SSD固態(tài)硬盤內部結構詳解

作者：蘭洋科技????瀏覽量：6404????時間：2023年07月13日????標簽: SSD固態(tài)硬盤 HDD機械硬盤

對于一些關注SSD的朋友來說，可能都知道固態(tài)硬盤的速度是普通機械硬盤的好幾倍，可以有效提升電腦開關機速度，另外還解決電腦卡頓問題。一起來了解一下SSD是什么？內部結構如何？

下面我們簡單的聊了聊關于固態(tài)硬盤的發(fā)展歷程，以及固態(tài)硬盤行業(yè)當下的市場格局，而這些都是比較大比較宏觀的東西。今天，將從微觀出發(fā)，從固態(tài)硬盤本身出發(fā)，簡單剖析固態(tài)硬盤的內外構造，讓更多的人知道固態(tài)硬盤究竟長什么樣子。

一、固態(tài)硬盤和機械硬盤有什么區(qū)別？

機械硬盤是利用磁性來記錄信息數據的，原理類似于小時候聽歌用的磁帶，如果我們需要找到某個數據，磁盤就會轉動到記錄這個信息的部位，然后由磁頭感應磁性來讀取數據。

SSD是什么：

固態(tài)硬盤(Solid State Drive)，簡稱SSD（固盤），是用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲單元(FLASH芯片、DRAM芯片)以及緩存單元組成。區(qū)別于機械硬盤由磁盤、磁頭等機械部件構成，整個固態(tài)硬盤結構無機械裝置，全部是由電子芯片及電路板組成。

根據固態(tài)硬盤的定義，我們可以知道固態(tài)硬盤的內部結構，其實就是由三大塊主控芯片、閃存顆粒、緩存單元構成，那么接下來，我們逐一來看。

固態(tài)硬盤大腦：主控芯片

正如同CPU之于PC一樣，主控芯片其實也和CPU一樣，是整個固態(tài)硬盤的核心器件，其作用一是合理調配數據在各個閃存芯片上的負荷，二則是承擔了整個數據中轉，連接閃存芯片和外部SATA接口。

不同的主控之間能力相差非常大，在數據處理能力、算法上，對閃存芯片的讀取寫入控制上會有非常大的不同，直接會導致固態(tài)硬盤產品在性能上產生很大的差距。

當前主流的主控芯片廠商有 marvell 邁威（俗稱“馬牌”）、SandForce、siliconmotion慧榮、phison群聯、jmicron智微等。而這幾大主控廠商，又都有著自己的相應特點，應用于不同層級的固態(tài)產品。

以臺系廠商siliconmotion慧榮為例，此款主控芯片主要特點在于能夠為固態(tài)硬盤廠商提供包括軟件和硬件在內的一體化主控方案，包括主控芯片、電路板以及存儲單元，能夠極大的提升產品的更新速度和使用壽命，并且不存在兼容等問題。

核心器件：閃存顆粒單元

作為硬盤，存儲單元絕對是核心器件。在固態(tài)硬盤里面，閃存顆粒則替代了機械磁盤成為了存儲單元。

閃存(Flash Memory)本質上是一種長壽命的非易失性(在斷電情況下仍能保持所存儲的數據信息)的存儲器，數據刪除不是以單個的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位。

在固態(tài)硬盤中，NAND閃存因其具有非易失性存儲的特性，即斷電后仍能保存數據，被大范圍運用。

根據NAND閃存中電子單元密度的差異，又可以分為SLC（單層次存儲單元）、MLC（雙層存儲單元）以及TLC(三層存儲單元)，此三種存儲單元在壽命以及造價上有著明顯的區(qū)別。

SLC（單層式存儲），單層電子結構，寫入數據時電壓變化區(qū)間小，壽命長，讀寫次數在10萬次以上，造價高，多用于企業(yè)級高端產品。

MLC（多層式存儲），使用高低電壓的而不同構建的雙層電子結構，壽命長，造價可接受，多用民用高端產品，讀寫次數在5000左右。

TLC（三層式存儲），是MLC閃存延伸，TLC達到3bit/cell。存儲密度最高，容量是MLC的1.5倍。造價成本最低，使命壽命低，讀寫次數在1000~2000左右，是當下主流廠商首選閃存顆粒。

當前，固態(tài)硬盤市場中，主流的閃存顆粒廠商主要有toshiba東芝、samsung三星、Intel英特爾、micron美光、skhynix海力士、sandisk閃迪等。

由于閃存顆粒是固態(tài)硬盤中的核心器件，也是主要的存儲單元，因而它的制造成本占據了整個產品的70%以上的比重，極端一點說，選擇固態(tài)硬盤實際上就是在選擇閃存顆粒。

錦上添花：緩存芯片

緩存芯片，是固態(tài)硬盤三大件中，最容易被人忽視的一塊，也是廠商最不愿意投入的一塊。和主控芯片、閃存顆粒相比，緩存芯片的作用確實沒有那么明顯，在用戶群體的認知度也沒有那么深入，相應的就無法以此為噱頭進行鼓吹。

實際上，緩存芯片的存在意義還是有的，特別是在進行常用文件的隨機性讀寫上，以及碎片文件的快速讀寫上。

由于固態(tài)硬盤內部的磨損機制，就導致固態(tài)硬盤在讀寫小文件和常用文件時，會不斷進行數據的整塊的寫入緩存，然而導出到閃存顆粒，這個過程需要大量緩存維系。特別是在進行大數量級的碎片文件的讀寫進程，高緩存的作用更是明顯。

這也解釋了為什么沒有緩存芯片的固態(tài)硬盤在用了一段時間后，開始掉速。當前，緩存芯片市場規(guī)模不算太大，主流的廠商基本也集中在南亞、三星、金士頓等。根據最新消息，無外置緩存的固態(tài)硬盤產品將于不久后問世，雖然很早之前就有諸如sandforce2281 自帶緩存主控產品，但是市場反響卻差強人意，不知道最新的無外置緩存的固態(tài)硬盤的表現如何，也請大家拭目以待。

主控芯片、閃存顆粒、緩存芯片，這三者有機的結合在一塊PCB板上，構成了固態(tài)硬盤的整體形態(tài)。

二、固態(tài)硬盤的顆粒(重中之重)

閃存顆粒是固態(tài)硬盤用來存儲數據的東西，分為SLC、MLC、TLC三種，是挑選固態(tài)最重要的參數。

SLC：S是single，單一的意思，如single dog-單身狗。所以，SLC的每個存儲單元只存儲1bit的數據，這種存儲方式穩(wěn)定性強，讀寫速度很快，而且不會出錯，并且壽命長，因此價格也是最貴的。

MLC：M是multi，多個的意思，一般我們說的MLC就是指兩個，所以，MLC的每個存儲單元要放2bit的數據。

TLC：T是triple，沒錯，就是“三殺”的那個 triple kill！

所以，TLC顆粒的每個存儲單元要擠3bit的數據。(由于MLC是多個bit的意思，多個包含3個，所以，有些廠商，如三星，會把自家使用TLC顆粒的EVO系列固態(tài)硬盤稱為“3bit MLC”）

舉個很形象的例子:

我們把存儲空間想象成一個超大的停車場，每一個存儲單元就是一個停車位，1bit的數據就是一輛汽車。

SLC顆粒：1bit獨占一個車位，這輛車來去自如，不會出現錯誤，而且速度很快，由于車位使用頻率不高，所以壽命也很長，但是成本很高。

MLC顆粒：2bit占一個車位，1車2車進出需要管理員調度，效率稍低，所以速度會慢一些，車位使用頻率高了一倍，所以壽命也會變短一些。

TLC顆粒：3bit擠一個車位，進出調度更復雜，效率較低，所以速度慢，還容易出錯，壽命短一些。

雖然我們說TLC顆粒壽命短，但是那是相對于SLC和MLC而言的，經過重度測試，TLC顆粒正常使用5年以上是沒有問題的。TLC顆粒固態(tài)硬盤也是目前最常見的，主要是這個顆粒SSD價格親民，大眾用戶夠用，因此最常見。

現在世界上能自主生產顆粒的廠家有：intel、三星、閃迪、東芝、鎂光（英睿達）、海力士。所有正規(guī)的固態(tài)硬盤使用的都是這幾家的檢驗合格的原廠顆粒。如使用自家顆粒的inter、三星、閃迪、鎂光（英睿達）、東芝等；還有雖然自己不會生產顆粒，但是使用從原廠購買顆粒的浦科特、海盜船、建興等，所以購買時可以優(yōu)選選擇這些品牌。

市面上還有一些使用“白片”、“黑片”顆粒的固態(tài)硬盤的廠家，“白片”是指原廠檢驗不合格的瑕疵品，被偷偷賣給下游工廠來制作固態(tài)硬盤?！昂谄笔沁B白片都比不上的廢片，這類硬盤價格通常會遠低于原廠顆粒的硬盤，給人一種“高性價比”的錯覺。

三、主控

如果說存儲空間是一個超大的停車場，那么主控就是這個超大停車場的“管理員”啦，他負責指揮每一輛車準確、合理的進出自己的停車位。

對于這么大的一個停車場，特別是三輛車擠一個車位的TLC顆粒的停車場來說，管理員是操碎了心，每天都累成狗一樣。所以這個主控“管理員”必須要有過硬的身體素質（硬件要好）和扎實的管理方法（固件要好）。

好的主控+優(yōu)秀的固件就相當于讓受過專業(yè)訓練的交警來管理停車場，而渣的主控+渣的固件就相當于讓一個骨瘦如柴，沒有受過教育和訓練的人來管理，所以啊，即使你的停車場修的很牢固，但是沒用多久，管理員先累死了，整個停車場也就不能用了。

比較好的主控品牌有：馬牌（Marvell）、SandForce、三星、intel、東芝等。近些年，一些臺灣的主控品牌如：慧榮、群聯也在迎頭追趕。

四、緩存

當你要存入很大、很多數據的時候，就是一次性往停車場存很多車的時候，主控“管理員”是忙不過來的。但是CPU很厲害?。骸拔乙呀洶堰@么多的車（數據）都給你送過來了，你工作慢也不能讓我干等著??！我還有很多事要忙的！”

如果沒有高速緩存這個臨時的的停車場，他CPU就得干等著，我們就會感覺“慢”和“卡”，但是如果我們有一個高速緩存這么一個臨時的停車場，管理員就可以說：“我先把剩下的這些車都放在這個臨時的停車場中，我忙完眼前的事就給這些車安排車位?！庇谑荂PU就可以高興地忙自己的事去了，我們就會感覺電腦速度”快”、“流暢”。

但是緩存這個“臨時停車場”有個弊端，如果硬盤沒有采取斷電保護措施的話，一旦斷電，停在這里的車可能就會不翼而飛了。（正規(guī)廠家都會有斷電保護措施，無需太擔心）

五、3D NAND堆棧技術

這是一個近幾年才開始流行的技術。如果你還記得前面說的停車場的話，就很好理解這個技術了。

3D堆棧啊，是由于近些年固態(tài)硬盤容量越來越大，所以每個存儲單元“停車位”之間的密度越來越大，所以我們就把普通的一層的停車場蓋成了許多層的樓層式停車場。這樣一來，每個停車位之間就不用那么擁擠了，干擾變了，所以性能也就變好了。而對于廠家來說，成本也就更低。

六、接口、總線、協(xié)議

由于近些年固態(tài)硬盤發(fā)展的很快，新老產品技術交替，所以市面上固態(tài)硬盤的接口、協(xié)議等有些亂七八糟的，他們之間有著剪不斷，理還亂的關系，但是還好我把一塊的知識給啃下來了。

接口：

接口就是把幾條導電的銅線做成不同形狀的插頭。市面上主流的固態(tài)硬盤接口有 SATA、mSATA、m.2、PCI-E插槽這4種。

他們之間除了在外觀上有不同外，性能上也有較大的區(qū)別。

總線：

總線是我們看不到的東西，可以理解為數據傳輸的“公路”，有sata總線和PCI-e總線兩種。

假如我們要從P城開車到Y城，走PCI-E總線就相當于走兩地直達的高速公路，而走SATA總線的就相當于走了比較繞的城鄉(xiāng)公路。

PCI-E總線又有幾個等級，PCIE×1、PCIE×2、PCIE×4、PCIE×8、PCIE×16，數字越大，速度就越快。目前的固態(tài)硬盤都是用的×2、×4這個等級的，其中×4的最大速度已經可以達到 3000 MB/s以上了。說到這，有機靈的小伙伴可能已經想到了我們用的顯卡早就已經是 ×16的級別了。

最后是協(xié)議

前面已經說了，PCI-E ×4 是一條平坦的高速公路，但是我們都知道，現實中的高速公路上每輛車的車速也是不同的，跑車總是會比轎車快。而擁有NVMe協(xié)議的固態(tài)硬盤就相當于專門針對這條平坦的高速公路而設計的超級跑車。同樣是走的PCI-E ×4 的車道，不支持NVMe協(xié)議的硬盤最大只能跑1500MB/s，而支持NVMe協(xié)議的硬盤就可以跑到3000MB/s甚至以上。

知道了這些我們再說接口就容易多了。

SATA接口：

SATA接口屬于老式的接口，分SATA 3GB和SATA6 GB，我們的機械硬盤使用的也是這種接口，兼容性強，新老電腦基本都通用。只不過，這種接口SSD速度稍慢，延遲稍高，最大速度不會超過600MB/s

mSATA接口：

這種接口不多，一般會用在早期筆記本上。只不過，如今筆記本大都用的是M.2接口，因此這種接口基本逐漸被淘汰了。

M.2接口：

M.2接口有兩種：M key和B key，如圖所示

M型接口的固態(tài)硬盤一般來說性能較好，價格普遍比SATA接口SSD貴，并且需要主板配備M.2接口，目前主流新主板都配備這個接口。而很多老主板或者一些新入門主板都沒有這個接口，因此購買這種硬盤之前，需要了解下主板是否帶有M.2全速接口。由于走PCI-E×4這條高速功路，速度能輕松達到1500MB/s以上，如果還支持NVMe協(xié)議那速度能輕松達到2000MB/s及以上。

B&M型接口的固態(tài)硬盤兼容性好，兩種M.2的插槽都能用，但是速度稍慢，雖大也就1000MB/s。

PCI-E接口：

這個長得跟顯卡一樣的固態(tài)硬盤也是 PCI-E ×4的接口，支持PCI-E ×4的總線。但是現在的主板大多數是沒有PCIE-4的插槽的。所以一般都是接在顯卡的插槽里使用的，這種接口固態(tài)硬盤速度雖然快，但很多平臺可能不支持，因此市面上相對不是很常見。

4KB隨機讀寫

說了這么多，終于又回到正題了。

固態(tài)硬盤雖然順序讀寫速度超快，但是那是只有在讀寫一整個大文件（如一部電影）時才能體會到它的優(yōu)勢，而影響我們日常使用的是硬盤的4K 隨機讀寫速度（這里的4K是4KB）。

舉個例子：

小明去一個大商場買東西，售貨員問小明：“你要買什么呢？”

小明說：“阿姨，我要買一臺大電視！”“好的！”雖然電視很大很重，但是售貨員只要跑一趟花點力氣就能把大電視給小明拿過來。這就是大文件的持續(xù)讀寫速度。

小明又說：“阿姨，我要一顆小白兔奶糖、一包辣條、一瓶可樂、一只鉛筆、一個小豬佩奇、一卷衛(wèi)生紙……”售貨員：“#￥@%……&*”這些東西雖然又輕又小，但是量多，售貨員阿姨就要跑很多地方才能完成小明的請求，速度自然就慢了下來，這就是4kb隨機讀寫。

很遺憾的是我們日常使用電腦時大多都是這種小文件的隨機讀寫。所以，我們在挑選固態(tài)的時候要重點關注硬盤的4k隨機讀寫性能。

NVMe

NVMe是為SSD所生的。NVMe出現之前，SSD絕大多數走的是AHCI和SATA的協(xié)議，后者其實是為傳統(tǒng)HDD服務的。與HDD相比，SSD具有更低的延時和更高的性能，AHCI已經不能跟上SSD性能發(fā)展的步伐了，已經成為制約SSD性能的瓶頸。

跟ATA spec中定義的命令相比，NVMe的命令個數少了很多，完全是為SSD量身定制的。

NVMe有三寶：Submission Queue （SQ），Completion Queue（CQ）和Doorbell Register （DB）。 SQ和CQ位于Host的內存中，DB則位于SSD的控制器內部。上圖：

SQ和CQ在Host的memory中以及DB在SSD端，上圖中的NVMe Subsystem一般就是SSD。

SQ位于Host內存中，Host要發(fā)送命令時，先把準備好的命令放在SQ中，然后通知SSD來取；CQ也是位于Host內存中，一個命令執(zhí)行完成，成功或失敗，SSD總會往CQ中寫入命令完成狀態(tài)。

DB又是干什么用的呢？Host發(fā)送命令時，不是直接往SSD中發(fā)送命令的，而是把命令準備好放在自己的內存中，那怎么通知SSD來獲取命令執(zhí)行呢？Host就是通過寫SSD端的DB寄存器來告知SSD的。

架構模型

圖2：單端口PCIe SSD

圖3：帶SMBus / I2C的雙端口PCIe SSD

NVMe管理界面用于發(fā)送命令消息，該命令消息由以NVM子系統(tǒng)內的控制器為目標的標準NVMe管理命令組成; 用于訪問NVM子系統(tǒng)中控制器的PCI Express配置，I / O和存儲空間的命令; 和管理接口特定命令，用于清點，配置和監(jiān)視NVM子系統(tǒng)。

圖4：與單端口PCIe SSD相關的NVM子系統(tǒng)

圖5示出了與圖3中所示的PCIe SSD相對應的示例NVM子系統(tǒng)。NVM子系統(tǒng)，包含一個與PCIe端口0相關聯的控制器和兩個與PCIe端口1相關聯的控制器。存在與每個PCIe端口相關聯的管理端點和SMBus / I2C端口。由于NVM子系統(tǒng)包含管理端點，因此所有控制器都具有關聯的控制器管理接口。

圖5：與帶有SMBus / I2C的雙端口PCIe SSD相關的NVM子系統(tǒng)