固態硬碟(Solid State Drive)基本原理
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2015.08.28
固態硬碟(Solid State Drive)基本原理

SSD是最近幾年來興起的儲存裝置,其性能方面大大的超越傳統硬碟。因SSD內部是由許多Flash Memory所組成,故傳輸速度方面比起機械裝置的傳統硬碟來的優秀許多。

● 固態硬碟(Solid State Drive)的組成

一般市面上見到的固態硬碟外觀與2.5”硬碟差不了多少,但固態硬碟將外殼拆開來看,裡面卻是一片PCB上佈滿密密麻麻的電子元件,這些電子元件其中有兩樣是組成SSD的關鍵。第一是負責存放資料的NAND Flash Memory,第二則是控制SSD的 Controller。這兩種元件關係緊密相關,負責整個SSD的儲存、傳輸、運作…等。
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● 負責存放資料的NAND Flash Memory

上面有提到NAND Flash Memory,在SSD儲存裝置中扮演重要角色,就是儲存資料的地方。傳統硬碟利用磁性原理來記錄資料,而
NAND Flash Memory是由浮閘電晶體組成,利用電流將電子存放至浮閘電晶體當中來記錄資料,依技術的不同又細分成單階儲存單元(single-level cell, SLC)、多階儲存單元快閃記憶體(Multi-level cell flash memory, MLC flash memory)。目前世界主要的廠商有Samsung、Toshiba、Micron、Hynix、Intel…等。

● NAND Flash Memory 特性整理

無法原地直接更改資料。
若要對已寫過資料的位置再次寫入資料時,必須先執行抹除的動作,而一區塊抹除動作需要的時間約為一個頁寫入動作時間的10~20倍。
NAND Flash Memory寫入單位為page,而抹除單位為Block。
一個抹除的單位大於寫入單位,這表示若要執行區塊抹除動作,必須先將欲抹除區塊中的有效頁搬移至其他區塊才可以進行。
NAND Flash Memory有抹除次數的限制。
若某一區塊經常被抹除而超過可用次數的話,會造成區塊寫入/抹除動作錯誤。

● NAND Flash Memory 內部結構

外觀看起來不起眼且小小的一片NAND Flash memory,內部則是利用大量的電晶體排列成一個大的陣列來存放資料。龐大的儲存空間也需要有系統的來管理,所以裡頭又細分
Page : 是NAND Flash memory 讀寫最小單位,Page裡頭又分兩個區域,分別是存放資料及存放ECC的地方。存放資料的區域大小為512Byte的倍數,1Page可以為2112Byte(含ECC)、4313Byte(含ECC)...等。每種型號的Flash memory Page大小都不一樣。
Block: 是NAND Flash memory 抹除最小單位,是由多個page組合起來成為一個大的區域,Block的size的大小依照型號的不同亦有不同的Block大小。

● SSD關鍵的Controllerssd04

前面有提到SSD的組成有兩個關鍵元件,這邊要講到的是SSD Controller,他必須維持SSD上的許多片的Flash Memory能正常運作,同時也是負責Flash memory與PC端溝通的橋梁。

因為Flash Memory存儲讀寫方式與傳統硬碟大不相同,而目前常見的檔案系統(NTFS、FAT32、HFS+、EXT3…等)都是依照傳統硬碟的存儲讀寫方式而設計出來的。所以SSD Controller裡有一個重要的功能就是將Flash Memory模擬成傳統硬碟讓Flash Memory可以直接在PC上使用。 
還有上面有提到NAND Flash Memory有抹除次數限制,為了NAND Flash Memory使用壽命延長,Controller必須有效率讓每個Page平均寫入,避免都是在對同一個page作讀寫這樣會加速損耗導致壽命減短。不同廠商的Controller的運算方法皆不同。

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