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          數據存儲:固態硬盤的應用技術原理 日期:2022-05-11 03:59 閱讀:

          曉林電腦分享給大家固態硬盤的存儲技術原理




          固態驅動器( SSD )是一種固態存儲設備,它使用集成電路組件來持久存儲數據,通常使用閃存,并在計算機存儲層次結構中用作輔助存儲。它有時也被稱為半導體存儲設備、固態設備或固態磁盤,盡管 SSD 缺少硬盤驅動器 (HDD)中使用的物理旋轉磁盤和可移動讀寫頭和軟盤。


          與機電驅動器相比,SSD 通常更能抵抗物理沖擊、無聲運行,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改變單元的電阻來存儲數據,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可以使用電池電源來保留數據?;旌向寗悠骰蚬虘B混合驅動器(SSHD),例如將 SSD 和 HDD 的功能結合在同一單元中,同時使用閃存和 HDD,以提高頻繁訪問數據的性能。允許純粹在軟件中實現類似的效果,使用專用的常規 SSD 和 HDD 的組合。


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


          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 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(以前稱為Ruler SSD)以及更高速度的接口,例如NVM Express (NVMe) 超過與HDD性能相比,PCI Express (PCIe) 可以進一步提高性能。


          SSD 的寫入次數有限,并且在達到其全部存儲容量時也會變慢。


          企業級閃存驅動器( EFD ) 專為需要高 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 月首次使用該術語,以幫助他們識別能夠提供符合這些更高標準的產品的 SSD 制造商。沒有控制 EFD 定義的標準機構,因此任何 SSD 制造商都可以聲稱生產 EFD,而實際上產品實際上可能不滿足任何特定要求。


          (OLTP)等寫入密集型應用需要高耐用性的服務器和存儲平臺進行了優化。PX02SS 系列采用 12 Gbit/s SAS 接口,采用 MLC NAND 閃存,隨機寫入速度高達 42,000 IOPS,隨機讀取速度高達 130,000 IOPS,耐久性等級為每天 30 次驅動器寫入 (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/寫速度。它們的 IOPS 最高可達250 萬。




          使用其他持久內存技術的驅動器


          架構和功能


          SSD 的關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易失性內存,但自 2009 年以來,它更常見的是NAND閃存非易失性內存。


          控制器


          每個 SSD 都包含一個控制器,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


          ·        讀寫緩存


          ·        加密


          ·        加密粉碎


          ·        通過幻象碼(ECC)進行錯誤檢測和糾正,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從讀取時將陣列寫入 I/O 緩沖區,約 250 μs 將IO 緩沖區中的 4 KiB 頁面提交到寫入時的陣列,約 2ms 可擦除 256 KiB 塊)。當多個 NAND 設備在 SSD 內并行運行時,帶寬會擴展,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在其架構中實施數據條帶化(類似于RAID 0)和交錯來制造更快的 SSD 。這使得在 2009 年可以使用 SATA 3 Gbit/s 接口創建具有 250 MB/s 有效讀/寫速度的 SSD。兩年后,SandForce繼續利用這種并行閃存連接,發布了消費級 SATA 6 Gbit /s SSD 控制器,支持 500 MB/s 讀/寫速度。 SandForce控制器在將數據發送到閃存之前對其進行壓縮。此過程可能會導致更少的寫入和更高的邏輯吞吐量,具體取決于數據的可壓縮性



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