SSD基础知识及一些技术解析

250/170(70)
260/250
y
Y(32M)
Samsung
JMicron
SamsungG3
JMF612 JMF601 JMF602
SATA II
SATA II + USB SATA II + USB SATA II + USB2.0 8 4 4
220/200(120)
230/180 100/50 150/100
• Nand Flash 闪存，
•
• Mobile DRAM:
主控厂家
主控名称
接口
通道 数
读写速度
DRAM Cache
Intel
sandyforce
PC29AS21AA0
PC29AS21BA0 SF-1222 SF-1565
SATA II
SATA II SATA II SATA II
10
10 8 8
SSD与HDD比较
外观 SSD HDD 3.5”, 2.5”, 1.8” 3.5”,2.5”,1.8” 接口类型 SATA,PATA,FC,SCSI, SAS,USB,miniPCIe,DIMM SATA,PATA,FC,SCSI, SAS
SSD与HDD性能比较
转速(Rotational Speed 或Spindle speed)，是硬盘内电机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在
y
y n
N(16KB buffer )
JMF605
IndiLinx IDX100M00 IDX110M00
SATA II + USB2.0
SATA II SATA II
4
2 4
150/100
N(16KB buffer )
y 230/180 100/80 y
Phison（群联电子）
SMI（慧荣科技） Alcor（安国科技） US Best(联盛科技）
SSD总结
写入寿命有限 • 写入寿命有限（基于闪存）。一般闪存写入寿命为1万到 10万次，特制的可达100万到500万次，然而整台计算机寿命期 内文件系统的某些部分（如文件分配表）的写入次数仍将超过 这一极限。特制的文件系统或者固件可以分担写入的位置，使 固态硬盘的整体寿命达到20年以上。 数据难以恢复 • 数据损坏后难以恢复。一旦在硬件上发生损坏，如果是传 统的磁盘或者磁带存储方式，通过数据恢复也许还能挽救一部 分数据。但是如果是固态存储，一但芯片发生损坏，要想在碎 成几瓣或者被电流击穿的芯片中找回数据那几乎就是不可能的。 当然这种不足也是可以牺牲存储空间来弥补的，主要用RAID 1 来实现的备份，和传统的存储的备份原理相同。由于目前SSD 的成本较高，采用这种方式备份还是价格不菲。
• 碎片不影响读取时间
• 相对固定的读取时间。由于寻址时间与数据存储位置无关，因此磁盘碎 片不会影响读取时间
• 写入速度快
• 基于DRAM的固态硬盘写入速度极快。
• 无噪音 • 发热量较低
SSD总结
• 不会发生机械故障
• 内部不存在任何机械活动部件，不会发生机械故障，也不怕碰撞、冲 击、振动、省电 典型的硬盘驱动器只能在5到55℃范围ห้องสมุดไป่ตู้工作。而大多数固态硬盘可 在-10~70℃工作，一些工业级的固态硬盘还可在-40~85℃，甚至更大的 温度范围下工作（e.g: RunCore军工级产品温度为-55~135℃）。 低容量的固态硬盘比同容量硬盘体积小、重量轻。但这一优势随容量 增大而逐渐减弱。直至256GB，固态硬盘仍比相同容量的普通硬盘轻。
• 工作温度范围更大
•
• 体积小重量轻
•
SSD总结
成本高 • 每单位容量价格是传统硬盘的5~10倍（基于闪 存），甚至200~300倍（基于DRAM）。 容量低 • 目前固态硬盘最大容量远低于传统硬盘。（美 国公司Foremay推出了EC188M系列固态硬盘 2TB。）传统硬盘的容量仍在迅速增长，据称IBM 已测试过4TB的传统硬盘。 易受外界影响 • 由于不像传统硬盘那样屏蔽于法拉第笼中，固 态硬盘更易受到某些外界因素的不良影响。如断电 （基于DRAM的固态硬盘尤甚）、磁场干扰、静电 等。
影响SSD系统性能因素
写入放大 Write Amplification 闪存写入数据量 主控写入数据量
写入放大倍数
因闪存读写特性决定，在写入数据前必须对闪存存储单元先进 行擦除后方可改写。该特性使得产品使用寿命受到较多影响， 同时也增加了无谓数据写入量。 理论上说，写入放大倍数为1最适合。
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影响SSD系统性能因素
SSD的分类
基于DRAM
SSD
基于FLASH
NOR型
或非
SLC
Single Layer Cell 单层单元
NAND型
与非
MLC
Multi-Level Cell多层单元
SSD的分类
• 基于DRAM的SSD：采用DRAM作为存储介质，目前应 用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计、可被绝大部分操 作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业 标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。 •应用方式可分为SSD存储 器和SSD存储器阵列两种。 它是一种高性能的存储器， 而且它的使用寿命很长，美 中不足的它需要独立供电电 源来保护数据安全。
SSD的分类
• 基于闪存的SSD：采用Flash芯片作 为存储介质，这也是通常所说的 SSD。它的外观有多种，例如：笔 记本硬盘（2.5’）、微硬盘（1.8’）、 优盘等样式。这种SSD固态存储器 最大的优点就是可以移动，而且数 据保护不受电源控制，能适应于各 种环境，但是使用年限不高，适合 于个人用户使用。
1968年，IBM公司首次提出“温彻斯特/Winchester”技术
1973年，IBM公司制造出第一台采用“温彻期特”技术的硬盘 1979年，IBM发明薄膜磁头，为减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可 能 80年代末期，IBM发明了MR（Magneto Resistive)磁阻，使得盘片的存储密度 比以往20MB每英寸提高了数十倍 1991年，IBM生产的3.5英寸的硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB， 从此 硬盘容量开始进入了GB数量级 1999年9月7日，Maxtor宣布了首块单碟容量高达10.2GB的ATA硬盘，把硬盘的容 量 引入了一个新里程碑
Nand Flash
• 单层单元(SLC，Single Layer Cell)
• • • • • • • • • 每个单元是1bit 成本高、容量小、速度快 结构简单 复写次数高达100000次 每个单元是2bit 容量大、成本低，速度慢 MLC存储单元中存放的资料较多，结构相对复杂，出错的几率会增加， 必须进行错误修正，性能大幅落后于结构简单的SLC闪存 复写次数5000~10000次 为了保证MLC的寿命，控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法，使得 每个存储单元的写入次数可以平均分摊，达到100万小时故障间隔时间 (MTBF)。
(Internal Transfer Rate) 亦称持续传输率(Sustained Transfer Rate)，反映了硬盘缓冲区未用时 的性能。
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SLC,MLC,HDD的性能比较
其中HDD为1.8英寸, SSD即是采用多个 闪存芯片的并发读写来提供更好的性能.
SSD,HDD功耗比较
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SSD与HDD其它比较
冲击 噪声
SSD在较宽的工作温度范围，强烈的抗震动和冲击的特性，使得SSD成为军事、 车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、 导航设 备等数据存储的首选
SSD,HDD功耗比较
SSD总结
• 启动快
没有电机加速旋转的过程。
• 读取延迟小
• 不用磁头，快速随机读取，读延迟极小。
SSD基础知识及一些技术解析
Prepared by : chencanwen 2012.4.12
目录
• • • • • • SSD定义及组成 SSD发展历程 SSD分类 SSD与HDD优劣比较 SSD性能参数及一些技术解析 SSD产品测试介绍
SSD定义及组成
• SSD(Solid State Disk )俗称固态硬盘，相对原来 主轴旋转，并无机械部分，所以被人称为固态硬 盘。 • SSD由控制单元和存储单元(FLASH芯片)组成， 存儲單元負責存儲資料，控制單元負責讀取、寫 入資料。简单的说就是存储芯片通过阵列制成的 硬盘(基本都是RAID 0 模式，这也是SSD高速的 原因)。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用 方法上与普通硬盘的完全相同 。
PS3015-S5
SM2242t AU7511 UT165
SATA II
SATA II SATA II
4
4 4 Currently only UT165 for USB
64M
n n
SSD发展历程
短板的出现－－硬盘
主 板
内 存
硬 盘
性 能 表 现
CPU
HDD发展历程
1956年9月，IBM向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350 RAMAC （Random Access Method of Accounting and Control）
一分钟内所能完成的最大转数。
平均访问时间(Average Access Time)是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，幵且从目标磁
道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间
传输速率(Data Transfer Rate)， 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度。内部传输率
影响SSD系统性能因素
• • • • • 1、控制器性能 2、闪存性能 (MLC,SLC) 3、通道数量 4、接口 5、其他 （PCB(工艺、层数layer)、辅料 （磁珠、电源IC等 ）
影响SSD系统性能因素
SSD是以1 page写入，而擦除则是以block为最小单位。所以全新的 SSD因为数据顺序写入，能达到最佳性能。而使用过的SSD则将新数据写 入空白区域，当删除数据并没有删除，只是原始数据被标注无效，当需擦 除数据时，以NAND数据块(block)为单位进行擦除。
SSD发展历程
• 上世紀七十年代，Sun StorageTek公司就開發了 第一個固態硬碟。由於價格昂貴、性能不穩定， 使它來去匆匆。 1989年,出現世界上第一款固態硬碟，不過由於其 價格過於高昂因,在當時只限應用於非常特別的市 場比如軍用市場。當時1M大小的快閃記憶體換算 下來的價格達到了3500$！ 2005年5月，三星首款基於Nand快閃記憶體技術 的固態硬碟搶先出貨 • 2007年3月，INTEL發佈了其首款固態硬碟。
• 多层单元(MLC， Multi-Level Cell)
SLC & MLC性能区别
SLC NAND Flash MLC NAND Flash
Random Read
Erase Programming
25 µs
2ms per block 250 µs
50 µs
2ms per block 900 µs
• 1. 垃圾回收(GC) Garbage collection --这个比较特殊的算法用来整理，移动，合 并，删除闪存块来提升效率,减少写入放大。 2. 预留空间（OP) Over-provisioning --- 这块取用一般被用来做优化，包括磨损 均衡，GC,Trim和坏块映射。（7.37%） 3. TRIM 开启后可以减少写入放大
SSD定义及组成
SSD定义及组成
• Controller 主控，
• • 负责读取、写入 SandForce、 Intel、 Marvell（迈 威）、 JMicron智微、 SamSung、 Indilinx、Sandisk、 Toshiba东芝、 SkyMedi擎泰、 Phison群联、 SMI 慧荣、 KTC太和、 Alcor安国、 US Best联盛、亮发 Initio(量晶) 负责存储 Intel、 SamSung、 Toshiba、 Micron、 Hynix、 Sandisk、 STMicro、 Renesas、 Qimonda、 Numonyx、 infineon samsung、Elpida（尔必达）、 Hynix（海力士）、Mcron（镁光）
MemoRight SSD 工作温 度 震动 Hitachi 7K200 HDD 0至70度（商业），-40至85度（工业） 5至55度 20G Peak, 10~2000Hz, (12Cycle/Axis) x3 Axis 1500G/0.5ms 0 Random(RMS) 0.67G for horiontal 0.56G for vertical 180G/1ms Idle: 2.5 Seek:2.9