SSD固態(tài)硬盤的原理深層透視.

1、SSD 固態(tài)硬盤的原理深層透視2012-08-07 10:23:18 來源：作者：【大 中小】 瀏覽:501 次評論:0 條目前市場是流通的 SSD 固態(tài)硬盤的工作原理都是大家很好奇的，這里就對SSD的工作原理進(jìn)行講解，讓大家能更好的進(jìn)行購買和使用。SSD 固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也與普通 硬盤一致。由于固態(tài)硬盤沒有普通硬盤的旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，因而抗震性極佳。其芯片的 工作溫度范圍很寬（-4085 攝氏度）。SSD 固態(tài)硬盤工作原理下面是一個關(guān)于 NAND 閃盤的原理圖。從下圖我們可以看到，每一個單元”就是由一個這樣的晶體管組成的。在單級單元（SL

2、C,single level cell）閃存設(shè)備中，一個晶體管可容納 1 比特數(shù)據(jù)。 您通過電子通道將數(shù)據(jù)寫入單元；將足夠高的電壓加于兩端，創(chuàng)造一個足夠強(qiáng)大 的電場，電子將穿透氧化物進(jìn)入浮動門。消除電壓，電子將繼續(xù)停留在浮動門。將電壓穿越通道而不施加到門上，扭轉(zhuǎn)偏壓，電子將向另一個方向移動。簡單的說，這就是閃盤的工作原理-你有兩種狀態(tài)，0 和 1，即使單元沒有電了， 狀態(tài)也會維持住，因此對存儲設(shè)備來說是非常理想的。編程閃存是一個反復(fù)的過程。該控制器將電壓施于門（或通道）上，允許一些電 子穿過并檢查單元的臨界電壓。當(dāng)臨界電壓已達(dá)到一些預(yù)定的值時，就開始編程 并儲存數(shù)據(jù)了。MLC 與 SLC 的區(qū)

3、別目前 SSD 固態(tài)硬盤硬盤使用兩種形式的 NAND 閃存：單級單元（SLC）和多級 單元（MLC）。兩者之間的差別是每單元存儲的數(shù)據(jù)量，SLC 每單元存儲 1 比特而 MLC 每單元存儲 2 比特。關(guān)鍵在于，SLC 和 MLC 占據(jù)了相同大小的芯片面 積。因此，在同樣的價格下，MLC 可以有兩倍容量的效果。英特爾的 SLC 和 MLC 閃存實際上使用了相同的晶體管，不同之處在于怎樣讀 /寫 這兩個閃存。SLC 只有兩個電壓符，因為它只有兩個狀態(tài)（0 或 1）。MLC 卻有 四個狀態(tài)（00, 01，10，11），因此需要花費較長的時間來訪問，因為你不想意 外寫入錯誤的數(shù)據(jù)；您已有了相同的最大、

4、最小電壓，您現(xiàn)在僅僅有它們兩者之 間更多的刻度：SLC（left） vs. MLC （right）SLC 和 MLC 的擦除性能是一樣的，MLC 閃存的讀取性能需花費兩倍長的時間， 寫入性能需花費四倍長的時間。如果您以前聽說過有人抱怨MLC 寫入速度，這就是部分原因。不過一定要記住，我們在這里談?wù)摰倪@些數(shù)字低得離譜一一甚至 900 微秒寫入 MLC 閃存的速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過向普通機(jī)械硬盤的寫入速度。SLC 的最大優(yōu)勢不在于它的性能好而在于它的使用壽命長。要了解閃存的耐用 性，我們首先需要看看存儲設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造。閃存層次和數(shù)據(jù)丟失我們已經(jīng)證實了一個閃存單元可以儲存一個還是兩個比特取決于它是SLC 還

5、是MLC 設(shè)備。把一群單元聚集到一起，就得到了一個pageo page 是您可以編程（寫入）NAND 閃存裝置最小的結(jié)構(gòu)。大部分 MLC NAND 閃存的每一 page 是 4KB。一個 block 是由許多 page 組成的， 在英特爾的 MLC SSD 固態(tài)硬盤中一個 block 包含 128 pages （128 pages x 4KB/page =512KB/block = 0.5MB。Block 是您可以擦除得最小結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)您寫入 SSD 固態(tài)硬盤時，您一次可寫入 4KB 數(shù)據(jù)；但是當(dāng)您從 SSD 固 態(tài)硬盤擦除數(shù)據(jù)時，您一次不得不刪除 512KB。過會兒，我會進(jìn)一步探討這個問

6、題，但現(xiàn)在讓我們看看當(dāng)您從一個 SSD 固態(tài)硬盤刪除數(shù)據(jù)時會發(fā)生什么事情。 無論何時您將數(shù)據(jù)寫入閃存，我們都會反復(fù)經(jīng)歷同樣的編程過程。創(chuàng)建一個電 場，電子穿過氧化物并儲存電荷。擦除數(shù)據(jù)會導(dǎo)致同樣的事情發(fā)生，但卻向著相 反的方向。問題是電子穿過氧化物的次數(shù)越多，就會變的越弱，最終將電壓也不 能再阻止電子的自由活動了。這時候，SSD 固態(tài)硬盤的這個單元就發(fā)生故障了。大約經(jīng)過一萬次擦除/編程周期后，MLC 閃存才會最終出現(xiàn)那個問題。而 SLC 可 使用十萬次，這得益于它的簡單設(shè)計。由于壽命有限，所以 SSD 固態(tài)硬盤必須非常小心地選擇擦除/編程每個單元的時 間和方式。請注意，您可以從一個單元里讀取數(shù)

7、據(jù)，多少次都行，這并不減少單 元存儲數(shù)據(jù)的能力。只有擦除/編程周期才會降低了壽命。此外需要注意的是，因為 SSD 固態(tài)硬盤沒有擦除 block 這個概念，唯一擦除 block 的時候就是寫入新數(shù)據(jù)的時候。如果您刪除 Windows 里的一個文件而沒有 創(chuàng)建新的文件，SSD 固態(tài)硬盤實際上并沒有從閃存中移走這個數(shù)據(jù)，除非您準(zhǔn)備 好寫入新的數(shù)據(jù)。SSD 固態(tài)硬盤如何保證使用壽命現(xiàn)在回到編程和擦除 SSD 固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)之間方式的差異上來。您在page 上編程，在 block 上擦除數(shù)據(jù)。假設(shè)您保存了一個 8KB 的文件，之后決定要刪除它， 這可能是 您寫給自己的簡單便條，表示您不再需要了。您保存該文

8、件時，它會以 2 pages 的形式保存在閃存記憶體中；您將其刪除時， SSD固態(tài)硬盤會標(biāo)記 pages 為無效，但實際上并不會刪除該 block。SSD 固態(tài)硬盤 將等到block 中一定比例的 pages 被標(biāo)記為無效時，才會復(fù)制一些有效的數(shù)據(jù)到 新的 pages里去并擦除該 block。SSD 固態(tài)硬盤這樣做是為了限制了每個 block 擦 除的次數(shù)，從而延長驅(qū)動器壽命。但是并非所有的 SSD 固態(tài)硬盤都采用同樣的方式來處理刪除請求，因此，從硬盤 原理上來說，如何處理刪除請求對 SSD 固態(tài)硬盤安全性產(chǎn)生較大的影響。我們已經(jīng)從概況的角度介紹了 SLC SSD 固態(tài)硬盤與 MLC SSD

9、固態(tài)硬盤的不同， 并且闡述了一般 SSD 固態(tài)硬盤的設(shè)計者如何通過編程和算法來保證 SSD 固態(tài)硬 盤的性能和安全性，下文我們將詳細(xì)闡述 In tel X-25M SSD 固態(tài)硬盤硬盤如何應(yīng) 付數(shù)據(jù)丟失。從 SSD 固態(tài)硬盤的工作原理深入解析 SSD 中 MLC與 SLC 的性能差異 固態(tài)硬盤（Solid State Disk 或 Solid State Drive），也稱作電子 硬盤或者固態(tài)電子盤，是由控制單元和固態(tài)存儲單元（DRAM 或 FLASH 芯片）組成的硬盤。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同，在產(chǎn)品外形 和尺寸上也與普通硬盤一致。由于固態(tài)硬盤沒有普通硬盤的

10、旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，因而抗震 性極佳。其芯片的工作溫度范圍很寬（-4085 攝氏度）。目前廣泛應(yīng)用于軍事、 車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空等、導(dǎo)航設(shè)備 等領(lǐng)域。本文將詳細(xì)解析 SSD 固態(tài)硬盤的工作原理，并解析 SLC 與 MLC 兩種不同的固態(tài) 硬盤在性能和安全性上的差異。SSD 工作原理下面是一個關(guān)于 NAND 閃盤的原理塔圖。從下圖我們可以看到，每一個單元”就是由一個這樣的晶體管組成的。在單級單元（SLC）閃存設(shè)備中，一個晶體管可容納 1-比特數(shù)據(jù)。您通過電子通 道將數(shù)據(jù)寫入單元；將足夠高的電壓加于兩端，創(chuàng)造一個足夠強(qiáng)大的電場，電子 將穿透氧化物進(jìn)入浮動門。消除電壓，電

11、子將繼續(xù)停留在浮動門。將電壓穿越通道而不施加到門 上，扭轉(zhuǎn)偏壓，電子將向另一個方向移動。簡單的說，這就是閃盤的工作原理-你有兩種狀態(tài)，0 和 1，即使單元沒有電了， 狀態(tài)也會維持住，因此對存儲設(shè)備來說是非常理想的。編程閃存是一個反復(fù)的過程。該控制器將電壓施于門（或通道）上，允許一些電 子穿過并檢查單元的臨界電壓。當(dāng)臨界電壓已達(dá)到一些預(yù)定的值時，就開始編程 并儲存數(shù)據(jù)了。MLC 與 SLC 的區(qū)別目前 SSD 硬盤使用兩種形式的 NAND 閃存：單級單元（SLC）和多級單元（MLC）。兩者之間的差額是每單元存儲的數(shù)據(jù)量， SLC 每單元存儲 1 比特而 MLC每單元存儲 2 比特。關(guān)鍵在于，SL

12、C 和 MLC 占據(jù)了相同大小的芯片面積。 因此，在同樣的價格下，MLC 可以有兩倍容量的效果。STEC 的 SLC 和 MLC 閃存實際上使用了相同的晶體管，不同之處在于怎樣讀/寫這兩個閃存。SLC 只有兩個電壓符，因為它只有兩個狀態(tài)（0 或 1）。MLC 卻有 四個狀態(tài)（00, 01，10，11），因此需要花費較長的時間來訪問，因為你不想意 外寫入錯誤的數(shù)據(jù)；您已有了相同的最大、最小電壓，您現(xiàn)在僅僅有它們兩者之 間更多的刻度。SLC 和 MLC 的擦除性能是一樣的，MLC 閃存的讀取性能需花費兩倍長的時間， 寫入性能需花費四倍長的時間。如果您以前聽說過有人抱怨MLC 寫入速度，這就是部分原

13、因。不過一定要記住，我們在這里談?wù)摰倪@些數(shù)字低得離譜一一甚至900 微秒寫入 MLC 閃存的速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過向普通機(jī)械硬盤的寫入速度。SLC 的最大優(yōu)勢不在于它的性能好而在于它的使用壽命長。要了解閃存的耐用性，我們首先需要看看存儲設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造。閃存層次和數(shù)據(jù)丟失我們已經(jīng)證實了一個閃存單元可以儲存一個還是兩個比特取決于它是SLC 還是MLC 設(shè)備。把一群單元聚集到一起，就得到了一個 pageo page 是您可以編程（寫入）NAND 閃存裝置最小的結(jié)構(gòu)。大部分 MLC NAND 閃存的每一 page 是 4KB。一個 block 是由許多 page 組成的， 在STEC 的 MLC SSD 中一

14、個 block 包含 128 pages （128 pages x 4KB/page =512KB/block = 0.5MB。Block 是您可以擦除得最小結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)您寫入 SSD 時，您一次可寫入 4KB 數(shù)據(jù)；但是當(dāng)您從 SSD 擦除數(shù)據(jù) 時，您一次不得不刪除 512KB。過會兒，我會進(jìn)一步探討這個問題，但現(xiàn)在讓我 們看看當(dāng)您從一個 SSD 刪除數(shù)據(jù)時會發(fā)生什么事情。無論何時您將數(shù)據(jù)寫入閃存，我們都會反復(fù)經(jīng)歷同樣的編程過程。創(chuàng)建一個電 場，電子穿過氧化物并儲存電荷。擦除數(shù)據(jù)會導(dǎo)致同樣的事情發(fā)生，但卻向著相反的方 向。問題是電子穿過氧化物的次數(shù)越多，就會變的越弱，最終將電壓也不能再阻

15、止電子的自由活動了。這時候，SSD 的這個單元就發(fā)生故障了。大約經(jīng)過一萬次擦除/編程周期后，MLC 閃存才會最終出現(xiàn)那個問題。而 SLC 可 使用十萬次，這得益于它的簡單設(shè)計。由于壽命有限，所以 SSD 必須非常小心地選擇擦除/編程每個單元的時間和方 式。請注意，您可以從一個單元里讀取數(shù)據(jù)，多少次都行，這并不減少單元存儲 數(shù)據(jù)的能力。只有擦除/編程周期才會降低了壽命。此外需要注意的是，因為 SSD 沒有擦除 block 這個概念，唯一擦除 block 的時候 就是寫入新數(shù)據(jù)的時候。如果您刪除 Win dows 里的一個文件而沒有創(chuàng)建新的文 件，SSD實際上并沒有從閃存中移走這個數(shù)據(jù)，除非您準(zhǔn)備好寫入新的數(shù)據(jù)。SSD 如何保證使用壽命現(xiàn)在回到編程和擦除 SSD 數(shù)據(jù)之間方式的差異上來。您在 page 上編程，在 block 上擦除數(shù)據(jù)。假設(shè)您保存了一個 8KB 的文件，之后決定要刪除它，這可能是您寫 給自己的簡單便條，表示您不再需要了。您保存該文件時，它會以 2 pages 的形式保存在閃存記憶體中；您將其刪除時，SSD 會標(biāo)記 pages 為無效，但實際上并不會刪除該 block。SSD 將等到 block 中一 定比例的 pages 被標(biāo)記為無效時，才會復(fù)制一些有效的數(shù)據(jù)到新的pages