固態硬盤相對于磁盤的(寫入/讀出)工作原理詳細介紹

2020-07-21 19:19:29

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目前，人們多數使用的是基于Flash閃存的固態盤。相變存儲尚在實驗室，DRAM固態盤采用常見內存顆粒，數據需要額外的電源才能保存，使用者不多。

固態盤常見接口有SATA(普通PC使用的串行ATA接口)、PCI-Express(常見于顯卡設備的接口，特點在于高速)等多種。不同的接口，其實都是為了通用、高速的目的。

Flash的最小存儲單元是晶浮柵晶體管，對應于磁盤中的一個bit的存儲單元。

磁盤中，利用磁極的不同來標記0,1，當磁頭掃過盤面，通過感應電流就可以識別出不同狀態，即讀取數據;增強磁頭的磁性，可以改變盤面記錄單元的狀態，實現寫入數據。

固態盤中，在存儲單元晶體管的柵(Gate)中，注入不同數量的電子，通過改變柵的導電性能，改變晶體管的導通效果，實現對不同狀態的記錄和識別。有些晶體管，柵中的電子數目多與少，帶來的只有兩種導通狀態，對應讀出的數據就只有0/1;有些晶體管，柵中電子數目不同時，可以讀出多種狀態，能夠對應出00/01/10/11等不同數據。所以，Flash的存儲單元可分為SLC(一個蘿卜一個坑)和MLC(2個/多個蘿卜一個坑)兩種。

區別在于SLC的狀態簡單，所以讀取很容易，MLC有多種狀態，讀取時，容易出錯，需要校驗，速度相對較慢。實際MLC的狀態識別過程比上述復雜很多，讀取一次MLC的功耗比SLC大很多。由于材料本身的緣故，SLC可以接受10萬次級的擦寫，而MLC材料只能接受萬次級擦寫操作，所以MLC的壽命比SLC少很多。但是，也是最重要的，由于MLC中的信息量大，同一個存儲單元，信息量是SLC的N倍，所以相同容量的磁盤，MLC類型Flach成本更低，存儲單元體積更小，這也導致市面上多數固態盤都采用了MLC型的Flash顆粒。SLC由于其特性，僅在高端的高速存儲設備中使用。

有了上述介紹，不難理解，固態盤寫入，就是改變晶體管里柵中電子數目的過程。讀出，就是向晶體管施加電壓，獲取不同導通狀態，對應識別存儲數據的過程。

Flash顆粒便是大量這種浮柵晶體管的陣列，一般的U盤中會有1-2粒這種Flash顆粒，視容量而定;在SSD硬盤中，常見會有8-16粒Flash顆粒。

不過，用戶在使用過程中，對器件的負面特性并不需要擔心太多，生產廠商已經做出了考慮。如，由于單個存儲單元的訪問次數有限，如果長期在同一個區域重復讀寫，會導致該存儲區域失效，進而影響整塊盤的壽命。于是，業界研究了負載平衡技術，將用戶的訪問請求均勻分布在所有存儲單元中，以延長整個盤壽命。而這個“不要在一只羊身上薅羊毛”的事情，就是固態盤控制器的任務了。

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