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蓄势待发的SSD

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  SSD是固态硬盘(Solid-State Driver,也有写成Solid-State Disk)的缩写。固态硬盘用来代替传统硬盘,虽然在固态硬盘中已经没有旋转的盘片,但由于是硬盘的替代品,而且外观与接口几乎和传统硬盘一样,因此依照人们的命名习惯,这类储存装置仍然称为“硬盘”。
  固态硬盘使用半导体内存来取代传统硬盘的磁性盘片。由于在半导体兴起的时代,一般用“固态”(Solid-State)来与真空管或其他的电磁组件做区别,因此讲“固态”几已等同于讲“半导体组件”(例如,“固态物理”几乎已经讲的是半导体组件物理,换言之,“固态硬盘”意谓着是“半导体组件硬盘”),而非谈的是物理的固态、液态与气态的所谓“三态”,这也是这个名词让人感到困扰之处。广义而言,只要是使用半导体内存,功能可代替硬盘的储存装置,都可以称为固态硬盘,所以,使用SRAM或DRAM等组件的RAM disk,只要遵循硬盘的外型及接口,一样可以称为固态硬盘。但是像SRAM或DRAM这类的挥发性内存需要靠外接电力维持其记忆,所以由此制成的固态硬盘还需要配合电池才能使用,电池的电力持续时间在应用上则大有问题。反之,如闪存这类非挥发性内存一经写入数据,就不需要外接电力来维持其记忆。因此更适于做为固态硬盘中的内存。因此,以下我们所讨论的固态硬盘,指的是以闪存为储存组件的硬盘。
  自1980年,希捷的ST-506问世以来,传统硬盘挟着记录密度的快速增长、单位成本的快速下降及还不错的访问速度,在计算机的储存装置竞赛中所向披靡,如入无人之境,几乎是每部计算机中必备的组件。由于不断有令人惊喜的技术革新,传统硬盘的记录密度是业界少数可以有指数增长速度的。至2008年,3.5英寸的硬盘最大已做到1.5 TBytes (展开来是1,500,000,000,000 Bytes!),笔记本电脑常用的2.5英寸硬盘也做到0.5 TBytes。当然,传统硬盘固然优点多多,但和所有装置一样,都会有一些基于本身特性所造成的限制,如怕震动、耗电量大、发热量大…等问题,在桌面计算机尚可接受,但在诸如笔记本电脑、便携设备及一些可热插入的装置上,这些缺点就较难以忍受。业界目前看好以NAND闪存为储存组件的固态硬盘有机会在这些领域取代传统硬盘,其比较如下:
  ● 震动:这是传统硬盘最大的弱点。传统硬盘的结构,是靠轻盈的读写头以很短的距离“漂浮”在每分钟数千转的盘片上。这时一旦硬盘受到震动甚至碰撞,读写头将撞击高速旋转的盘片,形容成“坠毁”并不夸张。而固态硬盘是由电路板与焊接的芯片所构成,耐震的能力强得多(以Samsung的SSD为例,可以耐碰撞达20G,瞬间震动甚至可达1,500G),因此已经有太空、航空及工业用途上的应用。现在则由于NAND闪存的价格下滑,也开始应用在可携式产品上。
  ● 耗电:传统硬盘靠马达驱动盘片,达到每分钟数千转。然而驱动马达的电流量并不低,对使用电池的便携设备,及大量使用硬盘的硬盘数组而言负担过大。而固态硬盘以同等容量的装置来比较,动作时不到传统硬盘的1/3,更何况传统硬盘需要启动时间(由盘片静止到其稳定转速的时间,这段时间无法读写数据),为了应付实时的存取往往牺牲耗电,让盘片不停的转动。固态硬盘不需要启动时间,NAND又是以CMOS制程制作,而CMOS组件是出了名的“不动作,不耗电”,如此一来,固态硬盘的节能差距更大。
  ● 读取时间:传统硬盘靠读写头读取盘片上的数据,尽管读写头的移动速度和盘片的转速进步神速,但和半导体的读取速度相比,仍有近一倍的差距,若再加上传统硬盘在读取不连续的数据时,需要寻找时间(seek time),平均起来,固态硬盘的速度更快。
  ● 噪音:传统硬盘毕竟是机械装置,马达与盘片的转动、读写头的移动所造成的震动都会发出噪音,虽然音量不大,但在夜深人静、数量庞大(如计算机机房)或用于影音设备上,就不太完美。固态硬盘则没有可动的机构,完全没有声音。
  闪存有好几种,鉴于硬盘是容量导向,NOR闪存就不在考虑之列,以字节为单位来抹除的EEPROM也不用考虑。而NAND闪存又有单阶单元式(Single-Level Cell, SLC)和多阶单元式(Multi-Level Cell, MLC),MLC在单一个记忆单元内固然可以较SLC储存2倍以上的信息,可降低硬盘的单位成本,但是付出的代价却是抹除次数的急剧下降(由最少100,000次抹除降至10,000次以下),故目前采用MLC的固态磁盘固然有成本优势,却无法取代采用SLC的固态磁盘,固态磁盘也多半会标示内部的内存是属于SLC或MLC。
  自Toshiba于1989年提出NAND闪存以来,就被看好有机会取代传统硬盘,然而,高昂的单位成本始终是一大阻碍。这个问题在2005年有了重大转机,苹果计算机首先在iPod shuffle中使用NAND闪存做为储存媒介。由于iPod一年往往有数千万支的销售量,不但马上取得全球将近1/6的NAND闪存的产能,更使得各家闪存厂商竞相投入生产NAND闪存,大幅拉近了固态硬盘和传统硬盘的单位成本。在2007年,华硕计算机为求提升笔记本电脑的市占率,切割出“次笔记本电脑”的市场之作EeePC 700系列,更大胆采用4 GBytes的固态硬盘来解决传统硬盘怕震动及高耗电的问题,固态硬盘至此一炮而红,得以在低价的消费市场露脸。不过,在实际应用之后,固态硬盘的问题也浮现出来,如下所述:
  ● 单位成本:固态硬盘的单位成本仍与传统硬盘有一段不小的差距,由Gartner的报告可看出,即使是与2.5英寸传统硬盘相较,SLC固态硬盘的单位成本差不多为40倍,在闪存的技术没有突破性的发展,及传统硬盘的技术仍可以持续高速增长的情况下,可能成本差仍难以拉近──当然,这两个前提未必不会有变化。
  ● 寿命:固态硬盘的读取特性优良,以SLC NAND闪存而言,数据保存10年不成问题。然而,写入的问题就比较大。闪存的写入并非如传统硬盘是直接盖写,而是先进行区块抹除,再区块写入,如此大大减少半导体组件对机械装置的优势。另外,抹除的次数也有限制,由100,000次(SLC)到10,000次(MLC),根据Microsoft的研究,在正常读写的情况下,即使配合一些增加寿命的算法,如磨耗平衡(Wear leveling),一颗固态硬盘的寿命也很难超过5年。在操作系统的支持上,Linux还有JFFS2及YAFFS这样的文件系统来实作磨耗平衡和坏区管理(Bad Block Management,BBM),相对而言,Microsoft Windows的态度就比较消极,即使在最新发表的WinHEC中,虽然有几篇课程提到固态硬盘,但在Windows7及Windows Embedded对固态硬盘的支持也很有限。
  科技的世代交替有时需要一点耐心,就像LCD屏幕的背光源,即使以LED做为背光源相较于以CCFL做为背光源有不少优势,然而受限于成本的差距,目前其占有率仍有一段距离。但是,在小尺寸的屏幕上,接棒的现象已经发生。对固态硬盘而言也是如此,一些可携式产品已可接受固态硬盘。在新一代的Windows 7也注意到固态硬盘的应用,当系统使用固态硬盘时,安装规模可以缩小,不再像Windows Vista那样因着重多媒体的体验而使得操作系统异常肥大。许多NAND内存控制器芯片的厂商也在芯片中直接加入可增加寿命的算法,可望让固态硬盘的寿命问题稍可令人满意。
  在各家大厂的次笔记本电脑陆续上市之后,令人意外的是固态硬盘的市占率反而下降,也许我们应该将之视为次笔记本电脑与笔记本电脑的界线模糊化所带来的效应。在新一代的非挥发性内存,如MRAM与FeRAM成熟之前,以NAND闪存为储存媒介的固态硬盘,仍将步步进逼以盘片为储存媒介的传统硬盘,或可成为下一世代电子装置的主流储存组件。

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