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數據存儲:固態(tài)硬盤(pán)的應用技術(shù)原理 日期:2022-05-11 03:59 閱讀:

曉林電腦分享給大家固態(tài)硬盤(pán)的存儲技術(shù)原理




固態(tài)驅動(dòng)器( SSD )是一種固態(tài)存儲設備,它使用集成電路組件來(lái)持久存儲數據,通常使用閃存,并在計算機存儲層次結構中用作輔助存儲。它有時(shí)也被稱(chēng)為半導體存儲設備、固態(tài)設備或固態(tài)磁盤(pán),盡管 SSD 缺少硬盤(pán)驅動(dòng)器 (HDD)中使用的物理旋轉磁盤(pán)和可移動(dòng)讀寫(xiě)頭和軟盤(pán)。


與機電驅動(dòng)器相比,SSD 通常更能抵抗物理沖擊、無(wú)聲運行,并且具有更高的IOPS和更低的延遲。 SSD 將數據存儲在半導體單元中。截至 2019 年,單元格可以包含 1 到 4位數據。SSD 存儲設備的屬性根據每個(gè)單元中存儲的位數而有所不同,單比特單元(“單級單元”或“SLC”)通常是最可靠、耐用、快速和昂貴的類(lèi)型,與2位和 3 位單元(“Multi-Level Cells/MLC”和“Triple-Level Cells/TLC”),最后是四位單元通過(guò)改變單元的電阻來(lái)存儲數據,而不是在單元中存儲電荷,而由RAM制成的 SSD可用于高速,當斷電后數據保持不需要,或者在其常用電源不可用時(shí)可以使用電池電源來(lái)保留數據?;旌向寗?dòng)器或固態(tài)混合驅動(dòng)器(SSHD),例如將 SSD 和 HDD 的功能結合在同一單元中,同時(shí)使用閃存和 HDD,以提高頻繁訪(fǎng)問(wèn)數據的性能。允許純粹在軟件中實(shí)現類(lèi)似的效果,使用專(zhuān)用的常規 SSD 和 HDD 的組合。


如果長(cháng)時(shí)間不通電,基于NAND閃存的SSD會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移慢慢泄漏電荷。這會(huì )導致磨損的驅動(dòng)器(已超過(guò)其耐用等級)通常在存儲一年(如果存儲在 30°C)到兩年(如果存儲在 25°C)后開(kāi)始丟失數據;對于新驅動(dòng)器,它需要更長(cháng)的時(shí)間。因此,SSD 不適合歸檔存儲。3D XPoint可能是此規則的一個(gè)例外;它是一種相對較新的技術(shù),具有未知的長(cháng)期數據保留特性。


SSD 可以使用傳統的 HDD 接口和外形尺寸,或者利用 SSD 中閃存的特定優(yōu)勢的更新接口和外形尺寸。傳統接口(例如SATA和SAS)和標準HDD外形尺寸允許此類(lèi) SSD 用作計算機和其他設備中 HDD 的直接替代品。較新的外形尺寸,例如Msata、mSATA、M2、U2、、NF1、XFMEXPRESS 和EDSFF(以前稱(chēng)為Ruler SSD)以及更高速度的接口,例如NVM Express (NVMe) 超過(guò)與HDD性能相比,PCI Express (PCIe) 可以進(jìn)一步提高性能。


SSD 的寫(xiě)入次數有限,并且在達到其全部存儲容量時(shí)也會(huì )變慢。


企業(yè)級閃存驅動(dòng)器( EFD ) 專(zhuān)為需要高 I/O 性能 (IOPS )、可靠性、能源效率以及最近的一致性能的應用而設計。在大多數情況下,與通常用于筆記本電腦的 SSD 相比,EFD 是具有更高規格的SSD。EMC 于 2008 年 1 月首次使用該術(shù)語(yǔ),以幫助他們識別能夠提供符合這些更高標準的產(chǎn)品的 SSD 制造商。沒(méi)有控制 EFD 定義的標準機構,因此任何 SSD 制造商都可以聲稱(chēng)生產(chǎn) EFD,而實(shí)際上產(chǎn)品實(shí)際上可能不滿(mǎn)足任何特定要求。


(OLTP)等寫(xiě)入密集型應用需要高耐用性的服務(wù)器和存儲平臺進(jìn)行了優(yōu)化。PX02SS 系列采用 12 Gbit/s SAS 接口,采用 MLC NAND 閃存,隨機寫(xiě)入速度高達 42,000 IOPS,隨機讀取速度高達 130,000 IOPS,耐久性等級為每天 30 次驅動(dòng)器寫(xiě)入 (DWPD)。


基于 3D XPoint 的 SSD 具有更高的隨機性(更高的 IOPS),但比其 NAND 閃存對應物更低的順序讀/寫(xiě)速度。它們的 IOPS 最高可達250 萬(wàn)。




使用其他持久內存技術(shù)的驅動(dòng)器


架構和功能


SSD 的關(guān)鍵組件是控制器和存儲數據的內存。SSD 中的主要內存組件傳統上是DRAM易失性?xún)却?,但?2009 年以來(lái),它更常見(jiàn)的是NAND閃存非易失性?xún)却妗?/span>


控制器


每個(gè) SSD 都包含一個(gè)控制器,該控制器集成了將 NAND 內存組件連接到主機的電子設備??刂破魇菆绦泄碳壌a的嵌入式處理器,是SSD 性能最重要的因素之一??刂破鲌绦械囊恍┕δ馨ǎ?


·        壞塊映射


·        讀寫(xiě)緩存


·        加密


·        加密粉碎


·        通過(guò)幻象碼(ECC)進(jìn)行錯誤檢測和糾正,例如BCH碼


·        垃圾收集


·        總計清理和總計干擾管理


·        磨損均衡




SSD 的性能可以隨著(zhù)設備中使用的并行 NAND 閃存芯片的數量而擴展。由于狹窄的(8/16 位)異步I/O接口以及基本I/O 操作的額外高延遲(對于 SLC NAND 而言,通常需要 約25 ps從讀取時(shí)將陣列寫(xiě)入 I/O 緩沖區,約 250 μs 將IO 緩沖區中的 4 KiB 頁(yè)面提交到寫(xiě)入時(shí)的陣列,約 2ms 可擦除 256 KiB 塊)。當多個(gè) NAND 設備在 SSD 內并行運行時(shí),帶寬會(huì )擴展,并且可以隱藏高延遲,只要有足夠的未完成操作待處理并且負載在設備之間均勻分布。


美光和英特爾最初通過(guò)在其架構中實(shí)施數據條帶化(類(lèi)似于RAID 0)和交錯來(lái)制造更快的 SSD 。這使得在 2009 年可以使用 SATA 3 Gbit/s 接口創(chuàng )建具有 250 MB/s 有效讀/寫(xiě)速度的 SSD。兩年后,SandForce繼續利用這種并行閃存連接,發(fā)布了消費級 SATA 6 Gbit /s SSD 控制器,支持 500 MB/s 讀/寫(xiě)速度。 SandForce控制器在將數據發(fā)送到閃存之前對其進(jìn)行壓縮。此過(guò)程可能會(huì )導致更少的寫(xiě)入和更高的邏輯吞吐量,具體取決于數據的可壓縮性