只为高速而生 SSD固态硬盘技术全解析

    泡泡网固态硬盘SSD频道2月23日 Solid-State Drive(SSD)简称固态硬盘，由主控和NAND Flash闪存组成的阵列存储系统，区别于传统的HDD机械转轴设计，具备低功耗、高性能的特点。

IBM 305 RAMAC机械硬盘

    自1956年IBM发布了全球首款5MB HDD以来，存储容量提升了成千上万倍，磁存储一直占据着存储市场的统治地位，而SSD在上世纪七十年代问世后，饱受价格昂贵、性能低下而折磨未能有所作为，直到1989年全球才出现了首款SSD产品，不过其过高的成本绝对使其只能在医疗、军用市场。

    进入21世纪，随着晶体管工艺的提升，SSD市场迎来了小范围的民用推广，而随着工艺的进步，SSD的速率也得到了极大的提升，在与HDD的对抗中出现了全面的胜利，而1美元/GB的鸿沟似乎也将被跨越，SSD大有取代HDD，在未来成为市场的中坚产品。

    不过来自微软最新的研究报告显示SSD可能并不会在与HDD的对抗中获胜，因为随着工艺的提升和存储密度的提升，SSD的出错率将会得到大幅攀升，容量和速率将会出现双重瓶颈，HDD将重新回到存储市场的主力。

    好了现在就回到正题来介绍下SSD的一些基本知识，众所周知SSD由NAND控制器和NAND Flash闪存组成，内部采用了阵列存储，即多通道系统。

    NAND控制器目前已经全面迈入SATA 6Gbps时代，目前市售的SATA 6Gbps方案主要包括Marvell的88SS9174、SandForce SF-2281、三星的S4LJ204X01，另外被OCZ收购的Indilinx也拥有Indilinx Everest主控，而JMicron JMF66X主控也出现在一些低端SATA 6Gbps SSD上。

    由于市场目前已经全面进入到SATA 6Gbps时代，SATA 3Gbps SSD价格并没有多大的优势，毕竟SSD的成本主要来自NAND Flash颗粒，使得更新换代速度要比传统HDD快上不少。

    目前还在销售的SATA 3Gbps SSD主控方案主要有Intel PC29AS21BA0、东芝T6UG1XBG以及少许的SandForce SF-1222。

    在NAND Flash闪存方面目前主要包含两大阵营：以Intel、镁光为首的ONFI（Open NAND Flash Interface）和东芝、三星组成的Toggle DDR联盟。

    ONFI从2006年底建立以来，致力于规范NAND闪存和NAND控制器之间的传输枢纽，初期ONFI 1.0传输带宽为50Mbps，基本可以满足SATA 3Gbps的传输需求。

    而在2008年ONFI 2.0正式发布，带宽提升到133Mbps，支持DDR双倍数据传输技术，另外ONFI 1.0的异步传输也升级为同步时钟控制，而随着工艺的提升SSD的错误率并没有得到下降，相对却出现了增加，随后新的ONFI 2.3则将ECC矫正由NAND主控芯片管理移植到NAND Flash内部。有效的提高了主控的效率。

Intel ONFI NAND Flash闪存

    不过ONFI革命性变化要数去年三月份发布的ONFI 3.0规范，带宽全面提升到400Mbps，攀升了三倍，另外ONFI 3.0的一个重大改革就是对针脚进行了优化，更少的引脚使得PCB的设计难度大幅降低。

    东芝、三星组成的Toggle DDR联盟自2007年组建以来，致力于发布自己的NAND闪存接口，不过由于早期SSD并没有得到大力推广，Toggle DDR 1.0 NAND Flash闪存接口一直到2010年才正式量产。

    Toggle DDR 1.0传输带宽为133Mbps，同样采用了DDR双倍数据传输技术，不过依然采用了异步设计，虽然制约了一定的性能发挥，不过在功耗控制及使用寿命上表现还算不错。

    Toggle DDR 2.0规范发布后不到一年，2011年5月份三星发布了首颗容量高达64Gb MLC(multi-level cell) NAND，而传输带宽提升了3倍达到了400Mbps。

    而在NAND闪存方面，受到成本、速率和容量的综合因素考虑，目前市场上主要包括三大类NAND Flash闪存，分别为SLC、MLC和TLC，它们的价格呈阶梯形式，TLC价格甚至直逼0.5美元/GB。

    SLC（Single-Level Cell）NAND采用了单层设计，单个Cell同一时间只能存储1个bit的数据，由于设计结构的简单，具有存储速率快、寿命长的特点，平均寿命大约为10万次，不过产品的容量和成本较高，主要应用在性能级的企业SSD上，另外在一些高端优盘上也可以见到它。

采用SLC NAND的ORICO UE3优盘读写达160MB/s

    MLC（Multi-Level Cell）NAND则为双层设计，单个Cell同一时间只能存储2个bit的数据，成本、速率和容量得到了非常好的平衡，目前单颗容量已经高达128Gb（16GB），不过产品的使用寿命大约只有10000次。

大容量PCI-E SSD也会采用采用MLC NAND闪存

    TLC（Trinary-Level Cell）则基本是从成本考虑的，采用了三层设计，单个Cell同一时间只能存储3个bit的数据，寿命非常有限，大约只能擦除500次。

    SandForce SF-2281是一款目前广泛应用在主流SATA 6Gbps SSD市场的主控芯片，作为SF-1222的升级版本，SandForce SF-2281在SATA 6Gbps市场表现出惊人的持续速写速度，持续读写分别达到了550MB/s和500MB/s，已经接近SATA 6Gbps的极限。

    SandForce SF-2281除了支持Windows 7的Trim功能外，还提供了NCQ队列支持，另外SandForce独有的DuraWrite压缩算法可以显著提高SSD的读写速度，同时增长了SSD的使用寿命。

    SandForce SF-2281目前的产品包括OCZ Vertex 3/Agility 3、Solid 3系列SSD、Intel最新发布的SSD 520、海盗船Force GT系列SSD、威刚S511系列SSD、金士顿HyperX系列SSD以及影驰Laser EX/GT系列SSD等等。

    Marvell 88SS9174是市面上出现的首款SATA 6Gbps控制器，而其首款SSD源于镁光的M4，能够支持Toggle DDR和ONFI两种闪存规格，镁光M4 SSD自然使用了自家的ONFI NAND Flash闪存。

    而在Trim、NCQ技术上，Marvell 88SS9174得到了全面的支持，目前这一芯片方案被广泛应用在Intel去年发布的SSD 510、海盗船Performance Pro SSD、浦科特M2P、M2S、M3 SSD。

    速度方面基于Intel SSD 510、海盗船Performance Pro SSD、浦科特M2P、M2S、M3 SSD等性能相差并不大，以镁光M4为例，64GB版本持续读写速度分别为500MB/s和95MB/s，而128GB版本或以上的产品持续读写速度分别为500MB/s和175MB/s。

    三星S4LJ204X01目前仅面向自家SSD产品，目前三星自家的SSD 830就使用了这一芯片方案，产品支持Trim、NCQ技术，持续读写速度虽不及SF-2281出众，但也相当不错。

    三星S4LJ204X01是S3C29MAX01的升级版本，配备256MB DDR2缓存，搭载三星自家的2x nm Toggle DDR MLC NAND闪存，最高容量达512GB。  

三星SSD 830 512GB

    SSD 830最大持续读写速度分别为520MB/s和400MB/s，4K随机读写最高分别为80000IOPS和36000IOPS。

    被OCZ收购后，Indilinx仅仅出现在OCZ自家的产品上，OCZ在去年7月份就推出了Indilinx Everest主控的SSD方案，产品也迈入了SATA 6Gbps行列。

    Everest控制器采用了双核ARM架构，支持512MB DDR3-400缓存，支持最高八通道的ONFI 2.0/Toggle 1.0闪存接口，当然也支持SATA 6Gbps，而在闪存支持方面，控制器支持1x nm工艺级SLC和MLC NAND闪存，最大容量为1TB，持续读取速度最高可达560MB/s。

    首款Everest芯片方案为OCZ的Octane SSD，精品容量达到了1TB，使用了Intel的25nm同步ONFI MLC NAND，配备512MB DDR3缓存。

    OCZ Everest控制器主要定位于高性能SSD，而企业级是其重要市场，Everest控制器支持TRIM、NCQ、垃圾回收、掉电保护、多重冗余容量选择、启动加速优化等技术。

    最后不得不提另外一款目前被广泛使用在Intel SSD 3xx系列SSD上的PC29AS21BA0主控，和前面介绍的几款产品不同的是，Intel PC29AS21BA0只支持SATA 3Gbps规格。

    PC29AS21BA0也无一例外的支持NCQ、Trim技术，最大读写速率分别为270MB/s和220MB/s，在SATA 3Gbps时代表现还不错，不过在全面进入SATA 6Gbps时代后，PC29AS21BA0就显得有点老迈了。

    同样PC29AS21BA0只用在Intel自家的SSD上，产品包括Intel SSD 320/310/311系列，搭载自家的ONFI MLC NAND闪存。

    SSD的高性能和低功耗我们已经见识了，不过SSD目前并不会对传统HDD市场构成较大的威胁，尽管HDD市场受到泰国洪水的影响，售价全面出现了翻倍，不过相比SSD高达1美元/GB的售价依然显得白菜。

    而SSD的性能目前受到SATA 6Gbps接口的影响，近一年来未出现显著提升，虽然一些高端存储厂商开始试水PCI-Express接口SSD，不过价格相对传统2.5英寸SSD又提升了一个阶层，大部分消费者很难为过高的价格买单。而目前的SSD市场厄待解决的问题是产品的售价，只有降低到一个合理的水平才会逐渐被普及。

    另外我们也注意到目前的SSD并不是绝对完美，安全问题也频繁发生，SandForce SF-2281曾经出现过蓝屏事件、Marvell 88SS9174曾饱受5200小时门影响，这些都为追求高速的用户埋下了阴影，毕竟数据无价。■<