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導(dǎo)讀：SSD固態(tài)硬盤是由控制單元和固態(tài)存儲單元（DRAM或FLASH芯片）組成的存儲設(shè)備，目前支持SATA、FC、SAS接口，可以替代普通的機(jī)械硬盤。

1.什么是SSD

SSD即固態(tài)硬盤（Solid State Disk或Solid State Drive），也稱作電子硬盤或者固態(tài)電子盤，是由控制單元和固態(tài)存儲單元（DRAM或FLASH芯片）組成的存儲設(shè)備，目前支持SATA、FC、SAS接口，可以替代普通的機(jī)械硬盤。

SSD盤根據(jù)容量、可靠性和性能的要求分為SLC SSD和MLC SSD，SLC主要應(yīng)用于服務(wù)器、工作站、存儲等高可行性環(huán)境中，MLC主要應(yīng)用于桌面PC可靠性要求不高的環(huán)境中。

SSD盤和傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤的內(nèi)部構(gòu)造圖對比如下：

SSD盤內(nèi)部構(gòu)造圖                     機(jī)械硬盤內(nèi)部構(gòu)造圖

相比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤，SSD硬盤擁有如下優(yōu)點：

1、數(shù)據(jù)存取速度快。因為全部采用了閃存芯片，所以SSD固態(tài)存儲器內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，SSD在密集的IO讀寫和低延遲方面與傳統(tǒng)硬盤對比性能優(yōu)異。

2、故障率低。防震抗摔是SSD的一個特點之一，因為全部采用了閃存芯片，所以SSD固態(tài)存儲器內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，這樣即使在高速移動甚至伴隨翻轉(zhuǎn)傾斜的情況下也不會影響到正常使用，而且在筆記本電腦發(fā)生意外掉落或與硬物碰撞時能夠?qū)?shù)據(jù)丟失的可能性降到小。

3、綠色環(huán)保。固態(tài)存儲器工作時靜音（固態(tài)存儲器因為沒有機(jī)械馬達(dá)和風(fēng)扇，工作時噪音值為0分貝）、發(fā)熱量小、散熱快。

4、重量更輕。固態(tài)存儲器在重量方面更輕，有利于移動設(shè)備的攜帶。

在目前HDD機(jī)械硬盤容量每年增速較慢，讀寫速度10年來基本上沒有增加，而處理器的速度已經(jīng)是按莫爾定律成倍的增加，HDD硬盤存儲介質(zhì)已經(jīng)成為計算系統(tǒng)的瓶頸，而SSD隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，F(xiàn)lash集成度愈來愈高，成本不斷下降，在采用多通道并行等技術(shù)下，SSD盤以其讀寫速度快、綠色省電和無機(jī)械部件可靠性高，在高端服務(wù)器、存儲和便攜機(jī)中愈來愈廣泛使用。

2.SSD的分類

SSD主流的產(chǎn)品目前有SLC和MLC兩種，兩種產(chǎn)品的主要差別在于擦寫次數(shù)和性能。

SLC全稱單層式儲存(Single Level Cell)，是指一個Block(塊，F(xiàn)lash的基本存儲單元，也可稱為Cell)只有兩種電荷值，高低不同的電荷值表明0或者1，因為只需要一組高低電壓就可以區(qū)分出0或者1信號，所以SLC大的驅(qū)動電壓可以做到很低，傳統(tǒng)的雙電壓卡或者低電壓版本卡片肯定采用SLC類型的NAND Flash芯片。

SLC因為結(jié)構(gòu)簡單，在寫入數(shù)據(jù)時電壓變化的區(qū)間小，所以壽命較長，傳統(tǒng)的SLC Flash可以經(jīng)受10萬次的讀寫，因此出現(xiàn)壞Block的幾率較小，因為存儲結(jié)構(gòu)非常簡單，一組電壓即可驅(qū)動，所以其速度表現(xiàn)更好，目前所有的超高速卡都采用SLC類型的Flash芯片。

MLC(多層式儲存—Multi Leveled Cell)是種充分利用Block的技術(shù)，它采用較高的電壓驅(qū)動，通過不同級別的電壓在一個Block中記錄兩組位信息(00、01、11、10)，這樣就可以將原本SLC的記錄密度理論提升一倍。不過MLC除了同制程、同晶圓面積時理論大一倍的記錄空間外，存在一些先天的弊端，比如說電壓區(qū)間更小，F(xiàn)lash就需要更多的CRC校驗空間，這會大概占據(jù)Block中10%的空間，因此實際使用中同制程同晶圓面積的MLC的容量不到SLC的一倍。

因為電壓變化更頻繁，所以MLC技術(shù)的Flash在壽命方面遠(yuǎn)劣于SLC，官方給出的可擦寫次數(shù)僅為1萬次，這是MLC要命的一個缺點。

MLC技術(shù)的Flash還有一個缺點，它的讀寫速度先天不如SLC，一個Block存儲兩組位數(shù)據(jù)，自然需要更長的時間，這里面還有電壓控制、CRC寫入方式等因素需要考慮。

3. SSD技術(shù)解析

NAND FLASH 損耗均衡算法（Wear Leveling）

因為閃存的寫操作的次數(shù)是有限制的，如果針對某些單元進(jìn)行過10萬次寫操作，那么后續(xù)這些單元的寫入可靠性則無法保證，有些單元則可能會失效，例如有些管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)日志等改寫頻繁,而某些靜態(tài)文件數(shù)據(jù)卻幾乎從不改寫.如不加控制，部分塊就會因反復(fù)多次擦除而提前損壞,而部分塊還未被改寫過，以至影響SSD盤的使用壽命，為解決此問題，使用寫操作均勻分布到各閃存單元上，從整體上做一個平衡，以避免個別單元失效，損耗均衡算法（Wear Leveling）就是為解決此問題而廣泛采用的算法。

Wear Leveling就是提供一個塊映射機(jī)制, 把寫入損耗分散在不同的塊上, 不會導(dǎo)致某些塊先被寫壞而使整個SSD盤失效，而是把在預(yù)期壽命前失效的塊, 會有一些保留塊來替代, 這個算法使得整個設(shè)備的壽命跟Flash的大壽命在同一量級。

一般為實現(xiàn)損耗均衡算法（Wear Leveling）會采用一種基于頁的文件存儲算法，閃存物理地址和邏輯地址之間并沒有一一對應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)固態(tài)硬盤收到數(shù)據(jù)寫入請求時，并不會循規(guī)蹈矩的按順序進(jìn)行寫入，而是找到少寫入的單元寫入。因而，在為寫入數(shù)據(jù)動態(tài)分配物理塊時,會根據(jù)各塊的使用情況不同分配相應(yīng)的優(yōu)先級，從而均衡整個存儲器各單元的使用壽命。

SSD多通道并發(fā)技術(shù)

由于目前Nand Flash的數(shù)據(jù)總線為8bit，大能提供25MB/s的讀速度和3MB/s的寫速度，顯然SSD如果提供此速度是用戶無法接受的，目前SSD控制器普遍采用多個通道同時并行操作多片F(xiàn)lash，類似RAID0，這樣讀寫速度得到了極大地提高，如下圖所示：

糾錯管理與映射機(jī)制

SSD控制器會監(jiān)測和校驗讀寫Flash的數(shù)據(jù)，以確保對數(shù)據(jù)操作的成功，并內(nèi)置糾錯冗余數(shù)據(jù)，防止基于閃存設(shè)備的個別單元數(shù)據(jù)丟失造成整個數(shù)據(jù)塊丟失。

SSD的映射機(jī)制一般采用基于頁的文件存儲算法，閃存物理地址和邏輯地址之間并沒有一一對應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)固態(tài)硬盤收到數(shù)據(jù)寫入請求時，并不會循規(guī)蹈矩的按順序進(jìn)行寫入，而是找到方便寫入快的位置進(jìn)行寫入，以提高寫入速度。

通常檢測工作通過片上狀態(tài)寄存器和特定的硬件部件來校驗寫操作和擦除操作是否成功，校驗工作通過回讀寫入數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來完成。當(dāng)寫操作失敗時，系統(tǒng)并不將錯誤簡單的反饋給用戶，而是通過塊重映射機(jī)制，另外分配一個空閑塊重新執(zhí)行寫操作，由于SSD在設(shè)計的時候，已經(jīng)預(yù)留了一部分Flash用于臨時存儲數(shù)據(jù)和壞塊替換使用，再加上Flash芯片對擦寫次數(shù)有限制，讀沒有次數(shù)限制，這樣即使某些塊被寫壞了，也不會影響到整個SSD的使用壽命。因此，SSD通過自動校驗來預(yù)防錯誤發(fā)生，個別單元讀錯誤可以通過糾錯來恢復(fù)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性，邏輯地址與物理地址的映射機(jī)制，解決了寫物理區(qū)塊錯誤問題，同時在損耗均衡算法中也需要邏輯地址與物理地址的映射機(jī)制來實現(xiàn)。 

4. SSD應(yīng)用環(huán)境

SSD盤相對于普通機(jī)械硬盤的特點是順序和隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)性能一樣，且響應(yīng)時間小于1毫秒，無機(jī)械部件，可靠性高。通過仔細(xì)研究分析測試多個廠家的SSD盤后，H3C為與萬兆存儲配合使用和發(fā)揮好的性能，選用了高可靠性和高性能的SLC SSD盤，每個盤讀性能能達(dá)到250MB/s，每個磁盤的寫性能能達(dá)到170MB/s，在4 KB塊讀的情況下，每個盤可以達(dá)到35KIOPS, 在4 KB塊寫的情況下，每個盤可以達(dá)到3.3KIOPS。

SSD盤性能和可靠性都很高，但價格相對也較高，而且容量偏小。這就決定了SSD比較適合隨機(jī)讀比例較高，響應(yīng)時間有較高要求的應(yīng)用場合，主要包括如下：

數(shù)據(jù)庫環(huán)境。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)盤一般是小數(shù)據(jù)塊的隨機(jī)讀寫，響應(yīng)時間要求較高，容量在2TB以下的占絕大多數(shù)，采用SSD盤組成的RAID5既可以提供很高的IOPS又大限度地利用其容量。

高性能集群系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)盤。在集群系統(tǒng)中需要共享大量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)需要被各節(jié)點頻繁訪問，要求響應(yīng)速度快，在此系統(tǒng)中通過采用SSD盤后，可以極大地減少各節(jié)點的訪問共享盤的待定時間，提高其性能。