大话存储系列4——固态硬盘（SSD）及其前景

本文整理自网络：

1、简介
固态硬盘（Solid State Disk、IDE FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk）是由控制单元和存储单元（FLASH芯片）组成，简单的说就是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘（目前最大容量为416GB）。
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，.在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致，包括3.5"，2.5"，1.8"多种类型。由于固态硬盘没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳，同时工作温度很宽，扩展温度的电子硬盘可工作在-45℃～+85℃。广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。
通俗点讲：目前的硬盘（ATA 或 SATA）都是磁碟型的，数据就储存在磁碟扇区里。而固态硬盘是使用闪存颗粒（flash disk）（即目前mp3、U盘等存储介质）制作而成，因而其外观和传统硬盘有很大区别。固态硬盘是未来硬盘发展的趋势。目前，三星等厂商已经发布过多款固态硬盘，其中宇瞻公司最新发布的新产品，使用单一控制芯片开发的高速SATA固态硬盘，其连续存取速度最高达200MB/sec，容量可达128GB，相较于目前市面上连续存取速度约50~60MB/sec的SATA接口的SSD，Apacer目前可是足足快了2~3倍！不过目前固态硬盘价格还高高在上，尚未普及到DIY市场。
分类
1.基于闪存的SSD，采用FLASH芯片作为存储介质，这也是我们通常所说的SSD。它的外观可以被制作成多种模样，例如：笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、优盘等样式。这种SSD固态硬盘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。在基于闪存的固态硬盘中，存储单元的不同，又分为两类：SLC（Single Layer Cell 单层单元）和MLC（Multi-Level Cell多层单元）。SLC的缺点是成本高、容量小、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)。2.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。
SSD固态存储器的不足
鱼和熊掌不能兼得，固态存储器不足之处在于数据的可恢复性，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。
转自  http://searchstorage.techtarget.com.cn/showcontent_12787.htm
【TechTarget中国原创】SSD（固态硬盘）是在固态闪存芯片上存储永久数据的存储设备。SSD上没有任何机械部件，完全由半导体存储器组成，并利用集成电路（IC）技术，而不是磁或光学介质。
如果你对SSD存储还不够了解的话，那SSD的诸多术语会让你不知所措。
下面就SSD高频术语分别进行详细解释，也许有些你已经知道，可能有些你还不明白，但对于更多地了解SSD异常关键。
1.SSD超额配置
顾名思义，超额配置就是闪存固态存储容量超额。实际上超额的存储容量并没有占用主机可用的存储空间。SSD超额配置有很大优势，它可以通过对大量NAND数据块超时写入和擦除总数据量进行分配，以提高耐用性。
2.PCIe固态存储
PCIe是直接在服务器上安装的高速扩展卡。由于其直接连接，所有基于PCIe的固态存储的性能要高于基于服务器的SATA、SAS和光纤通道（FC）固态存储器。它是有频繁读写要求的应用的最佳选择，诸如在线事务处理和数据仓库。
3.Tier 0存储层
作为目前速度最快、成本最高的存储层，Tier 0可以视为有快速访问应用需求的企业的理想选择。同时，它的出现也改变了存储层格局。在Tier 0存储层中采用固态存储技术，实现了从仅仅把不常用数据移动到低速、低成本的存储层，到把常用数据移动到高速、高成本的存储层的转变。
4.阻变式存储器（RRAM）
阻变式存储器（RRAM）是以非导性材料的电阻在外加电场作用下，在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。作为阻变式存储器芯片一个重要的电子元件，忆阻器（memristor）的电阻会随外加电压的高低而改变。相比其它非易失性存储技术，RRAM是高速存储器。工程师在对忆阻器（memristor）技术进行潜心研发的道路上遇到的拦路虎，恰恰是阻变式存储器（RRAM）的潜路通。
5.IOPS(每秒进行读写操作的次数)
IOPS(每秒进行读写操作的次数) 是单位时间内对非连续存储空间进行读写操作的请求数量。
6.固态存储的擦除周期(P/E cycle)
固态存储的擦除周期(P/E cycle)是指从写入数据到固态NAND闪存，然后在写入新的数据前擦除所经过的时间。闪存的使用寿命是以擦除周期来衡量的。闪存的擦除次数是有限的，因为每个擦除周期介质都会不同程度的磨损。随着磨损的不断加剧，最终导致闪存寿终正寝。由于供应商采用的技术不同，闪存的磨损和擦除周期也不尽相同。
7.TRIM指令
TRIM是告诉NAND闪存固态存储设备要擦除哪些数据的SATA接口指令。当相关页面的数据可以被覆盖时，操作系统会发给SSD一个TRIM指令。SSD控制器等到主机开始删除和再次写入操作的时候，执行安全擦除操作。因为在写入操作过程中不用花时间去擦除原本的数据，写入速度要快得多。
8.混合式硬盘
混合式硬盘是加入NAND闪存的机械硬盘。其中NAND闪存作为非易失性缓存，可以实现更快的数据访问。
9.多层单元（MLC）
多层单元（MLC）闪存是在每个单元可以存储两位数据。相比于单层单元（SLC）闪存，其成本要低，这使得它是消费级固态存储的可取选择。MLC的缺点是比特误差率比SLC要高，那是因为它误读单元状态的机率大。
10.Flash控制器
Flash控制器在闪存中可以实现与主机的通信和管理文档目录工作。不仅如此，它还可以实现数据存储和存储器使用的耗损均衡、数据纠错和垃圾回收

NOR和NAND 非易失性闪存技术对比：
NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。
相“NAND存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清 楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因 为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码并且需要多次擦写，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
NOR的特点是芯片内执行（XIP, eXecute In Place），这样应用程序可以直接在flash 闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除 速度大大影响了它的性能。
NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。
NOR与NAND的区别
性能比较
flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何 flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除 操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前 先要将目标块内所有的位都写为1。
由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s ，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进 行的，执行相同的操作最多只需要4ms。
执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NAND之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作（尤其是更新小文件时）， 更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必 须权衡以下的各项因素。
● NOR的读速度比NAND稍快一些。
● NAND的写入速度比NOR快很多。
● NAND的擦除速度远比NOR快。
● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更加简单。
● NAND的实际应用方式要比NOR复杂的多。
● NOR可以直接使用，并在上面直接运行代码，而NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动。
接口差别
NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每 一个字节。
NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同 。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。
NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。
NOR的传输效率很高,在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理需要特殊的系统接口。

NAND特点
容量和成本
NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可 以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就 相应地降低了价格。
NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128M B的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存 储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和M MC存储卡市场上所占份额最大。
物理构成
NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell 以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device的位宽。这些Line会再组成Page，(NAND Flash 有多种结构，我使用的NAND Flash 是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M)，每页528Bytes(512byte(Main Area)+16byte(Spare Area))，每32个page形成一个Block(32*528B)。具体一片flash上有多少个Block视需要所定。我所使用的三星k9f1208U0M具有4096个block，故总容量为4096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据的，故实际中可使用的为64MB。
NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：
Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文为列地址，地址的低8位
Page Address ：页地址
Block Address ：块地址
对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度是8位。
可靠耐用性
采用flash介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说 ，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。
寿命（耐用性）
在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND
存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型 的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一 些。
位交换
所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下（很少见，NAND发生的次数要比NOR多），一个比特位会发生反转或被报告反转了。
一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能 导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次 就可能解决了。
当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位 反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建 议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。
这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时， 必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。
坏块处理
NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。
NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制 成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项 处理，将导致高故障率。
易于使用
可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直 接运行代码。
由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。
在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写 入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏 块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。


NOR Flash 生产厂商有 Intel和ST， Nand Flash厂商有Hynix，micon，Samsung，Toshiba和Fujitsu等。
2006年NAND将占据59%的闪存市场份额，NOR的市场份额将下降到41%。而到2009年时，NAND的市场份额将上升到65%，NOR的市场份额将进一步下滑到35%。
Nand 主要应用：Compacflash，Secure Digi-tal，Smartmedia，SD，MMC，Xd，PC Card，USB Sticks等。
NOR的传输效率很高，在小容量时具有很高的成本效益，更加安全，不容易出现数据故障，因此，主要应用以代码存储为主，多与运算相关。
目前，NAND闪存主要用在数码相机闪存卡和MP3播放机中，这两个市场的增长非常迅速。而NOR芯片主要用在手机和机顶盒中，这两个市场的增长速度相对较慢。