固态硬盘(Solid State Drive)基本原理

　　固态硬盘(Solid State Drive)基本原理SSD是最近几年来兴起的储存装置，其性能方面大大的超越传统硬盘。因SSD内部是由许多Flash Memory所组成，故传输速度方面比起机械装置的传统硬盘来的优秀许多。

 

 

　　● 固态硬盘(Solid State Drive)的组成

　　一般市面上见到的固态硬盘外观与2.5”硬盘差不了多少，但固态硬盘将外壳拆开来看，裡面却是一片PCB上佈满密密麻麻的电子元件，这些电子元件其中有两样是组成SSD的关键。第一是负责存放资料的NAND Flash Memory，第二则是控制SSD的 Controller。这两种元件关係紧密相关，负责整个SSD的储存、传输、运作…等。

 

　　● 负责存放资料的NAND Flash Memory

　　上面有提到NAND Flash Memory，在SSD储存装置中扮演重要角色，就是储存资料的地方。传统硬盘利用磁性原理来记录资料，而NAND Flash Memory是由浮闸电晶体组成，利用电流将电子存放至浮闸电晶体当中来记录资料，依技术的不同又细分成单阶储存单元(single-level cell, SLC)、多阶储存单元快闪记忆体(Multi-level cell flash memory, MLC flash memory)。目前世界主要的厂商有Samsung、Toshiba、Micron、Hynix、Intel…等。

 

　　● NAND Flash Memory 特性整理

　　无法原地直接更改资料。若要对已写过资料的位置再次写入资料时，必须先执行抹除的动作，而一区块抹除动作需要的时间约为一个页写入动作时间的10~20倍。NAND Flash Memory写入单位为page，而抹除单位为Block。一个抹除的单位大于写入单位，这表示若要执行区块抹除动作，必须先将欲抹除区块中的有效页搬移至其他区块才可以进行。NAND Flash Memory有抹除次数的限制。若某一区块经常被抹除而超过可用次数的话，会造成区块写入/抹除动作错误。

 

　　● NAND Flash Memory 内部结构

　　外观看起来不起眼且小小的一片NAND Flash memory，内部则是利用大量的电晶体排列成一个大的阵列来存放资料。庞大的储存空间也需要有系统的来管理，所以里头又细分

 

　　Page : 是NAND Flash memory 读写最小单位，Page裡头又分两个区域，分别是存放资料及存放ECC的地方。存放资料的区域大小为512Byte的倍数，1Page可以为2112Byte(含ECC)、4313Byte(含ECC)...等。每种型号的Flash memory Page大小都不一样。

 

　　Block: 是NAND Flash memory 抹除最小单位，是由多个page组合起来成为一个大的区域，Block的size的大小依照型号的不同亦有不同的Block大小。

 

　　● SSD关键的Controller

　　前面有提到SSD的组成有两个关键元件，这边要讲到的是SSD Controller，他必须维持SSD上的许多片的Flash Memory能正常运作，同时也是负责Flash memory与PC端沟通的桥梁。

 

　　因为Flash Memory存储读写方式与传统硬盘大不相同，而目前常见的档案系统(NTFS、FAT32、HFS+、EXT3…等)都是依照传统硬盘的存储读写方式而设计出来的。所以SSD Controller裡有一个重要的功能就是将Flash Memory模拟成传统硬盘让Flash Memory可以直接在PC上使用。

 

　　还有上面有提到NAND Flash Memory有抹除次数限制，为了NAND Flash Memory使用寿命延长，Controller必须有效率让每个Page平均写入，避免都是在对同一个page作读写这样会加速损耗导致寿命减短。不同厂商的Controller的运算方法皆不同。

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