固態硬盤的前世今生

    前言：多少年以來，我們裝在電腦機箱里面的硬盤都是磚塊形狀的機械硬盤。然而時至今日，硬盤的發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固態硬盤的出現，才讓硬盤真正進入到高速發展的時代。

    不過身邊很多人對SSD固態硬盤的認識還停留在不穩定、不安全、用久了會慢、超級貴等負面認知上。事實是否就是如此呢？在SSD固態硬盤蓬勃發展的當下，我們也有必要更新下對其的認識了吧。

    二十三載：固態硬盤的前世

    話說當年IBM公司1956年發明的世界上第一塊硬盤，僅有5MB的存儲空間，卻由50多塊24英寸的碟片組成，所占體積在現今人對電腦的理解來看就是不可想象的。但傳統硬盤，也就是機械硬盤的主要物理結構就是從那時確定，并一直沿用至今。

世界上第一塊硬盤，由于年代久遠，僅有黑白照片

    機械硬盤必須有類似老式黑膠留聲機一般的機械結構，磁頭，懸架，轉軸和盤片。因此遺憾的是，由于機械架構的存在，硬盤不能像CPU那樣通過改進制造工藝，在一定的空間內放置更多的晶體管提高性能。經過50多年的風風雨雨，目前硬盤的主軸轉速基本沒有太大的提高空間了，主流的7200RPM也不知道多久沒有提高了。

后來SSD出現了

    在上世紀七十年代，StorageTek公司(現在的Sun StorageTek)開發了第一個固態硬盤驅動器。早期固態硬盤的缺陷如價格昂貴、性能不穩定，以及當時高性能市場需求尚未崛起，致使它來去匆匆無聲無息。世界上第一款固態硬盤出現于1989年，不過由于其價格過于高昂因此在當時只限應用于非常特別的市場比如醫療、工作以及軍用市場。實際上雖然當時其1M大小的閃存換算下來的價格已經達到了3500美元，但是其性能卻要遠低于當時的普通硬盤產品，不過憑借其獨有的特性卻使得閃存硬盤在軍用、航空以及醫療領域獲得了長足的發展。自從07年七月IBM在其刀片式服務器上部署 SanDisk SSD，固態硬盤再一次走進人們的視線。

    所以SSD固態硬盤早已不是個新生事物，算起來也有23歲了。如果以人類年齡來估算，固態硬盤應該也到了風華正茂的年華了吧，而事實上也正是這樣。

    風華正茂：固態硬盤的今生

    關于固態硬盤的概念大家想必都已經不在陌生了。SSD (Solid State Drive)中文就是：固態硬盤，SSD由控制單元和存儲單元（FLASH芯片）組成，簡單的說就是用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤。目前的硬盤（ATA 或 SATA）都是磁碟型的，數據就儲存在磁碟扇區里，而固態硬盤數據則儲存在芯片里。

    固態硬盤目前目前主要有兩類：

基于閃存的固態硬盤

    1.基于閃存的固態硬盤：采用FLASH芯片作為存儲介質，這也是我們通常所說的固態硬盤。它的外觀可以被制作成多種模樣，例如：筆記本硬盤、微硬盤、存儲卡、優盤等樣式。這種固態硬盤最大的優點就是可以移動，而且數據保護不受電源控制，能適應于各種環境，但是使用壽命不高，適合于個人用戶使用。

基于DRAM的固態硬盤

    2.基于DRAM的固態硬盤：采用DRAM作為存儲介質，目前應用范圍比較窄。它仿效傳統硬盤的設計、可被絕大部分操作系統的文件系統工具進行卷設置和管理，并提供工業標準的PCI和FC接口用于連接主機或者服務器。它是一種高性能的存儲器，而且使用壽命很長，美中不足的是需要獨立電源來保護數據安全。

    由于DRAM固態硬盤屬于比較非主流的設備，所以接下來我們談到的固態硬盤還是以基于閃存的固態硬盤，也就是大家比較容易購買、使用的產品為主。

固態硬盤的發展現狀

    我們可以買到的固態硬盤

    過去的2011年，各路固態硬盤廠商如雨后春筍般的冒了出來，如今有Intel、鎂光、OCZ、威剛、浦科特、金士頓、奧瑞科、金勝等數十家。各路品牌意味著市面上我們能夠買到的固態硬盤產品也是琳瑯滿目。

固態硬盤內部拆解

    從上圖可以看到，固態硬盤的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硬盤的決定性因素（因為有些主控方案不需要緩存顆粒，因此緩存顆粒不構成決定性因素），也是我們消費者購買固態硬盤首先要考慮的。

    關于主控芯片

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

    關于閃存顆粒

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全稱是單層式儲存 (Single Level Cell），因為結構簡單，在寫入數據時電壓變化的區間小，所以壽命較長，傳統的SLC NAND閃存可以經受10萬次的讀寫。而且因為一組電壓即可驅動，所以其速度表現更好，目前很多高端固態硬盤都是都采用該類型的Flash閃存芯片。

    2.MLC全稱是多層式儲存（Multi Leveled Cell），它采用較高的電壓驅動，通過不同級別的電壓在一個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。作為目前在固態硬盤中應用最為廣泛的MLC NAND閃存，其最大的特點就是以更高的存儲密度換取更低的存儲成本，從而可以獲得進入更多終端領域的契機。不過，MLC的缺點也很明顯，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僅為1萬次。

閃存顆粒

    除了MLC/SLC的區別，目前固態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。不同閃存顆粒數據傳輸率有著很大的差異，異步ONFI顆粒只有50MT/s（Intel或者Micron早期顆粒），同步ONFI 2.x顆粒則可以達到133MT/s ~ 200MT/s （Intel或者Micron顆粒），異步Toggly DDR 1.0顆粒也可以達到133MT/s ~ 200MT/s （TOSHIBA或者Samsung顆粒）。因此在通道數相同的前提下，閃存顆粒傳輸率更高的固態硬盤更容易突破500MB/s的持續讀取速度。

固態硬盤的產品特性

    固態硬盤的發展方向

2.5英寸固態硬盤

    除了我們常見的2.5英寸、SATA接口的固態硬盤以外，由于人們對存儲性能的不斷追求。更快更大的固態硬盤已經出現，OCZ在CES2012的展臺就展示了一片采用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，最高可支持總容量為16TB的NAND閃存芯片的固態硬盤。

OCZ展示16控制器版PCI-E固態硬盤

    可以說固態硬盤做到了機械硬盤做不到的事情。因為固態硬盤的存儲介質是閃存芯片，因此符合摩爾定律，也就是說隨著時間的推移，芯片的價格會不斷下降，容量和性能卻會斷提升。這讓停滯了多年的機械硬盤垂直記錄技術情何以堪。

    總結當下固態硬盤的特點

持續讀取速度突破500MB/s

    1、固態硬盤很快！的確，但是固態硬盤究竟快在哪里？現在的固態硬盤廠商大多會宣稱自家的固態硬盤持續讀寫速度超過了500MB/s云云，這相對機械硬盤的100MB/s的速度著實是相當可觀的。

存取時間快很多

    固態硬盤的快絕不僅僅體現在持續讀寫上，隨機讀寫速度快才是固態硬盤的終極奧義，這最直接體現在絕大部分的日常操作中。與之相關的還有極低的存取時間，目前機械硬盤最快也要14毫秒左右，而固態硬盤可以輕易達到0.1毫秒甚至更低。

固態硬盤并不脆弱

    2、其他物理特性，低功耗、無噪音、抗震動、低熱量 、體積小、工作溫度范圍大(-40~ +85℃ ）。這些優勢機械硬盤都不具備，固態硬盤比機械硬盤還要耐用，更低溫、更抗震、更便攜。因此固體硬盤才能廣泛應用于軍事、車載、工業、醫療、航空等領域。

    3、容價比低。這里指的是容量和價格的比，相比機械硬盤，固態硬盤的容價比的確低得沒話說。如今1TB機械硬盤750元，平均0.75元/GB。120GB固態硬盤一般在1300元甚至更高，平均10.8元/GB。

    4、壽命限制。固態硬盤閃存具有擦寫次數限制的問題，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？理論上是這樣沒錯，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。再來一個具體的例子，一款120G的固態硬盤，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。大家可以自行計算3000個P/E能用幾年，相信到那時候，固態硬盤早就被你換成別的什么新奇玩意了。

    總結：時至今日，固態硬盤無論從技術上還是產能上都已經有了長足的進步。2012年，隨著更多的廠商加入這一產品線，固態硬盤有望迎來井噴式的發展。同時工藝制成的提高必然會帶來成本的下降，這樣一來固態硬盤的價格將不再高不可攀。

    無論是Intel的超級本還是蘋果的新一代MBP/MBA都將搭載SSD而非HDD，這樣的趨勢會延續下去，但我們也必須看到，即便遭遇了水災的影響，傳統硬盤依舊是很多人首選。因此短期內，我們都會發現SSD和HDD會是共存共生的局面。不過說些題外話，身邊用過SSD的朋友可是表示他們再也無法接受HDD了。