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SSD主控芯片和闪存芯片详解

发布时间:2015-03-17 点击数:2433

SSD( Solid State Disk )俗称固态硬盘,相对原来的主轴旋转,并无机械部分,所以被人称为固态硬盘,就是用闪存芯片替代磁盘介质制造出来的硬盘。在接口规范和定义、功能以及使用方法与传统硬盘完全相同。


主控芯片和闪存芯片是SSD中最为重要的两个原件,也是影响SSD性能的主要因素。其中主控芯片是SSD的大脑,而闪存芯片则是SSD的数据仓库。

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固态硬盘中的“CPU”


除了存储部分由闪存芯片负责之外,固态硬盘的功能、工作方式等都由主控芯片负责。主控芯片在SSD中的作用就跟CPU一样,主要是调度、协调和控制整个SSD系统。


主控芯片一方面负责合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,另一方面承担了整个数据中转,连接闪存芯片和外部SATA接口。除此之外,主控还负责ECC纠错、耗损平衡、坏块映射、读写缓存、垃圾回收以及加密等一系列的功能算法。


由于SSD主控的技术含量不低,能玩得转的其实没几家,主要有Marvell、英特尔、三星、OCZ、SandForce、Jmicro等几个厂商。主控性能的好换主要取决于这些主控厂商的技术实力。


不同的厂商推出的主控芯片在数据处理能力、算法、对闪存芯片的读取写入控制上会有非常大的不同,直接会导致固态硬盘产品在性能上差距高达数十倍。所以在挑选SSD,首先得挑选主控,这是SSD性能的基础。

2
数据的仓库


在SSD中,另一个重要角色就是闪存芯片了。它的作用简单来说就是SSD的数据仓库,反正“主控芯片”交待存放的东西都要往这里装。


市场上的闪存芯片主要有三类,即SLC(Single Layer Cell 单层单元)闪存芯片和MLC(Multi-Level Cell多层单元)闪存芯片以及TLC(Trinary-Level Cell)闪存芯片。SLC的特点是寿命长,理论上极限擦写次数可以达到10万次,因此SLC是目前可靠性最高的闪存芯片,一直是企业级SSD的首选。但是,高可靠性也带来了高成本,采用SLC闪存芯片的SSD最大的问题在于价格偏高。


相比之下,MLC的编程/擦除次数较少,每单元2位的闪存编程擦除次数是1万次,每单元3位的闪存擦除次数是3000~5000次,但MLC胜在成本低,通常作为消费级SSD使用。


当然,从去年开始,TLC也开始在一些产品中应用,但由于其性能不稳定以及擦写次数较低,暂时还没有大规模的普及。


影响SSD系统性能和稳定性的因素大致如下:

控制器的性能、闪存性能(MLC、TLC、SLC)、通道数量、接口、PCB(工艺、层数、电子元器件等)。

SSD日益庞大的市场内充斥着大大小小很多设计、制造厂商,良莠不齐。


其中对市场影响较大的几家厂商有:

Flash设计制造

三星、镁光、东芝、英特尔、海力士

由于flash价格昂贵可靠性不强,这成为限制SSD未来发展的重要因素

SSD主控方案设计

sandforce、mavell、intel、samsung、indilinx等。

其中sandforce和mavell主控由于其良好的性能受到很多OEM厂商青睐,国内尚无比较突出的主控芯片推出。

3
同步闪存与异步闪存


顺便谈一下同步闪存与异步闪存。同步闪存、异步闪存并不是闪存的两种类型——两者主要区别是工作模式不一样。


同步模式是ONFI(Open NAND Flash Interface)2.0标准引入的新功能,通过加入同步时钟发生器,主控可以通过发送同步指令激活闪存上的同步时钟信号,以实现更大的带宽。打个比方,如果异步模式闪存的带宽为50MB/s,而同步模式下闪存带宽可达到133MB/s以上。


当然,同步模式下的高传输率对闪存芯片的品质也提出了更高的要求,当闪存芯片通过同步检测时就被标为“同步闪存“,通过不过则被标为”异步闪存”。可以说,同步与异步闪存也是同一生产线上下来的,颗粒品质差异才产生“优等生”与“差等生”的区别。


4
SSD的性能指标


1、顺序读写速度(带宽);

2、随机IOPS(以4KB大小为单位衡量);

3、写放大(越小越好);

4、工作温度范围;

5、抗冲击振动;

6、寿命(算法+Flash类型决定,FTL、GC、WL);

7、ECC校验(错误纠正):page中存放的校验位数+BCH/LDPC校验算法;

8、Raid保护(通过异或机制恢复校验算法不能恢复的数据):Raid5保护、Raid6保护。