固態(tài)硬盤的前世今生

    前言：多少年以來(lái)，我們裝在電腦機(jī)箱里面的硬盤都是磚塊形狀的機(jī)械硬盤。然而時(shí)至今日，硬盤的發(fā)展卻明顯落后于其它硬件，逐漸成為電腦性能的瓶頸之一。直到SSD固態(tài)硬盤的出現(xiàn)，才讓硬盤真正進(jìn)入到高速發(fā)展的時(shí)代。

    不過(guò)身邊很多人對(duì)SSD固態(tài)硬盤的認(rèn)識(shí)還停留在不穩(wěn)定、不安全、用久了會(huì)慢、超級(jí)貴等負(fù)面認(rèn)知上。事實(shí)是否就是如此呢？在SSD固態(tài)硬盤蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，我們也有必要更新下對(duì)其的認(rèn)識(shí)了吧。

    二十三載：固態(tài)硬盤的前世

    話說(shuō)當(dāng)年IBM公司1956年發(fā)明的世界上第一塊硬盤，僅有5MB的存儲(chǔ)空間，卻由50多塊24英寸的碟片組成，所占體積在現(xiàn)今人對(duì)電腦的理解來(lái)看就是不可想象的。但傳統(tǒng)硬盤，也就是機(jī)械硬盤的主要物理結(jié)構(gòu)就是從那時(shí)確定，并一直沿用至今。

世界上第一塊硬盤，由于年代久遠(yuǎn)，僅有黑白照片

    機(jī)械硬盤必須有類似老式黑膠留聲機(jī)一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)，磁頭，懸架，轉(zhuǎn)軸和盤片。因此遺憾的是，由于機(jī)械架構(gòu)的存在，硬盤不能像CPU那樣通過(guò)改進(jìn)制造工藝，在一定的空間內(nèi)放置更多的晶體管提高性能。經(jīng)過(guò)50多年的風(fēng)風(fēng)雨雨，目前硬盤的主軸轉(zhuǎn)速基本沒(méi)有太大的提高空間了，主流的7200RPM也不知道多久沒(méi)有提高了。

后來(lái)SSD出現(xiàn)了

    在上世紀(jì)七十年代，StorageTek公司(現(xiàn)在的Sun StorageTek)開(kāi)發(fā)了第一個(gè)固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)器。早期固態(tài)硬盤的缺陷如價(jià)格昂貴、性能不穩(wěn)定，以及當(dāng)時(shí)高性能市場(chǎng)需求尚未崛起，致使它來(lái)去匆匆無(wú)聲無(wú)息。世界上第一款固態(tài)硬盤出現(xiàn)于1989年，不過(guò)由于其價(jià)格過(guò)于高昂因此在當(dāng)時(shí)只限應(yīng)用于非常特別的市場(chǎng)比如醫(yī)療、工作以及軍用市場(chǎng)。實(shí)際上雖然當(dāng)時(shí)其1M大小的閃存換算下來(lái)的價(jià)格已經(jīng)達(dá)到了3500美元，但是其性能卻要遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)的普通硬盤產(chǎn)品，不過(guò)憑借其獨(dú)有的特性卻使得閃存硬盤在軍用、航空以及醫(yī)療領(lǐng)域獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。自從07年七月IBM在其刀片式服務(wù)器上部署 SanDisk SSD，固態(tài)硬盤再一次走進(jìn)人們的視線。

    所以SSD固態(tài)硬盤早已不是個(gè)新生事物，算起來(lái)也有23歲了。如果以人類年齡來(lái)估算，固態(tài)硬盤應(yīng)該也到了風(fēng)華正茂的年華了吧，而事實(shí)上也正是這樣。

    風(fēng)華正茂：固態(tài)硬盤的今生

    關(guān)于固態(tài)硬盤的概念大家想必都已經(jīng)不在陌生了。SSD (Solid State Drive)中文就是：固態(tài)硬盤，SSD由控制單元和存儲(chǔ)單元（FLASH芯片）組成，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤。目前的硬盤（ATA 或 SATA）都是磁碟型的，數(shù)據(jù)就儲(chǔ)存在磁碟扇區(qū)里，而固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)則儲(chǔ)存在芯片里。

    固態(tài)硬盤目前目前主要有兩類：

基于閃存的固態(tài)硬盤

    1.基于閃存的固態(tài)硬盤：采用FLASH芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，這也是我們通常所說(shuō)的固態(tài)硬盤。它的外觀可以被制作成多種模樣，例如：筆記本硬盤、微硬盤、存儲(chǔ)卡、優(yōu)盤等樣式。這種固態(tài)硬盤最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以移動(dòng)，而且數(shù)據(jù)保護(hù)不受電源控制，能適應(yīng)于各種環(huán)境，但是使用壽命不高，適合于個(gè)人用戶使用。

基于DRAM的固態(tài)硬盤

    2.基于DRAM的固態(tài)硬盤：采用DRAM作為存儲(chǔ)介質(zhì)，目前應(yīng)用范圍比較窄。它仿效傳統(tǒng)硬盤的設(shè)計(jì)、可被絕大部分操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)工具進(jìn)行卷設(shè)置和管理，并提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI和FC接口用于連接主機(jī)或者服務(wù)器。它是一種高性能的存儲(chǔ)器，而且使用壽命很長(zhǎng)，美中不足的是需要獨(dú)立電源來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)安全。

    由于DRAM固態(tài)硬盤屬于比較非主流的設(shè)備，所以接下來(lái)我們談到的固態(tài)硬盤還是以基于閃存的固態(tài)硬盤，也就是大家比較容易購(gòu)買、使用的產(chǎn)品為主。

固態(tài)硬盤的發(fā)展現(xiàn)狀

    我們可以買到的固態(tài)硬盤

    過(guò)去的2011年，各路固態(tài)硬盤廠商如雨后春筍般的冒了出來(lái)，如今有Intel、鎂光、OCZ、威剛、浦科特、金士頓、奧瑞科、金勝等數(shù)十家。各路品牌意味著市面上我們能夠買到的固態(tài)硬盤產(chǎn)品也是琳瑯滿目。

固態(tài)硬盤內(nèi)部拆解

    從上圖可以看到，固態(tài)硬盤的PCB板是由閃存顆粒、1顆控制芯片及1顆緩存芯片組成。所以主控芯片和閃存顆粒成為了固態(tài)硬盤的決定性因素（因?yàn)橛行┲骺胤桨覆恍枰�緩存顆粒，因此緩存顆粒不構(gòu)成決定性因素），也是我們消費(fèi)者購(gòu)買固態(tài)硬盤首先要考慮的。

    關(guān)于主控芯片

    可以看到，SandForce的主控芯片憑借著出色的性價(jià)比依舊在主流市場(chǎng)上占據(jù)著十分大的份額，Intel主控芯片擁有先進(jìn)的性能受到專業(yè)用戶和企業(yè)用戶的喜愛(ài)，而更高端還有Marvell的高性能產(chǎn)品坐鎮(zhèn)，幾大芯片廠商都在不斷嘗試為自己的芯片產(chǎn)品尋找最合適的定位。在研發(fā)力度上，支持原生SATA6Gbps的主控有Marvell、SandForce和Indilinx三家。

    關(guān)于閃存顆粒

閃存芯片

    除了主控芯片和緩存芯片以外，PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash閃存芯片了。NAND Flash閃存芯片又分為SLC（單層單元）和MLC（多層單元）NAND閃存：

    1.SLC全稱是單層式儲(chǔ)存 (Single Level Cell），因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在寫入數(shù)據(jù)時(shí)電壓變化的區(qū)間小，所以壽命較長(zhǎng)，傳統(tǒng)的SLC NAND閃存可以經(jīng)受10萬(wàn)次的讀寫。而且因?yàn)橐唤M電壓即可驅(qū)動(dòng)，所以其速度表現(xiàn)更好，目前很多高端固態(tài)硬盤都是都采用該類型的Flash閃存芯片。

    2.MLC全稱是多層式儲(chǔ)存（Multi Leveled Cell），它采用較高的電壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)不同級(jí)別的電壓在一個(gè)塊中記錄兩組位信息，這樣就可以將原本SLC的記錄密度理論提升一倍。作為目前在固態(tài)硬盤中應(yīng)用最為廣泛的MLC NAND閃存，其最大的特點(diǎn)就是以更高的存儲(chǔ)密度換取更低的存儲(chǔ)成本，從而可以獲得進(jìn)入更多終端領(lǐng)域的契機(jī)。不過(guò)，MLC的缺點(diǎn)也很明顯，其寫入壽命較短，讀寫方面的能力也比SLC低，官方給出的可擦寫次數(shù)僅為1萬(wàn)次。

閃存顆粒

    除了MLC/SLC的區(qū)別，目前固態(tài)硬盤采用的閃存顆粒還有著25/34nm制程、同步/異步、ONFI/Toggle Mode等等不同。不同閃存顆粒數(shù)據(jù)傳輸率有著很大的差異，異步ONFI顆粒只有50MT/s（Intel或者M(jìn)icron早期顆粒），同步ONFI 2.x顆粒則可以達(dá)到133MT/s ~ 200MT/s （Intel或者M(jìn)icron顆粒），異步Toggly DDR 1.0顆粒也可以達(dá)到133MT/s ~ 200MT/s （TOSHIBA或者Samsung顆粒）。因此在通道數(shù)相同的前提下，閃存顆粒傳輸率更高的固態(tài)硬盤更容易突破500MB/s的持續(xù)讀取速度。

固態(tài)硬盤的產(chǎn)品特性

    固態(tài)硬盤的發(fā)展方向

2.5英寸固態(tài)硬盤

    除了我們常見(jiàn)的2.5英寸、SATA接口的固態(tài)硬盤以外，由于人們對(duì)存儲(chǔ)性能的不斷追求。更快更大的固態(tài)硬盤已經(jīng)出現(xiàn)，OCZ在CES2012的展臺(tái)就展示了一片采用PCI-E 2.0 x16接口，搭載了16顆SandForce SF-2582主控芯片并配置了熱管散熱器，最高可支持總?cè)萘繛?6TB的NAND閃存芯片的固態(tài)硬盤。

OCZ展示16控制器版PCI-E固態(tài)硬盤

    可以說(shuō)固態(tài)硬盤做到了機(jī)械硬盤做不到的事情。因?yàn)楣虘B(tài)硬盤的存儲(chǔ)介質(zhì)是閃存芯片，因此符合摩爾定律，也就是說(shuō)隨著時(shí)間的推移，芯片的價(jià)格會(huì)不斷下降，容量和性能卻會(huì)斷提升。這讓停滯了多年的機(jī)械硬盤垂直記錄技術(shù)情何以堪。

    總結(jié)當(dāng)下固態(tài)硬盤的特點(diǎn)

持續(xù)讀取速度突破500MB/s

    1、固態(tài)硬盤很快！的確，但是固態(tài)硬盤究竟快在哪里？現(xiàn)在的固態(tài)硬盤廠商大多會(huì)宣稱自家的固態(tài)硬盤持續(xù)讀寫速度超過(guò)了500MB/s云云，這相對(duì)機(jī)械硬盤的100MB/s的速度著實(shí)是相當(dāng)可觀的。

存取時(shí)間快很多

    固態(tài)硬盤的快絕不僅僅體現(xiàn)在持續(xù)讀寫上，隨機(jī)讀寫速度快才是固態(tài)硬盤的終極奧義，這最直接體現(xiàn)在絕大部分的日常操作中。與之相關(guān)的還有極低的存取時(shí)間，目前機(jī)械硬盤最快也要14毫秒左右，而固態(tài)硬盤可以輕易達(dá)到0.1毫秒甚至更低。

固態(tài)硬盤并不脆弱

    2、其他物理特性，低功耗、無(wú)噪音、抗震動(dòng)、低熱量 、體積小、工作溫度范圍大(-40~ +85℃ ）。這些優(yōu)勢(shì)機(jī)械硬盤都不具備，固態(tài)硬盤比機(jī)械硬盤還要耐用，更低溫、更抗震、更便攜。因此固體硬盤才能廣泛應(yīng)用于軍事、車載、工業(yè)、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域。

    3、容價(jià)比低。這里指的是容量和價(jià)格的比，相比機(jī)械硬盤，固態(tài)硬盤的容價(jià)比的確低得沒(méi)話說(shuō)。如今1TB機(jī)械硬盤750元，平均0.75元/GB。120GB固態(tài)硬盤一般在1300元甚至更高，平均10.8元/GB。

    4、壽命限制。固態(tài)硬盤閃存具有擦寫次數(shù)限制的問(wèn)題，這也是許多人詬病其壽命短的所在。閃存完全擦寫一次叫做1次P/E，因此閃存的壽命就以P/E作單位。34nm的閃存芯片壽命約是5000次P/E，而25nm的壽命約是3000次P/E。是不是看上去壽命更短了？理論上是這樣沒(méi)錯(cuò)，但隨著SSD固件算法的提升，新款SSD都能提供更少的不必要寫入量。再來(lái)一個(gè)具體的例子，一款120G的固態(tài)硬盤，要寫入120G的文件才算做一次P/E。普通用戶夸正常使用，即使每天寫入50G，平均2天完成一次P/E，那么一年就有180次P/E。大家可以自行計(jì)算3000個(gè)P/E能用幾年，相信到那時(shí)候，固態(tài)硬盤早就被你換成別的什么新奇玩意了。

    總結(jié)：時(shí)至今日，固態(tài)硬盤無(wú)論從技術(shù)上還是產(chǎn)能上都已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。2012年，隨著更多的廠商加入這一產(chǎn)品線，固態(tài)硬盤有望迎來(lái)井噴式的發(fā)展。同時(shí)工藝制成的提高必然會(huì)帶來(lái)成本的下降，這樣一來(lái)固態(tài)硬盤的價(jià)格將不再高不可攀。

    無(wú)論是Intel的超級(jí)本還是蘋果的新一代MBP/MBA都將搭載SSD而非HDD，這樣的趨勢(shì)會(huì)延續(xù)下去，但我們也必須看到，即便遭遇了水災(zāi)的影響，傳統(tǒng)硬盤依舊是很多人首選。因此短期內(nèi)，我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)SSD和HDD會(huì)是共存共生的局面。不過(guò)說(shuō)些題外話，身邊用過(guò)SSD的朋友可是表示他們?cè)僖矡o(wú)法接受HDD了。