SSD固态硬盘主控技术

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SSD固态硬盘主控技术

固态硬盘（Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD），又称固态驱动器，是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。

固态硬盘，因为台湾的英语里把固体电容称为Solid而得名。SSD由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。

固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上基本与普通硬盘一致（新兴的U.2，M.2等形式的固态硬盘尺寸和外形与SATA机械硬盘完全不同）。

广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等诸多领域。

芯片的工作温度范围很大，商规产品（0~70℃）工规产品（-40~85℃）。虽然成本较高，但是正在普及至DIY市场。

由于固态硬盘的技术与传统硬盘的技术不同，所以产生了不少新兴的存储器厂商。厂商只需购买NAND颗粒，再配适当的控制芯片，编写主控制器代码，就制造了固态硬盘。

新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、M.2接口、CFast接口、SFF-8639接口和NVME/AHCI协议。

分类

分类方式：

固态硬盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。最新还有英特尔的XPoint颗粒技术。

基于闪存的固态硬盘：

基于闪存的固态硬盘（IDEFLASH DISK、Serial ATA Flash Disk）：采用FLASH芯片作为存储介质，这也是通常所说的SSD。它的外观可以被制作成多种模样，例如：笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、U盘等样式。这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动，数据保护不受电源控制，能适应于各种环境，适合于个人用户使用。寿命较长，根据不同的闪存介质有所不同。SLC闪存普遍达到上万次的PE，MLC可达到3000次以上，TLC也达到了1000次左右，最新的QLC也能确保300次的寿命，普通用户一年的写入量不超过硬盘的50倍总尺寸，即便最廉价的QLC闪存，能提供6年的写入寿命。可靠性很高，高品质的家用固态硬盘可轻松达到普通家用机械硬盘十分之一的故障率。

基于DRAM类：

基于DRAM的固态硬盘：采用DRAM作为存储介质，应用范围较窄。仿效传统硬盘的设计，可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。一种高性能的存储器，理论上可以无限写入，美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。DRAM固态硬盘属于比较非主流的设备。

基于3D XPoint类

基于3D XPoint的固态硬盘：原理上接近DRAM，但是属于非易失存储。读取延时极低，可轻松达到现有固态硬盘的百分之一，有接近无限的存储寿命。缺点是密度相对NAND较低，成本极高，多用于发烧级台式机和数据中心。

从单个厂商在企业级固态硬盘产业链布局的角度，国内市场上主要有六种业务布局模式：包括能够一体化完成固态硬盘所有设计和生产流程的IT龙头企业——主要包括六大NAND原厂（其中部分厂商无自主DRAM），以及部分专注于固态硬盘部分硬件/软件核心部件生产的企业，还有部分厂商拥有跨各部件领域的业务布局，或是将下游的服务器生产也纳入业务版图。

 

 目前国内尚无企业能够实现固态硬盘全产线自主，但在各部件的独立领域中均有头部企业具备一定的市场竞争力，通过业务合作和生态布局，有望进一步拓宽业务布局及市场覆盖度。

 

 主控/控制器：企业级SSD主控主要由美满、微芯、三星等龙头供应

主控/控制器（Controller）在硬盘工作时承担与主机通信、控制闪存的数据传输以及运行FTL算法等职责，在固态硬盘中的作用可类比于计算机CPU（主控内部有CPU芯片），对固态硬盘的性能、使用寿命及可靠性有重要影响，是固态硬盘的三大核心技术之一。

 

 

 从硬件外观上看主控是一块硅基半导体芯片，生产流程也与其他芯片一样总体分为设计、制造、封装测试等环节。目前全球范围内固态硬盘主控的制造能力仍集中在少数IT巨头及芯片代工厂手中，部分国内厂商在设计方面已经有所建树。从成品角度看，国内（包括中国台湾）企业出厂的主控更多集中于对性能要求较低的消费级产品，企业级固态硬盘主控主要由美国的美满（Marvell）、微芯（Microchip）以及韩国的三星（SAMSUNG）等国际巨头提供，部分国内企业如英韧科技、得瑞领新等具备企业级固态硬盘主控的设计能力。

闪存：三星、铠侠、西数份额领先，价格受供需影响存在波动

闪存是固态硬盘的存储介质，固态硬盘的三大核心技术之一。从全球市场来看，三星、铠侠、西部数据、美光、Intel以及海力士六家公司合计占据了全球NAND Flash市场99%左右的份额，其中三星以超过30%的市场份额稳居第一、具备较大优势，铠侠和西部数据分别以约20%和15%的市场份额位列第二和第三。

从成本结构上看，闪存占固态硬盘总成本的比重较大，达到70%以上，其价格变动对SSD成品的价格影响最为显著。
固件：SSD三大核心技术之一，专为闪存介质特性设计

固件是固态硬盘出厂自带的一类算法的合称，固态硬盘的三大核心技术之一，如果将固态硬盘类比为计算机，固件算法则是它的核心操作系统和基础软件。作为一种磁存储介质，NAND Flash修改数据时不能覆写，必须先擦除才能重写，数据擦除不是以单个的字节而是以一定大小的区块为单位，每次擦除都会对半导体材质产生磨损，因此闪存介质具备有限的理论寿命。

 

 

 固件专门针对闪存介质的特性设计，用以执行数据存储和维护，包括映射管理、数据纠错等，对固态硬盘的读写速度、数据安全以及使用寿命有重要的影响。伴随闪存向QLC及更高单元存储位数演进、3D堆叠层数持续提升，固态硬盘产品对固件的性能要求将持续提升。

新兴技术应用创新：AI&大数据应用增长，对存储设备具有刚性需求

从技术层次上看，人工智能产业链可以分为基础层、技术层和应用层，包括存储在内的数据服务位于基础层，对技术和应用进步起到支撑作用。

 

 

 大数据产业与人工智能相辅相成，近年来以“流批一体化”和“湖仓一体化”为代表的大数据应用不断推陈出新，在提供更强大的数据分析能力的同时，对包括存储硬件在内的IT基础设施提出了更高的性能需求。

新兴技术应用创新：5G高速通信进一步刺激高速固态硬盘市场需求

目前中国5G用户数已经超过4亿，随着5G基础设施进一步完善以及5G网络资费进一步降价，中国的5G市场还有较大的渗透空间。从客户的角度看，5G带来了更快的数据传输速度和更低的时延；从互联网服务企业的角度来看，5G时代的连接数密度和流量密度都将出现10倍增长，对后台数据存储和处理能力提出更高的要求，固态硬盘——尤其是应用PCIe固态硬盘对互联网企业的需求刚性将进一步增强。
英特尔：深耕企业级存储市场，构建核心基础硬件生态

英特尔在CPU、服务器等核心IT基础设施领域具备全球领先地位，在IT硬件生态构建方面拥有充分的话语权。英特尔存储产线偏重企业级市场，傲腾、3D XPoint等核心技术具备市场领先地位。

 

 

 英特尔为企业提供出色的存储解决方案，匹配客户低延迟、高耐用性、高服务质量、高吞吐量和高性价比的产品，在改善总体拥有成本的同时不断满足企业数字化业务的需求，让企业能够快速和灵活地存储、处理和管理用于数据分析、人工智能、高性能计算和其他工作负载的大量数据。2020年10月，英特尔将原NAND闪存及存储业务出售给海力士，给全球存储行业格局带来一定变数。

三星：背靠全供应链闭环，打造一体化解决方案
三星在企业级SSD领域享有良好声誉，能够通过在供应链上的研发与控制能力，为企业客户提供高性能、高容量、高可靠性的固态硬盘产品及方案。

 

 作为全球最大的半导体公司之一，三星在固态硬盘两类重要原材料NAND Flash以及DRAM市场都拥有全球领先的市占率，3D NAND的技术创新也使三星在改进闪存技术方面更进一步，闪存容量、性能、扩展性等更加符合企业日益增长的数据处理和存储系统需求。三星在主控、模组等固态硬盘关键上游领域均拥有多年的技术和市场积累，构建了自主的全供应链闭环。

长江存储：国产NAND Flash解决方案提供商

长江存储科技有限责任公司成立于2016年7月，国内专注于3D NAND闪存设计制造一体化的IDM集成电路企业，为全球合作伙伴供应3D NAND闪存晶圆及颗粒，嵌入式存储芯片以及消费级、企业级固态硬盘等产品和解决方案，广泛应用于移动通信、消费数码、计算机、服务器及数据中心等领域。

 

 

 2017年10月，长江存储通过自主研发和国际合作相结合的方式，成功设计制造了中国首款3D NAND闪存。2018年，长江存储携创新型Xtacking架构，进军高门槛的NAND闪存产业，2019年9月正式量产搭载了Xtacking架构的64层TLC 3D NAND闪存。长江存储以创新技术作为发展力，致力于成为全球领先的NAND闪存解决方案提供商。

基本结构

基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，内部构造十分简单，固态硬盘内主体其实就是一块PCB板，这块PCB板上最基本的配件就是控制芯片，缓存芯片（部分低端硬盘无缓存芯片）和用于存储数据的闪存芯片。

主控芯片

市面上比较常见的固态硬盘有LSISandForce、Indilinx、JMicron、Marvell、Phison、Sandisk、Goldendisk、Samsung以及Intel等多种主控芯片。主控芯片是固态硬盘的大脑，作用一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，二则是承担了整个数据中转，连接闪存芯片和外部SATA接口。不同的主控之间能力相差非常大，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倍。

缓存颗粒

主控芯片旁边是缓存颗粒，固态硬盘和传统硬盘一样需要高速的缓存芯片辅助主控芯片进行数据处理。这里需要注意的是，有一些廉价固态硬盘方案为了节省成本，省去了这块缓存芯片，这样对于使用时的性能会有一定的影响，尤其是小文件的读写性能和使用寿命上。

闪存芯片

除了主控芯片和缓存芯片外，PCB板上其余大部分位置都是NAND Flash闪存芯片。

NAND Flash闪存芯片又分为SLC（Single-Level Cell，单层单元）、MLC（Multi-Level Cell，双层单元）、TLC（Trinary-Level Cell，三层单元）、QLC（Quad-Level Cell，四层单元）这四种规格。

还有一种eMLC（Enterprise Multi-Level Cell，企业多层单元）是MLC NAND闪存的一个“增强型”的版本，它在一定程度上弥补了SLC和MLC之间的性能和耐久差距。  

对比传统硬盘

固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘几近相同，外形和尺寸也基本与普通的2.5英寸硬盘一致。

固态硬盘具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，劣势也较为明显。尽管IDC认为SSD已经进入存储市场的主流行列，但价格仍较为昂贵，容量较低，一旦硬件损坏，数据较难恢复等；有人认为固态硬盘的耐用性（寿命）相对较短。

影响固态硬盘性能的几个因素主要是：主控芯片、NAND闪存介质和固件。在上述条件相同的情况下，采用何种接口也可能会影响SSD的性能。

主流的接口是SATA（包括3Gb/s和6Gb/s两种）接口，亦有PCIe 3.0接口的SSD问世。

由于SSD与普通磁盘的设计及数据读写原理的不同，使得内部的构造亦有很大的不同。一般而言，固态硬盘（SSD）的构造较为简单，可拆开；所以通常看到的有关SSD性能评测大多附有SSD的内部拆卸图。

反观普通的机械磁盘，数据读写是靠盘片的高速旋转所产生的气流来托起磁头，使得磁头无限接近盘片，又不接触，由步进电机来推动磁头进行换道数据读取。所以内部构造相对较为复杂，较为精密，一般情况下不允许拆卸。一旦人为拆卸，极有可能造成损害，磁盘无法正常工作。这是为何在对磁盘进行评测时，基本看不到关于磁盘拆卸图的原因。 

优点

读写速度快：采用闪存作为存储介质，读取速度相对机械硬盘更快。固态硬盘不用磁头，寻道时间几乎为0。持续写入的速度非常惊人，固态硬盘厂商大多会宣称自家的固态硬盘持续读写速度超过了500MB/s，近年来的NVMe固态硬盘可达到2000MB/s左右，甚至4000MB/s以上。固态硬盘的快绝不仅仅体现于持续读写上，随机读写速度快才是固态硬盘的终极奥义，这最直接体现于绝大部分的日常操作中。与之相关的还有极低的存取时间，最常见的7200转机械硬盘的寻道时间一般为12-14毫秒，固态硬盘可以轻易达到0.1毫秒甚至更低。  

防震抗摔性：传统硬盘都是磁碟型的，数据储存在磁碟扇区里。而固态硬盘是使用闪存颗粒（即MP3、U盘等存储介质）制作而成，所以SSD固态硬盘内部不存在任何机械部件，这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下，不会影响到正常使用，在发生碰撞和震荡时能够将数据丢失的可能性降到最小。相较传统硬盘，固态硬盘占有绝对优势。 

低功耗：固态硬盘的功耗上要低于传统硬盘。

无噪音：固态硬盘没有机械马达和风扇，工作时噪音值为0分贝。基于闪存的固态硬盘在工作状态下能耗和发热量较低（但高端或大容量产品能耗会较高）。内部不存在任何机械活动部件，不会发生机械故障，也不怕碰撞、冲击、振动。由于固态硬盘采用无机械部件的闪存芯片，所以具有了发热量小、散热快等特点。 

工作温度范围大：典型的硬盘驱动器只能在5到55摄氏度范围内工作。大多数固态硬盘可在-10~70摄氏度工作。固态硬盘比同容量机械硬盘体积小、重量轻。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致。其芯片的工作温度范围很宽（-40~85摄氏度）。

轻便：固态硬盘在重量方面更轻，与常规1.8英寸硬盘相比，重量轻20-30克。

缺点

容量：随着MLC、TLC、QLC乃至未来的PLC等多阶存储单元的发展，固态硬盘容量正在迅速增长。截止2021年1月世界上容量最大的固态硬盘是Nimbus Data 推出的 ExaDrive DC100 系列固态硬盘，容量可达100TB。 ^[5] 

寿命限制：固态硬盘闪存具有擦写次数限制的问题，这也是许多人诟病其寿命短的所在。闪存完全擦写一次叫做1次P/E，闪存的寿命就以P/E作单位。34nm的闪存芯片寿命约是5000次P/E，25nm的寿命约是3000次P/E。随着SSD固件算法的提升，新款SSD都能提供更少的不必要写入量。一款120G的固态硬盘，要写入120G的文件才算做一次P/E。普通用户正常使用，即使每天写入50G，平均2天完成一次P/E，3000个P/E能用20年，固态硬盘早就被替换成更先进的设备了(在实际使用中，用户更多的操作是随机写，不是连续写，所以在使用寿命内，出现坏道的机率会更高)。虽然固态硬盘的每个扇区可以重复擦写100000次(SLC)，但某些应用，如操作系统的LOG记录等，可能会对某一扇区进行多次反复读写，固态硬盘的实际寿命还未经考验。不过通过均衡算法对存储单元的管理，预期寿命会延长。SLC有10万次的写入寿命，成本较低的MLC，写入寿命仅有1万次,廉价的TLC闪存则更是只有1000-2000次。使用全盘模拟SLC提升写入速度的多阶存储固态会面临写入放大问题，进一步缩短寿命。

售价高：截止2021年1月市场上采用TLC存储单元的256GB固态硬盘价格大约为240元人民币左右（采用SATA接口+TLC颗粒），1TB固态硬盘产品的价格大约在650元人民币左右（NVMe接口+TLC颗粒）。计算下来每GB大约0.6-1元。相比每GB仅为0.2元的机械硬盘高了不少。

使用与保养

对于固态硬盘的使用和保养，最重要的一条就是：在机械硬盘时代养成的“良好习惯”，未必适合固态硬盘。

一、不要使用碎片整理

碎片整理是对付机械硬盘变慢的一个好方法，但对于固态硬盘来说这完全就是一种“折磨”。

消费级固态硬盘的擦写次数是有限制，碎片整理会大大减少固态硬盘的使用寿命。固态硬盘的垃圾回收机制就已经是一种很好的“磁盘整理”，再多的整理完全没必要。Windows的“磁盘整理”功能是机械硬盘时代的产物，不适用于SSD。

使用固态硬盘最好禁用Win7的预读(Superfetch)和快速搜索(Windows Search)功能。这两个功能的实用意义不大，禁用可以降低硬盘读写频率。（在Windows 10中，这一项优化不需要）

二、小分区 少分区

还是由于固态硬盘的“垃圾回收机制”。在固态硬盘上彻底删除文件，将无效数据所在的整个区域摧毁，过程是这样的：先把区域内有效数据集中起来，转移到空闲的位置，然后把“问题区域”整个清除。

这一机制意味着，分区时不要把SSD的容量都分满。如一块128G的固态硬盘，厂商一般会标称120G，预留了一部分空间。但如果在分区的时候只分100G，留出更多空间，固态硬盘的性能表现会更好。这些保留空间会被自动用于固态硬盘内部的优化操作，如磨损平衡、垃圾回收和坏块映射。这种做法被称之为“小分区”。

“少分区”则是另外一种概念，关系到“4k对齐”对固态硬盘的影响。一方面主流SSD容量都不是很大，分区越多意味着浪费的空间越多，另一方面分区太多容易导致分区错位，在分区边界的磁盘区域性能可能受到影响。最简单地保持“4k对齐”的方法就是用Win7自带的分区工具进行分区，这样能保证分出来的区域都是4K对齐的。

三、保留足够剩余空间

固态硬盘存储越多性能越慢。如果某个分区长期处于使用量超过90%的状态，有些固态硬盘崩溃的可能性将大大增加，绝大部分硬盘也会出现性能降低的现象。

所以及时清理无用的文件，设置合适的虚拟内存大小，将电影音乐等大文件存放到机械硬盘非常重要，必须让固态硬盘分区保留足够的剩余空间。

四、及时刷新固件

“固件”好比主板上的BIOS，控制固态硬盘一切内部操作，不仅直接影响固态硬盘的性能、稳定性，也会影响到寿命。优秀的固件包含先进的算法能减少固态硬盘不必要的写入，减少闪存芯片的磨损，维持性能的同时也延长了固态硬盘的寿命。因此及时更新官方发布的最新固件显得十分重要。不仅能提升性能和稳定性，可以修复之前出现的bug。

五、学会使用恢复指令

固态硬盘的Trim重置指令可以把性能完全恢复到出厂状态。 

随着互联网的飞速发展，人们对数据信息的存储需求也在不断提升，多家存储厂商推出了便携式固态硬盘，更有支持Type-C接口的移动固态硬盘和支持指纹识别的固态硬盘推出。

 

 

参考链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/reHKz4pseMJhpo-41VqEJw

https://baike.baidu.com/item/%E5%9B%BA%E6%80%81%E7%A1%AC%E7%9B%98/453510?fromtitle=ssd&fromid=5906&fr=aladdin

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