数据存储:固态硬盘的应用技术原理 日期:2022-05-11 03:59 阅读:

晓林电脑分享给大家固态硬盘的存储技术原理




固态驱动器( SSD )是一种固态存储设备,它使用集成电路组件来持久存储数据,通常使用闪存,并在计算机存储层次结构中用作辅助存储。它有时也被称为半导体存储设备、固态设备或固态磁盘,尽管 SSD 缺少硬盘驱动器 (HDD)中使用的物理旋转磁盘和可移动读写头和软盘。


与机电驱动器相比,SSD 通常更能抵抗物理冲击、无声运行,并且具有更高的IOPS和更低的延迟。 SSD 将数据存储在半导体单元中。截至 2019 年,单元格可以包含 1 到 4位数据。SSD 存储设备的属性根据每个单元中存储的位数而有所不同,单比特单元(“单级单元”或“SLC”)通常是最可靠、耐用、快速和昂贵的类型,与2位和 3 位单元(“Multi-Level Cells/MLC”和“Triple-Level Cells/TLC”),最后是四位单元通过改变单元的电阻来存储数据,而不是在单元中存储电荷,而由RAM制成的 SSD可用于高速,当断电后数据保持不需要,或者在其常用电源不可用时可以使用电池电源来保留数据。混合驱动器或固态混合驱动器(SSHD),例如将 SSD 和 HDD 的功能结合在同一单元中,同时使用闪存和 HDD,以提高频繁访问数据的性能。允许纯粹在软件中实现类似的效果,使用专用的常规 SSD 和 HDD 的组合。


如果长时间不通电,基于NAND闪存的SSD会随着时间的推移慢慢泄漏电荷。这会导致磨损的驱动器(已超过其耐用等级)通常在存储一年(如果存储在 30°C)到两年(如果存储在 25°C)后开始丢失数据;对于新驱动器,它需要更长的时间。因此,SSD 不适合归档存储。3D XPoint可能是此规则的一个例外;它是一种相对较新的技术,具有未知的长期数据保留特性。


SSD 可以使用传统的 HDD 接口和外形尺寸,或者利用 SSD 中闪存的特定优势的更新接口和外形尺寸。传统接口(例如SATA和SAS)和标准HDD外形尺寸允许此类 SSD 用作计算机和其他设备中 HDD 的直接替代品。较新的外形尺寸,例如Msata、mSATA、M2、U2、、NF1、XFMEXPRESS 和EDSFF(以前称为Ruler SSD)以及更高速度的接口,例如NVM Express (NVMe) 超过与HDD性能相比,PCI Express (PCIe) 可以进一步提高性能。


SSD 的写入次数有限,并且在达到其全部存储容量时也会变慢。


企业级闪存驱动器( EFD ) 专为需要高 I/O 性能 (IOPS )、可靠性、能源效率以及最近的一致性能的应用而设计。在大多数情况下,与通常用于笔记本电脑的 SSD 相比,EFD 是具有更高规格的SSD。EMC 于 2008 年 1 月首次使用该术语,以帮助他们识别能够提供符合这些更高标准的产品的 SSD 制造商。没有控制 EFD 定义的标准机构,因此任何 SSD 制造商都可以声称生产 EFD,而实际上产品实际上可能不满足任何特定要求。


(OLTP)等写入密集型应用需要高耐用性的服务器和存储平台进行了优化。PX02SS 系列采用 12 Gbit/s SAS 接口,采用 MLC NAND 闪存,随机写入速度高达 42,000 IOPS,随机读取速度高达 130,000 IOPS,耐久性等级为每天 30 次驱动器写入 (DWPD)。


基于 3D XPoint 的 SSD 具有更高的随机性(更高的 IOPS),但比其 NAND 闪存对应物更低的顺序读/写速度。它们的 IOPS 最高可达250 万。




使用其他持久内存技术的驱动器


架构和功能


SSD 的关键组件是控制器和存储数据的内存。SSD 中的主要内存组件传统上是DRAM易失性内存,但自 2009 年以来,它更常见的是NAND闪存非易失性内存。


控制器


每个 SSD 都包含一个控制器,该控制器集成了将 NAND 内存组件连接到主机的电子设备。控制器是执行固件级代码的嵌入式处理器,是SSD 性能最重要的因素之一。控制器执行的一些功能包括:


·        坏块映射


·        读写缓存


·        加密


·        加密粉碎


·        通过幻象码(ECC)进行错误检测和纠正,例如BCH码


·        垃圾收集


·        总计清理和总计干扰管理


·        磨损均衡




SSD 的性能可以随着设备中使用的并行 NAND 闪存芯片的数量而扩展。由于狭窄的(8/16 位)异步I/O接口以及基本I/O 操作的额外高延迟(对于 SLC NAND 而言,通常需要 约25 ps从读取时将阵列写入 I/O 缓冲区,约 250 μs 将IO 缓冲区中的 4 KiB 页面提交到写入时的阵列,约 2ms 可擦除 256 KiB 块)。当多个 NAND 设备在 SSD 内并行运行时,带宽会扩展,并且可以隐藏高延迟,只要有足够的未完成操作待处理并且负载在设备之间均匀分布。


美光和英特尔最初通过在其架构中实施数据条带化(类似于RAID 0)和交错来制造更快的 SSD 。这使得在 2009 年可以使用 SATA 3 Gbit/s 接口创建具有 250 MB/s 有效读/写速度的 SSD。两年后,SandForce继续利用这种并行闪存连接,发布了消费级 SATA 6 Gbit /s SSD 控制器,支持 500 MB/s 读/写速度。 SandForce控制器在将数据发送到闪存之前对其进行压缩。此过程可能会导致更少的写入和更高的逻辑吞吐量,具体取决于数据的可压缩性