浅析SSD固态硬盘

2024年1月6日发(作者：)

浅析SSD固态硬盘技术及其应用

摘要：本文就SSD固态硬盘存储技术的概念、最新发展、优缺点和具体应用做了较为系统的阐述和分析。并对SSD技术的规模化应用对相关行业可能产生的影响做了一定的分析和判断。

关键词：SSD 优势 应用

一、 SSD技术——引发数据存储读写革命的利器

在过去的20多年间，计算机技术发展迅速，CPU主频不断提升，其架构从单核、双核、再到多核；内存技术也飞速发展，从SDRAM到DDR、从DDR到DDR2再到DDR3；作为计算机外存的硬盘在容量和读写速度也得到了相应的提高，其接口从PATA变成了SATA，SCSI变成了SAS，同时由于垂直记录技术的广泛使用，使传统硬盘在容量上也取得重大突破。然而，随着人们对各种数据信息快速读写需求的不断增多，以传统硬盘为基础的存储系统的读写瓶颈越来越明显。尤其是在面对互联网上越来越多的高清视频/图像流数据的快速响应需求，以及移动高清晰影像记录载体等诸多应用领域，传统硬盘机械结构磁记录系统已经无法满足上述业务要求，而所有这一切将随着SSD固态硬盘技术的推广应用而悄然改变。

固态硬盘(SSD, solid state disk)是一种革命性的存储技术，已经给存储行业甚至计算机体系结构带来深刻变革。与传统硬盘相比，SSD固态硬盘是一种纯芯片式电子器件而非物理机械装置，它具有体积小、能耗小、搞干扰能力强、寻址时间极短（甚至可以忽略不计）、IOPS（每秒进行读写操作的次数）高、I/O数据吞吐性能高等特点。事实上，限制目前计算机性能的最大的瓶颈就是计算机内存与外存之间的数据读取鸿沟。传统磁盘I/O通常成为系统性能 1 / 9

瓶颈，而采用SSD技术可以有效缩短内存与外存之间的数据读写速度的鸿沟，而原来导致计算机系统中原本为解决I/O性能瓶颈的诸多组件和技术的作用将变得越来越微不足道，甚至最终将被淘汰出局。

其实固态硬盘存储技术并不是一个新鲜和前沿的技术，早在存储技术发展之初，固态存储就作为存储领域的一个分支技术方向，默默无闻的向前发展延伸。SSD固态硬盘最早在1990年登场，当时相对于硬盘更为出色的性能以及更高昂的成本，使其长期被限制在军事、航天等特殊领域里应用。随着SSD固态硬盘技术的发展和闪存价格的持续走低，SSD固态移动硬盘的普及已是大势所趋。

二、 SSD固态硬盘的种类

我们平常所说的SSD泛指使用NAND Flash组成的固态硬盘，其特别之处在于没有机械结构，利用传统的NAND Flash特性，以区块写入和抹除的方式来作读写的功能，因此在读写的效率上，非常依赖读写技术控制芯片的设计。目前，根据SSD硬盘采用的存储介质不同对其进行分类：

（1）基于闪存的SSD

基于闪存的固态硬盘：采用FLASH芯片作为存储介质，这也是我们通常所说的SSD固态硬盘, FLASH闪存芯片有两个种类, 即MLC(Multi Level Cell)多层单元和SLC(Single Level Cell)单层单元。SLC的特点是成本高、容量小、但是速度快，而MLC的特点是容量大成本低，但是速度慢。MLC的每个单元是2bit的，相对SLC来说整整多了一倍。不过，由于每个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，这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。此外，SLC闪存的优点是复写次数高达100000次，比MLC闪存高10倍。此外，为了保证MLC的寿命，控制芯 2 / 9

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)。它的外观可以被制作成多种摸样，例如：笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、优盘等样式

（2）基于DRAM内存的SSD

基于DRAM的固态硬盘：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硬盘和SSD硬盘阵列两种，它是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长，美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。这些SSD对于普通消费者来说，是属于比较遥远的产品，因为使用它们的多数是军方、医用等特殊领域。

三、 SSD固态硬盘的优势与不足

（一）SSD的优势

SSD是摒弃传统磁介质，采用电子存储介质进行数据存储和读取的一种技术，突破了传统机械硬盘的性能瓶颈，拥有极高的存储性能，被认为是存储技术发展的未来新星。 固态硬盘作为SSD技术在存储领域具体应用体系，通过存储介质全集成电路化、无任何机械运动部件的革命性设计，从根本上解决了在移动办公环境下，对于数据读写稳定性的需求。同时全集成电路化设计可以让固态硬盘做成任何形状。与传统硬盘相比，SSD固态电子盘具有以下优点：

第一， 数据读写速度快，IOPS高。

SSD不需要机械结构，完全的半导体化，不存在数据查找时间、延迟时间和磁盘寻道时间，数据存取速度快，读取数据的能力在100M/s以上，目前量产SSD固态硬盘最高数据读取速递可达300M/s，远远高于传统机械式硬盘。例如: 以目前市场上已广泛应用的消费级Intel X25-M硬盘为例，X25-M的4KB 3 / 9

写入IOPS高达6600次，读取IOPS也高达3.5万次，的持续读取速度为250MB/s，一块常见SATA硬盘则为100MB/s，从字面上来看SSD速度是HDD的2.5倍。这时你就忽略随机 访问时间的问题。X25-M的平均“寻道时间”仅为85微妙，而传统硬盘大多在4到15毫秒，差距达到50甚至150倍。在具体读写操作方面，操作系统启动主要依赖随机读取小块数据，因此固态硬盘可比传统硬盘快100倍。而在应用程序连续读取大尺寸文件时，固态硬盘的优势也有近3倍左右的速度优势。

第二， 坚固耐用，环境适应性强，数据安全性高

SSD全部采用闪存芯片，经久耐用，防震抗摔，SSD固态盘的抗冲击可以达到1500G，抗震动可以达到5G(7～2000HZ)。SSD低功耗和抗震动从物理上确保了数据的稳定性，同时在SSD内部集成ECC校验单元，可以进行4bit/512Bytes，确保了在进行大量数据交换或传输过程的正确性。此外，SSD支持各种RAID模式。内部集成类似UPS功能，在突然断电的情况下，内部可以存留几秒中的电流，将未写完的关键数据写入闪存中，确保了断电引起的数据丢失的现象，大幅提升服务器存储系统的性能。目前量产的品牌SSD硬盘均可保证4米以上自然跌落而数据无损，而传统机械式硬盘在高于50CM自然跌落就可能造成数据损失甚至硬盘内部硬件损坏而无法使用。对外界环境的适应程度来说，传统的硬盘驱动器只能在5到55℃范围内工作。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。

第三， 节能低耗，无噪音。

传统机械式硬盘在数据读写过程中，从寻道到定位数据都要借助电机高速运转进行，从而耗费大量的电量，15000转硬盘功耗约为18W。SSD固态盘在 4 / 9

运行当中数据可以经过I/O总线直接存储，不需要复杂的机械运动，功耗极低，根据其容量的不同，功耗一般在0.3-0.7W。SSD固态硬盘得益于无机械部件及FLASH闪存芯片，因为没有机械马达和风扇，工作时噪音值为0分贝。

第四，相对体积小，重量轻，可根据设备需要设计外形。

SSD固态硬盘比常规1.8英寸硬盘重量轻20-30克，使得便携设备搭载多块SSD成为可能。同时因其完全半导体化，无结构限制，可根据实际情况设计成各种不同接口、形状的特殊电子硬盘。

（二）SSD的不足

第一、高成本

目前，影像SSD发展的最大障碍还是成本，即使是基于闪存的SSD固态硬盘相对于传统机械式硬盘价格依然过高。以消费级产品为例，传统机械制造成本约为0.5元/G，而固态硬盘的制造成本大约为20元/G，就现在已经量产的主流128GB固态硬盘来说，光成本就需要1300元左右人民币，而作为廉价的传统硬盘3.5寸2000GB容量销售价格不到800元。成本过高是造成SSD固态硬盘迟迟不能批量推广的重要原因。

第二、存储容量有待提高

如今传统机械式硬盘凭借最新的垂直记录技术已经有3TB级别的硬盘问世，目前SSD最大容量仅为1 TB，而且还是实验用。在市面上更常见的则是64GB、128G、256G级别的单体硬盘，由于大容量闪存集成技术和控制技术相对还不够成熟，更大容量意味着更高成本，目前包括INTEL、希捷、KINGSTON等国际厂商都在着力高容量的SSD产品的研发，相信不久的将来，我们就能用到容量与传统硬盘相差无几的SSD硬盘。

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第三、基于DRAM内存的SSD容易因为断电而丧失储存了的数据，在数据安全性和数据长期存储方面对整个计算机保障系统提出了更高的要求。

四、 现阶段SSD技术在存储系统中的主要应用途径：

SSD的应用经过多年的研究和进步，在传统磁盘存储性能停滞不前的今天，固态存储却犹如一朵奇葩，在越来越多的应用领域静悄悄的盛开。从最几年的发展情况来看，技术上问题都在不断地改善和解决，专门针对SSD技术优化的计算机软硬件也在不断问世，就目前SSD规模化应用的实现途径来看，其应用途径主要有以下几个方面：

(一) 使用SSD闪存硬盘代替传统硬盘

对于存储系统来说，SSD技术最大突破是大幅提高了IOPS，使摩尔定理的效力再次显现，通过简单地用SSD替换传统磁盘，就可能可以达到和超越综合运用缓存、预读、高并发、数据局部性、磁盘调度策略等软件技术的效用。随着SSD技术的火热，大多数厂商利用光纤通道、串行ATA(SATA)或串行连接SCSI(SAS)接口添加SSD来取代硬盘驱动器来向已有存储阵列添加SSD支持。虽然需要存储器厂商提供必要的驱动支持并需经过严格的测试和质检程序，但由于存储厂商可以利用现有的磁盘阵列的技术，因此这种方式只需要对现有系统进行很少的改变。但从实际使用效果来看，由于大多数存储厂商没有专门针对SSD与硬盘层之间数据优化，传统存储系统缺少自动化数据迁移以及针对SSD存储控制器的性能限制,导致使用SSD代替传统硬盘的实际效果并没有想象中那么明显。

(二) 批量使用基于NAND的SSD作为存储控制器中的高速缓存

将固态硬盘安装在基于DRAM的自适应替换缓存(ARC)和SATA驱动器之间，利用大量基于NAND的SSD作为存储系统的高速缓存，将直接解决SSD和传统 6 / 9

硬盘层之间自动化数据迁移的软件问题。但这要求存储系统厂商必须设计全新的存储产品的架构来适应NAND闪存，以消除添加太多的SSD存储令导致存储阵列无法容纳而最终崩溃的可能。通过将NAND闪存放在硬盘驱动器的前端而不是取代简单的硬盘，使经过存储系统的所有数据和应用都将从NAND SSD的高I/O中得到直接的速度和效率提升，而不仅仅是驻留在SSD层中的数据。这样就快译通过规模可以达到数百G字节的SSD，将工作数据保持在内存中来最大限度地减少硬盘存取。目前，基于NAND的SSD高速缓存的存储系统可以支持800，000以上的高IOPS。

(三) 独立SSD阵列

用与传统存储阵列并行运行的基于SSD的存储系统补充硬盘阵列是向存储环境添加固态存储的破坏性最小的方式。然而，由于SSD固态存储阵列技术尚未最终成熟，为了保证其优秀的性能不被拖累，独立固态系统不能利用已有的阵列组件和系统，因此成本可能更高。此外，控制系统与硬盘层的集成程度不如传统存储系统的架构方式，从而使克服固态硬盘与硬盘层之间的数据迁移挑战变得更加困难。

五、 SSD技术的应用前景展望

SSD具有功耗低、稳定性好、运行速度快、抗震性强等优势，并且固态硬盘运行时散热也更小、更加安静。一般来说，SSD的平均故障间隔时间可达到200万个小时，数据传输速度比传统硬盘快30-40倍。SSD硬盘具有的极高优势，能显著提高数据存储的并发读写能力，解决大数据流快速读写应用所遇到的硬盘性能瓶颈问题，提供用户完美的使用体验。

在图形处理和视频编辑方面，采用PCIe FH-HL接口的SSD小型阵列，可替代传统硬盘安装在X86工作站或MAC工作站中，新的SSD课为主机贡献近 7 / 9

1.5GB/s读写带宽，30K IOPS,性能相当于2～3台普通磁盘阵列，容量组合为256G~2T，实际功耗方面低得相当惊人，Idle模式下6W，全速读写不到15W，仅相当于显卡的待机功耗。在实际使用过程中，加载高清图片和高清视频的响应时间比使用传统硬盘节省了近2倍。

在视频网站应用方面，SSD在视频网站中的应用方案应该是目前最热门的技术。传统的做法是通过添加内存来提高内存命中率并减少客户端I/O次数，或者需要添加磁盘以支持应用程序所需的I/O速率。然而增加内存的问题会导致网站线性成本直线上升，可改造价值却仅呈对数增长。由于工作量是随机的，增加内存仅能得到大约按照内存平方根比例减少的I/O。所以考虑在硬件成本及IOPS等多种因素后，可通过采用SSD硬盘来取代普通HD硬盘实现提高访问速度和效率的问题。

在云计算方面，由于云计算应用服务器端必须同时肩负应用程序的处理与客户端的存取需求，在合理的成本之下，充分利用SSD来改善服务器的存取效率，满足客户端的存取需求，已成为包含云计算服务供货商与服务器制造商必须要研究解决的课题。尤其针对云计算应用的精简终端，未来仍需要SSD，可进行快速反应、节省功耗的储存设备。

最后，SSD目前对IOPS要求高的存储应用行业最有帮助，主要是大量随机读写应用，这类应用包括互联网应用行业和CDN行业的海量小文件存储与访问（媒资索引、数据浏览等）、数据分析与挖掘领域的OLTP等。

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参考文献：

1．白洁、马海兵，《中国科技信息》,《固态硬盘在存储系统中的应用分析》，

2010.6。

2．陈明达，《移动通信》，《固态硬盘(SSD)产品现状与展望》， 2009.11。

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