为什么SSD速度远抛机械硬盘,SSD速度和寿命与什么有关

近年来,SSD发展极为迅速,整个行业发生了不少变化,宏旺半导体发现还有很多朋友对固态硬盘不是很了解,只知道SSD的出现,是对机械硬盘的革新。今天宏旺半导体就为大家全面科普一下固态硬盘的相关知识及其工作原理。

SSD固态硬盘是这些年在存储技术上的重大进步,它带来了电脑主存储颠覆性地改变。升级SSD不仅是性能上的小幅度提升,SSD将利用具有革命性的随机访问速度、卓越的多任务处理能力、杰出的耐久度及可靠性来改变您的电脑使用体验,毫无疑问,SSD将是未来存储的主角。宏旺半导体就带大家了解最基本的SSD组成主要部件,主控芯片、NAND闪存芯片及固件算法!

首先还是从SSD的结构来说起,SSD最基本的组成部件分为:主控芯片、闪存芯片、固件算法,下面我们分别阐述三者的工作职责和性能影响。

SSD速度上远抛开机械硬盘

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主控

传统的机械硬盘运行主要是靠机械驱动头,包括马达、盘片、磁头摇臂等必需的机械部件,它必须在快速旋转的磁盘上移动至访问位置,至少95%的时间都消耗在机械部件的动作上。SSD却不同机械构造,无需移动的部件,主要由主控与闪存芯片组成的SSD可以以更快速度和准确性访问驱动器到任何位置。传统机械硬盘必须得依靠主轴主机、磁头和磁头臂来找到位置,而SSD用集成的电路代替了物理旋转磁盘,访问数据的时间及延迟远远超过了机械硬盘。我们宏旺半导体发现SSD有如此的“神速”,完全得益于内部的组成部件:主控–闪存–固件算法。

SSD主控本质是一颗处理器,主要基于ARM架构,这和手机处理器有相似的一面,也有部分SSD厂家的主控采用RISC架构,使其具备CPU级别的运算能力,常见主控品牌:慧荣、群联、Marvell、三星。

主控、闪存及固件算法三者的关系

就目前来讲,SSD主控芯片的运算能力由制造工艺、核心面积的大小、核心的数量、频率决定。其具体作用表现在,一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,让所有的闪存颗粒都能够在一定负荷下正常工作,协调和维护不同区块颗粒的协作;二则是承担了整个数据中转,连接闪存芯片和外部SATA接口;三则是负责固态硬盘内部各项指令的完成,诸如trim、CG回收、磨损均衡。可以说,一款主控芯片的好坏直接决定了固态硬盘的实际体验和使用寿命。

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SSD根基:闪存颗粒

SSD最重要的三个组件就是NAND闪存,控制器及固件。NAND闪存负责重要的存储任务,控制器和固件需要协作来完成复杂且同样重要的任务,即管理数据存储、维护SSD性能和使用寿命等。

SSD是用来存储的,没有闪存颗粒,便不会有存储的载体。闪存即Flash,是一种非易失性存储器,即在断电的情况下依旧可以保存已经写入的数据,而且是以固定的区块为单位,而不是以单个的字节为单位。今天我们主要讨论的是用于固态硬盘等存储设备中的、最为常用的NAND闪存颗粒,ICAMX
NAND都是经过严格测试的good die,基于其优秀的Nand
flash供应保障能力,有效保证产品的稳定性,用户数据的安全。在目前闪存缺货涨价的严峻形式下保障最优性价比,提供充足的供货。

主控

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控制器是一种嵌入式微芯片,其功能就像命令中心,发出SSD的所有操作请求—-从实际读取和写入数据到执行垃圾回收和耗损均衡算法等,以保证SSD的速度及整洁度,可以说主控是SSD的大脑中枢。

NAND闪存颗粒,是闪存家族的一员,最早由日立公司于1989年研制并推向市场,由于NAND闪存颗粒有着功耗更低、价格更低和性能更佳等诸多优点,成为了存储行业最为重要的存储原料。
固态硬盘中的闪存颗粒对性能的影响约为60%,闪存颗粒的选择与应用对SSD的性能至关重要,根据NAND闪存中电子单元密度的差异,又可以分为SLC、MLC以及TLC,此三种存储单元在寿命以及造价上有着明显的区别,它们的详细区别可以关注宏旺半导体早期文章【闪存颗粒SLC与MLC和TLC三者的区别,性价比哪个好?】。

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固件算法

SSD内部结构大揭秘 主控芯片、闪存芯片、固件算法哪个最重要?

SSD的固件是确保SSD性能的最重要组件,用于驱动控制器。主控将使用SSD中固件算法中的控制程序,去执行自动信号处理,耗损平衡,错误校正码,坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备通信,以及执行数据加密等任务。由于固件冗余存储至NAND闪存中,因此当SSD制造商发布一个更新时,需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。开发高品质的固件不仅需要精密的工程技术,而且需要在NAND闪存、控制器和其他SSD组件间实现完美整合。此外,还必须掌握NADN特征、半导体工艺和控制器特征等领域的最先进的技术。ICMAX发现固件的品质越好,整个SSD就越精确,越高效,目前具备独立固件研发的SSD厂商并不多,仅有Intel/三星等厂商。

固件算法

NAND闪存

SSD固件是确保SSD性能的非常重要的一部分,主要用于驱动控制器。或许会有朋友有疑问,SSD有什么需要驱动的?这要从SSD的结构说起,虽然SSD看起来结构比HDD要简单很多,但实际上机制却要比HDD复杂。例如,SSD需要通过FTL层和系统进行直接对话,闪存一定要在完全擦除后再能重新写入数据,所以SSD需要Trim来把闪存重新“擦干净”。再比如,SSD需要一个非常完善的平衡写入算法,让所有的颗粒都均衡的被消耗,不至于导致有一部分颗粒写入寿命耗尽,而其他颗粒未使用的情况。

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固件中算法非常多,错误校正码,坏块管理,垃圾回收算法等等,所以,SSD固件的编写难度,可见一斑。

ICMAX多年来与闪存原厂达成战略合作伙伴关系,所使用的NAND都是经过严格测试的good
die,基于其优秀的Nand
flash供应保障能力,有效保证ICMAX产品的稳定性,ICAMX闪存在保证质量优先的同时,更兼具价格、可定制化等竞争优势。

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SSD用户的数据全部存储于NAND闪存里,它是SSD的存储媒介,SSD最主要的成本就集中在NAND闪存上。NAND闪存不仅决定了SSD的使用寿命,而且对SSD的性能影响也非常大。NAND闪存颗粒结构及工作原理都很复杂,接下来我们会继续推出系列文章来重点介绍闪存,这里主要来了解一下大家平常选购SSD经常接触到的SLC、MLC及TLC闪存。

SSD内部结构大揭秘 主控芯片、闪存芯片、固件算法哪个最重要?

SLC/MLC/TLC闪存

SSD固件的好坏尤为重要,相同主控和相同颗粒的两款产品,因其固件不同,可能导致完全不一样的使用寿命和读写性能。可以负责任的告诉大家,如果一款固态硬盘中颗粒对性能的影响约为60%,那么固件的影响就会占到20%以上。固件的品质越好,整个SSD的品质也就越出色。

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SSD的SATA接口与M.2接口

这几年NAND闪存的技术发展迅猛同,短短时间里,我们看到NAND技术显著进步,对SLC、MLC及TLC闪存怎么理解呢?简单来说,NAND闪存中存储的数据是以电荷的方式存储在每个NAND存储单元内的,SLC、MLC及TLC就是存储的位数不同。

了解了SSD的基本结构后,我们再来看固态硬盘的接口,目前SSD的主流接口分为,SATA
3.0、M.2、PCI-E三种,U.2和mSATA目前并不多见,这里不过多介绍。

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SATA和M.2或PCI-E的主要区别在于:二者采用不同的通道。可以把两种通道理解成两辆相同的汽车,PCI-E通道的汽车就像是在高速上行驶,而SATA通道的汽车就像是在崎岖山路上行驶,你说哪个速度快?

同样的晶体管数量和物理尺寸如果做成SLC,则是一颗32Gb的颗粒,做成MLC就是64GB的颗粒,做成TLC就是96Gb的颗粒。详细区别请回看ICMAX往期文章【闪存颗粒SLC与MLC和TLC三者的区别,性价比哪个好?】

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总结

不同接口固态硬盘速度表

通过ICMAX今天的文章,相信对SSD内部结果有了基础的了解,SSD带来极速体验的前提是拥有着非常复杂的技术在支撑,后期宏旺半导体将继续接密SSD内部技术。​​​

从上图中我们可以看到,目前主流的SATA
3.0通道的最大传输速度为6Gbps,实际速度最大为560MB/s,SATA通道已经无法满足固态硬盘日益增长的读写速度,所以PCI-E固态硬盘应运而生。为什么我的固态硬盘是M.2接口的,但是速度并不快呢?M.2最初叫做NGFF,全名是Next
Generation Form
Factor。这个接口很特殊,同时支持SATA和PCI-E两个通道,很容易让人误解。

其实并不是所有的M.2固态硬盘读写速度都很快,如果是采用SATA通道的M.2接口固态硬盘,读写速度不会超过550MB/s。还要注意的是,主板厂商的M.2接口有的选择了CPU原生的PCI-E通道,有的是通过PCH南桥扩展出来的,这可能对固态硬盘的速度产生影响。

举个栗子,下面我们看一下两种固态硬盘速度对比,左图为SATA固态硬盘,右图为PCI-E固态硬盘。

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两者的AS
SSD跑分速度差距明显,无论是连续读写、还是4K测试,PCI-E固态硬盘都远远领先SATA固态硬盘,综合得分PCI-E固态硬盘高出SATA固态硬盘三倍有余。为了帮助大家理解,宏旺半导体将各种接口以及速度对比绘制成表格,这样就可以一目了然。

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虽然PCI-E固态硬盘有很多好处,但并不是每个人都适合购买,一是价格较昂贵,二是PCI-E会占用总线通道,入门以及中端平台CPU通道数较少,都不太适合添加PCI-E固态硬盘。

综上:宏旺半导体建议大家购买SSD时,还是要认准品牌,不管在使用寿命还是速度方面都有不可替代的优势,ICAMX也会推出面向市场的SSD,敬请期待!​​​

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