對固態硬盤性能與應用的研究

摘要：伴隨著科技的不斷發展以及人們對生活品質的要求不斷增加，計算機的讀取速度與硬盤容量成為了新時期人們廣泛關注的話題。眾所周知機械式硬盤的讀取速度很低，除去黑盤外，大部分的機械式硬盤的讀取速度顯然并不能滿足現如今的市場發展那要求。固態硬盤憑借著良好的抗震性、快速的讀寫優點成為了越來越多人青睞的系統盤。本文將簡單介紹固態硬盤的特征與概念，并簡要分析其性能和使用。

關鍵詞：固態硬盤；性能；應用

前言：在云計算、物聯網、互聯網等技術發展的同時，數據容量也呈現出幾何式的爆炸增長。面對這一情況，很多行業在儲存與處理數據時都面臨著巨大的壓力與問題。因固態硬盤有著較好的防震能力、熱量較低、讀取速度快，可以大幅度提高數據存儲、讀取速度，所以固態硬盤被人們視為了新時期數據處理最重要的工具。現本文就以固態硬盤性能和應用做簡要探討，希望幫助更多人去認識固態硬盤。

一、固態硬盤概念、特點

（一）概念

固態硬盤又稱固態電子盤、電子硬盤，固態硬盤利用半導體存儲片實現數據的存儲工作。固態硬盤和機械硬盤在外形并沒有什么差距，且固態硬盤的應用、性能、定義以及接口也和機械硬盤基本相同。

（二）特點

1.存儲速度快：這一特征是人們青睞固態硬盤最主要的原因。固態硬盤的數據存儲不受任何外在因素的影響，例如馬達的轉速。相較于機械硬盤來說固態硬盤在結構上要更加簡單。

2.防震能力強：這一特征決定了硬盤的應用壽命。因為固態硬盤抗震能力更好，所以固態硬盤不僅使用壽命長，同時在其安全水平也比較突出。

3.低功耗：在能耗上固態硬盤要遠低于機械硬盤。

4.無噪音：固態硬盤并沒有風扇與機械馬達，因此在工作狀態下固態硬盤噪音值只有0分貝。閃存類固態硬盤工作時發熱量與能耗很低，不過大容量固態硬盤與高端固態硬盤有著較高的能耗。固態硬盤內部沒有機械部件，因此也不會出現機械問題，不用擔心振動、沖擊、碰撞對其造成影響。因內部使用閃存芯片，無其他機械部件，故有著散熱快、發熱小的優勢。

5.工作溫度范疇大：普通機械硬盤只能在5至55攝氏度區間工作，固態硬盤則能夠在-10至70攝氏度區間工作。在同等容量情況下，相較于機械硬盤來說固態硬盤不僅重量輕，而且體積小。固態硬盤在使用方法、功能、定義與接口規范上和機械硬盤基本相同，甚至在尺寸與產品外形上也基本一致。不過其芯片工作溫度相較于機械硬盤來說范圍很廣，在-40至85攝氏度范圍區間[1]。

二、固態硬盤類型

根據介質不同可以將固態硬盤分成下述兩類。

（一）閃存顆粒

以閃存顆粒作為介質的固態硬盤有著移動速度快的優點，能夠有效提高設備性能。此外閃存顆粒固態硬盤電源的控制并不會受到外在因素影響，適用于各種環境，因此是市面中比較常見的固態硬盤類型，常用于個人電腦。

（二）DRAM

該種固態硬盤市面不易見到。DRAM固態硬盤的應用方式包括SSD硬盤陣列與SSD硬盤兩種，有著使用壽命長、性能高的優點。當然這種硬盤的缺點也比較突出，那就是對于數據保護而言必須使用專用的獨立電源，否則將無法發揮數據保護的意義。

三、固態硬盤性能解析

（一）管理層結構

所謂的NAND Flash芯片指的是將若干存儲模塊整合到一起，形成存儲區單元，由若干頁組成的存儲塊在讀寫中需要以頁為單位，而在擦除時則會以塊為單位。改寫與刪除數據時并不會修改原先的內容，而是需要擦除掉整個塊內容，并在隨后的步驟中，再次寫入數據。利用這一操作程序，系統的性能可以得到大幅度提升。需注意的是擦除同一存儲塊時，必須要控制好擦除次數，事實上無限制擦寫是錯誤的程序性問題，會對系統質量造成嚴重損害。所以管理層結構的設計是非常重要的環節，合理的設計能夠實現地址映射、讀寫調度、提高讀寫速度、延長固態硬盤使用壽命、提高硬盤安全性的目的，有著重要的現實意義。

（二）地址映射

為減少地址映射表所占空間，必須在傳統NFTL映射基礎上，將塊級地址的映射方法納入在內，從而實現直接將數據寫進主塊，在主塊出現空間不足問題時，替代塊中繼續寫入，進而降低地址映射表占用空間大小。

四、固態硬盤應用

（一）服務器

對固態硬盤來說服務器存儲是其核心，該方式利用PCI-E卡進行存儲部署。在市場供應商中可以購買到基于服務器的固態硬盤。以技術層面視角來看，基于服務期的固態硬盤和CPU告訴Cache有著很大的相似之處，能夠將數據存儲全部放在固態硬盤當中，且耗時很少，充分體現固態硬盤優點和特征。此外該類固態硬盤還能避免因SAN網絡帶來的設備延遲問題。所以這類硬盤部署于服務器，在提高數據存儲、讀取中能夠發揮很大的作用。

（二）緩存

眾所周知固態硬盤近些年之所以存在普及慢的問題與其高額的造價成本有很大關系，而之所以造價成本高是因為閃存顆粒生產能力有限所致。據了解當前能夠生產閃存顆粒的廠家只有寥寥數家包括三星、海力士、鎂光等等。為了獲得低成本固態硬盤，各種各樣的降成本方案在近些年不斷出現。這些方案中的共通點為將固態硬盤當成存儲系統中的高速緩存來使用[2]。通過這種方式防止兼容問題發生，此外這種方式還能在機械硬盤基礎上增加更多存儲容量。在降低整體成本的同時，擴大緩存容量。如今對于緩存的應用在筆記本電腦中獲得了很好的應用。

（三）分層式存儲

這一方法是根據數據存儲讀取頻率、重要性和保留時間等參數做分析的依靠不同存儲方式做數據存儲。分層存儲能夠實現不同媒介上的存儲[3]。利用這種存儲數據的方式可以大大提高數據存儲性價比，在優化存儲性能中有著很大的意義。

五、固態硬盤設計

固態硬盤總架構包括Flash存儲單元、控制器與硬盤接。因為SATA接口帶寬很大，因此很多主流固態硬盤還保留了SATA接口。這為固態硬盤的普及和發展予以了一定支持。

在固態硬盤設計中，核心為控制器。如今的固態硬盤大多應用FPGA實現變成邏輯器件。硬盤控制器包括FLASH控制模塊以及SATA接口協議邏輯模塊。需注意的是SATA協議模塊為計算機與固態硬盤的溝通提供了很大的幫助。FLASH控制模塊除了包括存儲和讀取管理外，還需要負責NAND FLASH地址映射、壞點管理、損耗均衡等內容。

結語：受科技發展的影響，如今人們對于電腦的性能，尤其是處理器、顯卡、硬盤等硬件設備的性能產生了越來越高的要求。過去性能低下的機械式硬盤顯然已經無法再滿足人們的使用要求，而固態硬盤則憑借著眾多優勢比如抗震性能好、存儲讀取速度快的優勢成為了廣受好評的硬件設備。騎在計算機的應用大幅提高了電腦使用性能，如將系統安裝在固態硬盤中可以大幅提高開機速度，將游戲安裝在固態硬盤中能夠大幅提高游戲讀取、渲染速度。在緩存、服務器、分層存儲技術不斷成熟以及閃存顆粒生產力提高的未來，固態硬盤很有可能會完全取代機械硬盤，全面提高計算機整體能力。

參考文獻：

[1]陳琦.淺談固態硬盤的性能與應用[J].科技風，2016（20）：8.

[2]張珮，王曉曼.固態硬盤SSD性能分析及RAID 0方案設計[J].微型機與應用，2016，35（06）：26-28.

[3]孫也.固態硬盤性能分析與存儲技術研究[J].通訊世界，2015（22）：258-259.

作者簡介：陳東江（1990.5-），男，漢，福建泉州人，集美大學軟件工程學士，就職于泉州華光職業學院。