SSD固态硬盘技术及原理分析

正确认识SSD

SSD固态硬盘

间单介绍 SSD 先进技术以及SSD的原理，SSD是设计来取代『传统硬盘』。其构造完全是『积体电路』结构，无任何机件，所以和『硬盘』无关。市面简称『固态硬盘』不是很正确。传统硬盘内有『碟片』是旋转碟片来读写数据，但 SSD 都是『积体电路』无碟片。读写原理完全不同。SSD 在 2020年的规格是採用先进的 3D NAND Flash Memory＋PCIe 介面，读写极速是传统硬盘的 4倍，同时，SSD 也有『加密功能SSD』

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SSD与传统硬盘比较，混合式硬盘是什么？

目前市面的数据储存设备（Data Storage）以储存的材质区分为『磁性介质表面储存设备』代表性产品是传统式硬盘，另一是『积体电路的储存设备』代表性产品是 RAM, ROM, SSD Flash Memory….。

虽然目前硬盘还佔优势，但因其『物理极限』已无法克服『怕碰撞，易磨损，耗电...』的问题，也无法再开发更『轻,薄,短,小』的硬盘。科学家因此开始开发以『积体电路的储存设备』取代硬盘。

而目前最符合『轻薄短小』的储存设备是 SSD，而SSD 最重要的元件就是『NAND 非挥发性记忆体(Non-volatile Memory Device)』。虽然 NAND 的技术虽然还有『成本高，容量较低，数据储存年限...问题』但还是已渐渐取代硬盘。

 

SSD	传统硬盘
NAND 积体电路	精密金属机件
轻薄短小、省电、温度低	体积大、重量重、较耗电、温度较高
读写快速	读写速度相对较慢
NAND 写入时会有耗损	理论上磁片读写无耗损
耐摔耐碰撞	怕碰撞
晶片烧毁后，无法数据恢复	硬盘故障时，数据恢复机会较高

SSD的设计是用来取代传统式硬盘，SSD特性是轻便，读写快速，省电.....非常适合『可携式』使用。为了改善传统硬盘因机件太精密，万一碰撞即发生硬盘故障，导致数据无法读取，必须数据恢复。

下图是『传统机件式硬盘』和『SSD』内部结构，可明显看出差异。

•  传统式硬盘内部都是精密机件，怕碰撞。
• SSD 内部都是积体电路元件，较不怕碰撞。

目前的趋势，Notebook 一律都已改用SSD，符合耐碰撞特性，因为读写速度比传统硬盘快速，连一般 PC 都建议改用 SSD 当开机用磁碟，不必因每次开机时需读取数量庞大的作业系统档案而等待的时间，实务上使用者很容易感受速度的差异，几乎提升 4倍以上。

但提醒重要一点，因 SSD 是用 NAND 快闪记忆体，目前受限于『数据写入时都对 NAND flash memory 会造成耗损而降低使用寿命』建议不适用于读写频繁的 Server, RAID, NAS。但相信 SSD 厂商一定设法提升技术克服，不久后即会出现『稳定』『可靠』RAID 专用 SSD。

建议目前 RAID, NAS, Server 建议还是安装 SAS 传统硬盘，应该是较『保险安全』方式。

混合式硬盘

『混合式硬盘』就是『传统硬盘＋SSD』结合成单一硬盘。有 SSD 读写快速的优点，又有传统硬盘的高容量可使用。等于是 1台当 2台用，规格是只有一个 SATA 介面。SSD 磁碟可安装作业系统当开机用磁碟，传统硬盘则当储存数据用。

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SSD规格&介面：SATA、M.2 SATA、M.2 PCIe、NVMe

上述照片得知 SSD 规格分 3种，但介面（ Interface）分2种 SATA & PCIe/NVMe。

SATA 是传统硬盘用，无法发挥 NAND 极速特性，属旧型 Interface。

PCIe/NVMe 是专为 SSD 内的 NAND 开发的新协定，可以发挥 NAND 的极速。

多年前 SSD 设计时的用意是为了取代传统硬盘，为了改善传统式硬盘『怕碰撞，怕摔』的问题，只先将内部精密机件改用成『积体电路 NAND Flash Memory』当储存数据元件，但当时 SATA 是传统硬盘的传输介面 Interface 的标准。

为了可以让市场轻易接受而改用 SSD，所以才继续延用SATA。但却因此阻碍了 NAND Flash Memory 读写快速的特性。多年后 SSD 厂商才开始推广专为 NAND 平行运算 (Internal Parallelism) 功能开发出的传输协定 『NVMe』，而且是可以採用现有的 PCIe 介面，其极速表现比 SATA 高 4倍。

SATA SSD

这是最早出现市面的 SSD，当时是为了取代畅销的传统硬盘而设计，外型就是和一般 2.5”传统硬盘完全相同，也是採用 SATA 介面，安装和传统硬盘相同，毫无困难，可以轻易取代。

目前市面规格 SATA 6.0Gb/s, 读取时间 560 MB/s ,写入时间 510 MB/s。

M.2 PCIe (PCI Express) / NVMe

这是搭配目前最高速的 PCIe 介面，NVMe 也是较新 SSD规格，如是旧款主机板可能不支援，但近期新款主机板都已有支援，据说近年的 Notebook 都搭配 PCIe / NVMe 的 SSD。

目前市面规格 3D NAND，读取时间 3,400 MB/s，写入时间 3,000 MB/s。

M.2 SATA

这是比 PCIe / NVMe 更早期介面，适用较旧款主机板，

目前市面规格 M.2 SATA，读取时间 560MB/s, 写入时间 510MB/s。

据说一般客户选购 SSD 时，较重视读写速度，下列为一简单比较表。

 

2020年规格	M.2 PCIe / NVMe	M.2 SATA	SATA
Sequential Read	3,400 MB/s	560 MB/s	560 MB/s
Sequential Write	3,000 MB/s	510 MB/s	510 MB/s

 

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NVMe（NVM Express）先进规格，读写速度快

上述图片比较说明，应该已很清楚看出，M.2 PCIe＋NVMe 是 SSD 读写速度最快的规格。

谈 SSD 的技术就不得不谈 NVMe 原理，但笔者对 NVMe 技术知道的有限，目前只能简单介绍基本概念，无法深入说明内部核心『平行运算Internal Parallelism for SSD』原理，请见谅。

NVMe 开发的契机是因为：

1. 目前的 CPU 是具有平行运算。

（Parallel computin 可同时执行高达 64,000 个指令，注：CPU 技术更先进，运算能力也提升）

2. NAND 内部也已具备『平行架构』运算能力。

3. 现已有极高速的传输界面『 PCIe』。

如可结合，CPU 的『平行运算』＋PCIe 高速传输介面＋NAND 的『平行运算』，这种组合即可达到『极速』，但只缺 NAND 和 PCIe 的『高速通讯技术』。

所以厂商才为此而开发出 『NVMe』其名称是『非挥发性记忆体控制介面规格 Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification』通讯协定。此新协定终于定义出可以 100% 发挥 NAND 『平行运算』的高速能力，再利用现有的 PCIe 介面的高速特性，即可发挥 NAND 高达 3,400 MB/s 读写速度。这已比传统 SATA 硬盘快4倍速度。

 

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PCle 高速传输介面

PCIe 採用四通道连接，让数据传输比 SATA 快4倍，且省电。使用 PCle ＋NVMe SSD，是目前追求极速唯一选择。

另外有一优点，NVMe SSD+PCIe 组合，因有省电特性，NoteBook 电池耗损减低，电池寿命才得已增长。

 

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SSD 先进的3D NAND＆写入读取数据原理

先简单介绍 SSD 重要元件 Controller, NAND 的功能用途。

Controller：就是负责当外部有档案要写入时，就是先由 Controller 已内建『File System』将档案分数段 Blocks『平均写入』每一颗 NAND Flash Memory 储存。当 Windows 下指令要读取档案时，也是由此 Controller 负责至各 NAND 将该档案所有的 Blocks 取出，依序传输给 Windows。且保证顺序，数量正确无误，档案才完整可正常使用。

Controller 当然还有其它功能，但都是与读写数据有关。后面会一一介绍。

NAND Flash Memory：是先进的 3D NAND 就是负责储存档案数据的 Storage。但因属于半导体高科技，笔者才疏学浅，所知有限不敢卖弄，请包涵。 

注：此处所指 Controller File System 是该 Controller 厂商自行开发专用，是指此颗 Controller 这层的逻辑控制。其主要是负责『读写』功能，是将 Windows NTFS、Mac HFS、AFS、Linux EXT3、EXT4、XFS…...作业系统不同格式的档案，转换成可写入至『积体电路 NAND』内的档案格式。且各厂牌有不同格式。 

接下来说明内部最重要的元件『 NAND 』。NAND 是『非挥发性记忆体』 (Non-volatile Memory Device) 也是 Flash memory 一种。因属于『积体电路』的设计，其内部结构是先进的『3D立体』的多层逻辑电路佈线，是『垂直＋平行 Layout』和传统硬盘圆形磁片读写方式完全不同。当初设计的用意就是为了取代『硬盘』，所以 NAND 的储存单位也是512 Byte/Unit。

NAND 的最小储存单位是 512byte / Unit，这种设计就是为了取代传统硬盘制定的标准协定 512byte / Sector，如此即可 100% 相容。

3D积体电路基本上是一层一层的 Layer，每一层可佈线成数量庞大的 512byte/unit，类似『网格状』的逻辑电路而且共有 2面，再一层一层堆迭，如此堆迭即可构成『立体的逻辑电路架构』，以达到垂直平行读写功能。

NAND 的储存单位也採用『逻辑虚拟』设计，且不同厂牌、型号....数值不同。但制定的基本标准如下：

1. Unit 是 NAND 最基本储存单位，Size=512 byte。

2. Page 是网格上的每一列（行），在 NAND 上称为『Page』。通常数量都是 32、64、128、256、512.../unit，Size 32、64、128...KB，基本上每一层有多少数量的列就相同数量的 Page，但各厂牌设计也有不同。一个page上所有的 unit共用一字元线(Word line）所以 NAND 读写一定是一个 Page 一个 Page同时进行。  

3. Block 是 32,64,128,256,512….Page 组成的『区块』且是『3D立体』，想像成阵列 Array或巨型的『魔术方块』较易理解。

NAND 读取与写入原理有点复杂，

NAND 『读取，写入』是一个 Page 一个Page 进行。但写入前必须先将要写入该 page 的整个 Block 擦除乾淨（Block erasure) 才可写入。擦除原理就是将 Block 内所有的 bit 变为『1』状态＝Free 。擦除作业只能以「Block」进行，无法以较小的 page。

所以程序是, 先清除一个大的 Block 空间 → 数据才写入一个小的 page 内。

例如：为了写入小量的 16KB 数据（page) 需先将一个大量的 512KB（block) 所有 bit 都写成”1”(Full “11111111”) 变成 Free ，才可写入 16KB 数据。

 

如何管理已损坏区块(Bad Blocks)：

1：出厂时的 Bad Blocks，这是製造生产时已存在的 Bad Blocks。

2：使用时累积的 Bad Blocks，发生在无数次的写入/擦除，造成一些 NAND单元的『电荷电压 Electric charge /Coulomb』被永久性的改变了，因此而无法使用。

SSD 有管理Bad blocks 机制，Controller 用 bad Blocks map 纪录每一 Bad block。传统硬盘也有相同机制(Bad Sectors Map)。

SSD的Trim（修剪)＆ 耗损平均 (Wear Leveling)

SSD有一的致命缺点，就是 NAND 物理问题，写入次数是有限制，太频繁的写入（含抹除 Full”11111111”)是会破坏其『电荷电压 Electric charge /Coulomb』，影响使用寿命。

目前 2020年 SSD 厂商宣称已用2 方法，解决此问题：

1：目前 NAND 容量已大大提高，Block 数量庞大，其每一 Block 被写入次数变减少，如此即可延长使用寿命。

2:  NAND 目前先进科技，写入次数已可达 5万次以上。

所以此处文章用意只在说明 NAND 先天性的『写入次数有限制』的技术问题。使用者不必太担心 SSD 使用寿命问题。

SSD NAND 有一先天上的问题，就是每当要写入数据时不论数据量是多小，就算只是 16KB /Page，也要先抹除一整个容量较大的 512KB / Block。等抹除完成（Full”11111111”) 才可将16KB 数据写入。

例如：有一Block 内现已存在 4 pages 的数据，现在Delete 3pages 后只剩1 page。为了日后要让新数据写入时使用这 Block，现在须先将这 1 page 迁移另一 Block，再清除这 Block (Full”111111111”)供写入新数据用。 

所以为了写入一支档案，等于那一些 Blocks 会被做了2次『写入』动作，每一次写入就多一次耗损。

1: 先将一整个 Block 先抹除（Full”11111111”）这动作也是『写入』。

2: 再正式写入新数据。

了解上述问题后，接下来说明SSD的耗损平均 (Wear Leveling) & Trim（修剪) 原理。

Wear Leveling（耗损平均 ）是什么？

SSD NAND 常会被做『写入』动作，且 Blocks 数量庞大，那就要设法让每一 Block 被写入次数是平均的，避免某些 Blocks 时常被写入而耗损较严重，其它不常被写入的 Blocks 却耗损较轻微。

简单形容类似避免『路面』到处坑坑疤疤，最好是每一路段都平均使用，勿集中常使用某一路段，造成这一路段耗损严重，其它不常使用路段却耗损轻微。

最好是一整层路面平均耗损，使用一阵子后又是一整层平均耗损，如此即可保持路面永远是平整，无坑坑疤疤现象，直到路面已薄到无法再耗损才报废。

 

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Trim（修剪) 的功能是什么？

先以传统硬盘来说明，在 Windows, Mac, Linux 下使用传统硬盘，当删除档案时，该档案在硬盘磁片上只是先被标示成『已删除』，该档案在磁片上所佔用的 Blocks 都还存在原数据，并未被清除（未被 Full “00000000”），只是当档案管理系统 File manage 读到此『标示已删除』时会略过不读，如此才有机会随时『还原档案』。

注：各位应该有注意到，Windows,Mac, Linux.. 下 Copy 写入一支 1GB File 约需几十秒才可完成，但 Delete File 却是瞬间完成，足证这『瞬间』只是做了『标示已删除』的动作，绝不足将 1GB 数据100% 清空（未被 Full “00000000”）。 

但当有新档案要写入时，只要是磁片后面还有未使用区块（Unused Blocks)，一律先写入这些未使用的区块，不会先去写入『已删除』区块，就是避免覆盖已删除档案，提供随时『还原档案』的机会。

但如磁片已被写满，无任何未使用区块可用时，新档案就只能写入那些标示『已删除』的区块，只要一被写入新数据，原旧有数据即已被覆盖，绝不可能『还原』。

这『磁性纪录』原理类似，录音带某段如被再录製新歌曲，其原旧歌曲即被覆盖，绝不可能『还原』。

SSD 也有类似此机制，一些『已删除』档案所佔用的 Blocks 也只是被标示『已删除』，原档案数据还存在，并无被 Full”11111111”，也是有机会『还原』。

当有档案要写入时，也是去找未使用区块写入。

但 NAND 有一致命缺点，如某些区块 Blocks 常被频繁的读＋写＋抹除 (Full “11111111”)其『电荷电压』会加速减弱，导致这些区块无法再使用，变成 Bad Blocks，如此整个 NAND 就会到处散佈这些 Bad Blocks，将导致 SSD

读写异常。为了避免发生此状况，就设计了『Trim』这机制来改善。

Trim 的主要功能是，趁 SSD 閒置时，先去启动『主动垃圾收集机制』直接清除那些标示『已删除』的 Blocks，供随时写入新数据 Pages。

事先清除的优点是，不必等到真正有新数据要写入时，才去『搬移残馀 Pages』→『Full “11111111”』→『写入新数据Pages』。

Trim 是SSD专用功能，某些作业系统版本，非设定自动启用，可能需要至 /设定/ Trim 手动启用。

『主动垃圾收集机制』的功能也是趁 SSD 閒置时，主动去收集一些『属于同一支档案的所有Pages』集中存放，减少『断离现象』听起来有点像『数据重整』。

Trim 与主动垃圾收集机制同时运作即可延长 SSD 的使用寿命，并提升 SSD读写效率。是非常聪明的机制，目前新规格 SSD NAND 都有提供此项机制。 以前常听说 『SSD 不要写满，一定要预留约 20% 空间供暂存用，否则读写速度会变慢』。

目前新款 SSD已内建此机制，使用者不必再为此操心。

SSD因读写时需要迁移残遗的 Pages，所以需预留一些暂存空间，目前 SSD 设计是已内建『暂存空间』，Windows, MacOS, Linux….. 下是无法识别，使用者也看不到，当然更无法去使用这些空间，这是一种『保护』机制。

 

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如何让 SSD 更快速更聪明？

1. 随时更新原厂韧体（Update Firmware）。

2. 安装原厂的 SSD 自我监控，分析和报告技术（S.M.A.R.T）监控系统。