约了一定的性能发挥,不过在功耗控制及使用寿命上表现还算不错。

Toggle DDR 2.0规范发布后不到一年,2011年5月份三星发布了首颗容量高达64Gb MLC(multi-level cell) NAND,而传输带宽提升了3倍达到了400Mbps。

成本优先 SLC/MLC/TLC NAND闪存全面介绍

而在NAND闪存方面,受到成本、速率和容量的综合因素考虑,目前市场上主要包括三大类NAND Flash闪存,分别为SLC、MLC和TLC,它们的价格呈阶梯形式,TLC价格甚至直逼0.5美元/GB。

SLC(Single-Level Cell)NAND采用了单层设计,单个Cell同一时间只能存储1个bit的数据,由于设计结构的简单,具有存储速率快、寿命长的特点,平均寿命大约为 10万次,不过产品的容量和成本较高,主要应用在性能级的企业SSD上,另外在一些高端优盘上也可以见到它。

采用SLC NAND的ORICO UE3优盘读写达160MB/s

MLC(Multi-Level Cell)NAND则为双层设计,单个Cell同一时间只能存储2个bit的数据,成本、速率和容量得到了非常好的平衡,目前单颗容量已经高达128Gb(16GB),不过产品的使用寿命大约只有10000次。

大容量PCI-E SSD也会采用采用MLC NAND闪存

TLC(Trinary-Level Cell)则基本是从成本考虑的,采用了三层设计,单个Cell同一时间只能存储3个bit的数据,寿命非常有限,大约只能擦除500次。

SATA 6Gbps主控:SandForce SF-2281

SandForce SF-2281是一款目前广泛应用在主流SATA 6Gbps SSD市场的主控芯片,作为SF-1222的升级版本,SandForce SF-2281在SATA 6Gbps市场表现出惊人的持续速写速度,持续读写分别达到了550MB/s和500MB/s,已经接近SATA 6Gbps的极限。

SandForce SF-2281除了支持windows7的Trim功能外,还提供了NCQ队列支持,另外SandForce独有的DuraWrite压缩算法可以显著提高SSD的读写速度,同时增长了SSD的使用寿命。

SandForce SF-2281目前的产品包括OCZ Vertex 3/Agility 3、Solid 3系列SSD、Intel最新发布的SSD 520、海盗船Force GT系列SSD、威刚S511系列SSD、金士顿HyperX系列SSD以及影驰Laser EX/GT系列SSD等等。

SATA 6Gbps主控:Marvell 88SS9174

Marvell 88SS9174是市面上出现的首款SATA 6Gbps控制器,而其首款SSD源于镁光的M4,能够支持Toggle DDR和ONFI两种闪存规格,镁光M4 SSD自然使用了自家的ONFI NAND Flash闪存。

而在Trim、NCQ技术上,Marvell 88SS9174得到了全面的支持,目前这一芯片方案被广泛应用在Intel去年发布的SSD 510、海盗船Performance Pro SSD、浦科特M2P、M2S、M3 SSD。

速度方面基于Intel SSD 510、海盗船Performance Pro SSD、浦科特M2P、M2S、M3 SSD等性能相差并不大,以镁光M4为例,64GB版本持续读写速度分别为500MB/s和95MB/s,而128GB版本或以上的产品持续读写速度分别为500MB/s和175MB/s。

SATA 6Gbps主控:三星S4LJ204X01

三星S4LJ204X01目前仅面向自家SSD产品,目前三星自家的SSD 830就使用了这一芯片方案,产品支持Trim、NCQ技术,持续读写速度虽不及SF-2281出众,但也相当不错。

三星S4LJ204X01是S3C29MAX01的升级版本,配备256MB DDR2缓存,搭载三星自家的2x nm Toggle DDR MLC NAND闪存,最高容量达512GB。

三星SSD 830 512GB

SSD 830最大持续读写速度分别为520MB/s和400MB/s,4K随机读写最高分别为80000IOPS和36000IOPS。

SATA 6Gbps主控:Indilinx Everest

被OCZ收购后,Indilinx仅仅出现在OCZ自家的产品上,OCZ在去年7月份就推出了Indilinx Everest主控的SSD方案,产品也迈入了SATA 6Gbps行列。

Everest控制器采用了双核ARM架构,支持512MB DDR3-400缓存,支持最高八通道的ONFI 2.0/Toggle 1.0闪存接口,当然也支持SATA 6Gbps,而在闪存支持方面,控制器支持1x nm工艺级SLC和MLC NAND闪存,最大容量为1TB,持续读取速度最高可达560MB/s。

首款Everest芯片方案为OCZ的Octane SSD,产品最高容量达到了1TB,使用了Intel的25nm同步ONFI MLC NAND,配备512MB DDR3缓存。

OCZ Everest控制器主要定位于高性能SSD,而企业级是其重要市场,Everest控制器支持TRIM、NCQ、垃圾回收、掉电保护、多重冗余容量选择、启动加速优化等技术。

SATA 3Gbps主控:Intel PC29AS21BA0

最后不得不提另外一款目前被广泛使用在Intel SSD 3xx系列SSD上的PC29AS21BA0主控,和前面介绍的几款产品不同的是,Intel PC29AS21BA0只支持SATA 3Gbps规格。

PC29AS21BA0也无一例外的支持NCQ、Trim技术,最大读写速率分别为270MB/s和220MB/s,在SATA 3Gbps时代表现还不错,不过在全面进入SATA 6Gbps时代后,PC29AS21BA0就显得有点老迈了。

同样PC29AS21BA0只用在Intel自家的SSD上,产品包括Intel SSD 320/310/311系列,搭载自家的ONFI MLC NAND闪存。

高速并不完美 SSD普及之路任重道远

SSD的高性能和低功耗我们已经见识了,不过SSD目前并不会对传统HDD市场构成较大的威胁,尽管HDD市场受到泰国洪水的影响,售价全面出现了翻倍,不过相比SSD高达1美元/GB的售价依然显得白菜。

而SSD的性能目前受到SATA 6Gbps接口的影响,近一年来未出现显著提升,虽然一些高端存储厂商开始试水PCI-Express接口SSD,不过价格相对传统2.5英寸SSD又提升了一个阶层,大部分消费者很难为过高的价格买单。而目前的SSD市场厄待解决的问题是产品的售价,只有降低到一个合理的水平才会逐渐被普及。

另外我们也注意到目前的SSD并不是绝对完美,安全问题也频繁发生,SandForce SF-2281曾经出现过蓝屏事件、Marvell 88SS9174曾饱受5200小时门影响,这些都为追求高速的用户埋下了阴影,毕竟数据无价。

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