基本组成部件,固态硬盘有写次数限制

永利皇宫网址 8

普通用户不需要考虑(我怎么记得以前回答过)有专业人士用自己写的程序,对固态硬盘做了24小时不间断的读写,就是写一次把所有字节写满然后删光再重复。结果一年之后固态硬盘还能够用,对于普通用户来说,是远远比不上这个数据量的。大部分情况都是一些小型配置文件发生了变化。固态硬盘的控制芯片也会尽力平衡各位置的擦写次数。实际使用5年还是毫无压力的,五年基本电脑硬件落后了,也该换代了。。接下来是解释为什么,其实这部分在《数字电路》一书的第八章有介绍。固态硬盘即flash闪存随手介绍一下一些存储单元作为参考(要是可以上传ppt就好了。。ppt是动的,可以看到电信号流动的原理。。因为懒,就没有解释MOS的原理了。。谁来督促我一下。。=。=):1、SIMOS

固态硬盘内部结构

SSD最基本的组成部件:主控芯片、NAND闪存芯片、固件算法

永利皇宫网址 1

主控芯片

主控芯片在SSD中的作用就跟CPU一样,主要是面向调度、协调和控制整个SSD系统而设计的。主控芯片一方面负责合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,另一方面承担了整个数据中转,连连接闪存芯片和外部SATA接口。除此之外,主控还负责ECC纠错、耗损平衡、坏块映射、读写缓存、垃圾回收以及加密等一系列的功能。

目前主流的控制器有Marvell、SandForce、三星(自用)、Intel(自用)、JMicron、Indilinx(已被OCZ收购专用)、东芝等主控芯片

Marvell各方面都很强劲,高端大气上档次。早期运用企业级产品,现也用在浦科特、闪迪、英睿达等品牌SSD上。Marvell自身也是一家大型公司,这两年也没什么变动,技术进步也很平稳,也没出过什么主控质量问题,未来的前景也值得看好。

SandForce的性能也不错,它的特点是支持压缩数据,比如一个10M的可压缩数据可能被他压成5M的写入硬盘,但还是占用10M的空间,可以提高点速度,最大的特点是会延长SSD的寿命,但是主控CPU占用会高点而且速度会随着硬盘的使用逐渐小幅度降低。代表型号为SF-2281,运用在包括Intel、金士顿、威刚等品牌的SSD上。

Samsung主控一般只有自家的SSD上使用,性能上也是很强悍的,不会比Marvell差多少。目前三星主控已经发展到第五代MEX,主要运用在三星850EVO、850PRO上。

除了自有SSD主控的公司,在外包主控的市场中,Marvell与SF占据了90%的份额,留给其他厂商的空间并不多。2016年,来自台湾主控厂商,智微Jmicron、慧荣Silicon
Motion、群联Phison三家公司的主控它们的成本低廉相当受SSD厂家欢迎。

这玩意很古老了。。虽然是可擦写的,但是需要紫外线照射窗口来改写浮动栅,

NAND闪存

SSD用户的数据全部存储于NAND闪存里,它是SSD的存储媒介。SSD成本的80%就集中在NAND闪存上。NAND闪存不仅决定了SSD的使用寿命,而且对SSD的性能影响也非常大。
颗粒的传统分类:SLC、MLC、TLC

永利皇宫网址 2

简单来说,NAND闪存中存储的数据是以电荷的方式存储在每个NAND存储单元内的,SLC、MLC及TLC就是存储的位数不同。单层存储与多层存储的区别在于每个NAND存储单元一次所能存储的“位元数”。

SLC(Single-Level
Cell)单层式存储每个存储单元仅能储存1bit数据,同样,MLC(Multi-Level
Cell)可储存2bit数据,TLC(Trinary-Level)可储存3bit数据。一个存储单元上,一次存储的位数越多,该单元拥有的容量就越大,这样能节约闪存的成本,提高NAND的生产量。但随之而来的是,向每个单元存储单元中加入更多的数据会使得状态难以辨别,并且可靠性、耐用性和性能都会降低。

SLC的固态硬盘目前市面上没有,一是太贵,二是MLC足够了。中高端SSD还是MLC的天下。但是MLC也有很大区别。最好的是Enterprise
Synch
MLC(企业级同步MLC),可靠性和寿命针对企业级市场做了优化。之后就是Synch/Toggle
MLC(同步颗粒),其中Toggle
MLC多为东芝出品,当然Toggle阵营中也有企业级闪存,与企业级同步MLC对应。SSD中应用比较多的其实还有Asynch
MLC(异步颗粒),价格便宜量又足,不过性能比同步颗粒差。

由于TLC需要更精确的控制电压,那么写入数据当然也会花费更多的时间;同样的,由于需要识别8种信号,而MLC只需要识别4种,所以TLC会花更多时间来读取数据。但是和SLC比起来,MLC就被完爆了,因为SLC的电压组合只有1和0两种,与MLC的4种电压组合比起来,SLC会花费更少的时间来识别信号,同时对电压控制的要求变低:上电就是1,断电就是0,这也就解释了SLC的性能为何最好。

TLC闪存优点是成本低,但是带来的考验也更大。容纳的电位多了可以提升容量,但也使得整个过程更复杂,需要更精确的电压控制,Program过程所需时间更多,因此写入性能也会大幅下降,所以现在的TLC
SSD都启用了SLC
Cache模式提升写入速度,否则那个写入速度是很难让人接受的;读取,特别是随机读取性能也会受影响,因为需要花更多的时间从八种电信号状态中区分所需数据。另外TLC相邻的存储单元也会产生电荷干扰,20nm工艺之后,Cell单元之间的干扰现象更加严重,如果数据长时间不刷新的话就会出现像之前三星840
Evo那样的读取旧文件会掉速的现象。

最关键的是闪存寿命直线下降,MLC的P/E次数至少还有3000-5000次,而TLC公认的P/E指标是1000次,好点的可能做到1500次,依然比MLC差很多。但各种极限测试也都证明:正常家用,TLC
120g
固态的来说用个10年左右也是不成问题,所以不必纠结寿命。更别提很多寿命更长MLC的SSD。

目前全球生产NAND闪存芯片的厂商屈指可数:永利皇宫网址,三星、东芝、闪迪、镁光(英睿达)、海力士、英特尔。其中三星市场占有率第一,东芝颗粒应用最广泛。另外还有英特尔、美光、三星、闪迪多用在自家产品。海力士的量则主要是供给移动市场为主。

永利皇宫网址 3

3D NAND闪存:未来的出路

NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分,为了进一步提高容量、降低成本,NAND的制程工艺也在不断进步,从早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm,但NAND闪存跟处理器不一样,先进工艺虽然带来了更大的容量,但NAND闪存的制程工艺是双刃剑,容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降,因为工艺越先进,NAND的氧化层越薄,可靠性也越差,厂商就需要采取额外的手段来弥补,但这又会提高成本,以致于达到某个点之后制程工艺已经无法带来优势了。
相比之下,3D
NAND解决问题的思路就不一样了,为了提高NAND的容量、降低成本,厂商不需要费劲心思去提高制程工艺了,转而堆叠更多的层数就可以了,这样一来3D
NAND闪存的容量、性能、可靠性都有了保证了,比如东芝的15nm
NAND容量密度为1.28Gb/mm2,而三星32层堆栈的3D
NAND可以轻松达到1.87Gb/mm2,48层堆栈的则可以达到2.8Gb/mm2。
由于已经向垂直方向扩展NAND密度,那就没有继续缩小晶体管的压力了,所以三星、Intel和美光可以使用相对更旧的工艺来生产3D
NAND闪存,做成3D NAND MLC或者3D NAND TLC。现在三星已经就这样做了,850
Pro是3D MLC,850 Evo是3D
TLC。使用旧工艺的好处就是P/E擦写次数大幅提升,而且电荷干扰的情况也因为使用旧工艺而大幅减少。

永利皇宫网址 4

将平房增加楼层盖成高楼,单位面积内可容纳的人就会更多,这点是同理的。
三星、SK Hynix、东芝/闪迪、Intel/美光这四大NAND豪门都已经涉足3D
NAND闪存了。三星最早量产了3D NAND,其他几家公司在3D
NAND闪存量产上要落后三星至少2年时间。这四大豪门的3D
NAND闪存所用的技术不同,堆栈的层数也不一样,而Intel在常规3D
NAND闪存之外还开发了新型的3D
XPoint闪存,它跟目前的3D闪存有很大不同,属于杀手锏级产品。
Intel本来就是做存储技术起家的。虽然现在的主业是处理器,但存储技术从来没放松。根据Intel官方说法,3D
XPoint闪存各方面都超越了目前的内存及闪存,性能是普通显存的1000倍,可靠性也是普通闪存的1000倍,容量密度是内存的10倍,而且是非易失性的,断电也不会损失数据。由于还没有上市,而且Intel对3D
XPoint闪存口风很严。Intel准备在2016年开始推出基于3D
XPoint技术的存储产品,内存容量可达6TB,值得关注。
传统的平面NAND闪存现在还谈不上末路,主流工艺是15/16nm,但10/9nm节点很可能是平面NAND最后的机会了,而3D
NAND闪存还会继续走下去,目前的堆栈层数不过32-48层,厂商们还在研发64层甚至更高层数的堆栈技术。3D
NAND闪存在容量、速度、能效及可靠性上都有优势。
2D的TLC闪存由于各种问题是不会成为主流的,基本上只会有低价入门级的SSD会使用,现在的TLC
SSD很多都是试验性产品,但是等到3D TLC大批量产后,它将会成为未来的主力。

浮动栅的位置决定了这个数字电路的输出是0还是1,右图也介绍了它其实也就是个MOS管。。2、FLOTOX,隧道型存储单元
前面研究的可擦写存储器的缺点是要擦除已存入的信息必须用紫外光照射一定的时间,因此不能用于快速改变储存信息的场合,用隧道型储存单元制成的存储器克服了这一缺点,它称为电可改写只读存储器E2PROM,即电擦除、电编程的只读存储器。

固件算法

SSD的固件是确保SSD性能的最重要组件,用于驱动控制器。主控使用固件算法中的控制程序,去执行自动信号处理,耗损平衡,错误校正码(ECC),坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备(如电脑)通信,以及执行数据加密等任务。由于固件冗余存储至NAND闪存中,因此当SSD制造商发布一个更新时,需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。

由于固件研发上的区别,采用相同主控的SSD也可能表现出完全不一样的性能和耐久度。而固件则通常是由厂商自行开发,并且时有更新,可以改善SSD性能并解决一些曾经出现的已知问题。如果用数字来说,一块SSD中颗粒对性能的影响大约占60%,而固件与主控的影响会在20%左右。

开发高品质的固件不仅需要精密的工程技术,而且需要在NAND闪存、控制器和其他SSD组件间实现完美整合。此外,还必须掌握NADN特征、半导体工艺和控制器特征等领域的最先进的技术。固件的品质越好,整个SSD就越精确,越高效。目前具备独立固件研发的SSD厂商并不多,仅有Intel、闪迪、英睿达、浦科特、OCZ、三星等厂商。

永利皇宫网址 5

擦写时通过控制G、D的电位差,来改写控制栅,当然比紫外线照射要方便啦,3、正题来到了flash闪存:

永利皇宫网址 6

开始引用wiki百科:

永利皇宫网址 7

永利皇宫网址 8

flash闪存是一种改进的EEPROM,可以一次对一大块数据进行擦写,(卧槽按了一下f5结果悲剧了。。)EEPROM单元的可靠性指标主要有耐久性和保持性两项.
耐久性是指EEPROM单元可反复擦/ 写的能力, 通常用EE-PROM的擦/
写阈值电压随擦/ 写周期的变化来表示.
保持特性是指存储在EEPROM单元中的信息是否能长期保存的能力,
通常用阈值电压的变化来显示单元存储电荷的泄漏量.

两个论文,第一篇介绍的是静态时候的保持特性,他的实验是给漏极加了电压,一开始是5V,然后通过外推法算当这个电压变小的时候的理论寿命。。实际上漏极电压小于1.4V可以保留十年的数据:对于写入数据的单元,
由于浮栅上的电荷会通过氧化层窗口和控制栅与浮栅之间的氧-氮-氧隔离层缓慢的泄漏,
所以数据不可能永远保持. 通常认为写入阈值电压退化10%则器件失效

第二篇则阐述了擦写过程对存储单元的影响:EEPROM在擦写过程中,隧道氧化层加高压,于是在隧道氧化层中诱发陷阱俘获电荷,改变了EEPROM晶体管的阈值电压.EEPROM的耐久性定义为每一个单元可以可靠地擦写的周期数.随着擦写周期数的增加,
在隧道氧化层中的陷阱俘获电荷的数量将会改变,
或者说在擦写过程中有正或负电荷被俘获或解俘获。造成了对存储性能的影响。

参考文献:[1]、数字逻辑电路,孙青林[2]、闪存[3]、电子抹除式可复写只读存储器[4]、EEPROM单元的电荷保持特性,
成伟; 郝跃; 马晓华; 刘红侠;半导体学报 ,Chinese Journal
ofemiconductors,
2006年07期[5]、FLOTOXEEPROM擦写过程中隧道氧化层陷阱俘获电荷的研究,于宗光,
徐 征, 叶守银, 张国华, 黄 卫, 王万业, 许居衍。电子学报 , ACTA
ELECTRONICA SINICA, 2000年05期

作为苦逼的做过这种器件的人,我告诉你:它的存储原理是在栅氧化层中间弄一层悬浮的金属,可以是薄膜也可以是孤立的纳米点。使用的时候你在栅上加高电压,下方沟道里的载流子就会因为量子隧穿效应穿过绝缘层进入浮栅,注意在这个过程中绝缘层有漏电或者其他一些电流,但那不是主要的(有的新型器件会采用非隧穿的电流来操作)。一旦电压撤了,隧穿效应基本消失,于是浮栅里那些电荷就驻留了,几乎没有通路可以跑出来。这层电荷会改变浮栅型场效应管的开启电压,换句话说,有没有电荷可以通过加一个读电压--大于无电荷时小于有电荷时的开启电压--来判断,因为沟道电流在两种情况下差很大,串联个电阻上去就能读到不同的电位。要把电荷从浮栅上弄出来就得反向加高压,还是利用隧穿效应。如果你反复写-擦,非常薄的栅氧化层的绝缘性就会降低(晶格结构被反复冲击之类的各种电效应热效应),漏电会越来越大,最后封不住电荷,也自然就读不出来不同状态--所谓失效。通常我们会用endurance表征这个器件耐擦写的能力。实验室里就是周期性地加上擦除写入电压,隔一阵测一下它能不能区分出两个状态(1和0的电位标准事先定好),直至它失效,这个擦写次数就是endurance。我当苦逼烟酒僧的时候,基本上一礼拜得弄那么三五次这样的实验,平均endurance都是几百万次,这是单个器件的,做成阵列以后总体上差不多,根据你写的区块频繁与否会比单管有所差异。

上面的说的很专业,不过倒是有比较简单的解释方式:

对于固态硬盘来说,他的擦写次数取决于使用的芯片类型和制造工艺,简单的来说有下面这几种:SLC
(Single Layer Cell) 每一个读写单元保存一个比特MLC (Multi -level Layer
Cell) 每一个读写单元保存二个比特TLC (Triple-level Layer Cell)
每一个读写单元保存三个比特

除此之外,制造工艺也包括 25nm,19nm,10nm等等。

对于SLC来说,因为每一个读写单元只保存一个比特,所以同样大小的硬盘需要的成本最高,1Gb的硬盘就要1Gb的单元数量,MLC同样大小只要一半的单元,比起SLC它的成本理论上减少60%,TLC则只需要三分之一的单元,比起MLC来说再减少40%。

所以TLC的成本是最便宜的
,不过以前它只用于U盘之类的,因为U盘读写的次数比较少,原因呢?在下面:

随着工艺的发展,最早的时候闪存芯片是32nm,现在大概是25nm比较多,还有19nm的,未来到10nm就到头了,原因是一楼所说的,因为每个比特存储的时候实际上是把电荷放进一个池子,然后用判断池子里面有没有电荷来决定是0还是1,那么随着制程的发展,池子的大小越来越秀珍,池壁和深度也越来越薄,装的电荷也越来越少。

于是我们需要更灵敏的元件来判断电荷,同时随着擦写次数过去池子也会更容易损坏,SLC还好,因为一个池子只保存一个电荷,电荷判断的自由度比较大,MLC的话相当于每半个池子判断一个比特,自由度少了一半,MLC甚至更少,元件的灵敏度是有限的,超过了限度这个池子就废了。

现在可以说到寿命了:SLC的擦写次数可以达到10W次以上MLC的擦写次数大概1W次左右,随着现在制程的发展,大概只有3千到5千了,做的越精细,越容易坏。TLC的擦写次数大概3千次左右,随着制程发展,大概只有1千次左右,未来可能只有500次。

制程的发展到10nm就到头了,再小池子壁就薄得没法用了。

现在市面上制程最高的大概是东芝的芯片,19nm,大部分固态硬盘厂商用MLC的芯片,在成本和寿命上达到比较好的平衡,但三星有一款840的固态硬盘用的是
TLC,不过制程比较老
25nm,所以理论擦写次数大概1千次,三星的这款硬盘成本是最低的,不过比起其他厂商的MLC来说价格相差不大,不知道为什么这么多人买它。

固态硬盘的寿命除了芯片,它的固件也很重要,好的固件会把数据压缩一下,然后比较平均的分配给不同的池子,最好的情况下所有的池子写入的次数都相同,这样寿命就会更高了,三星的固件相当不错,所以敢用TLC芯片,然后保证几年的寿命。

对我们这些普通用户来说不用太在意固态硬盘的寿命,不出意外的话在寿命到之前你的电脑已经淘汰了,不过由于现在固态硬盘发展的时间还不长,在固件或者芯片上可能出问题,一旦碰上也是很麻烦的。

所谓的FLASH,就是把一个电荷存在一个大电容里面,但是擦除动作的本身却可能会对物理结构产生一定影响,然后量变导致质变。

有一点要说明的,由于不同工艺,EEPROM可擦写次数多,FLASH次数就少了。最早一个CELL能存储一个Bit数据,而为了能利用尽量少的晶体管存储更多的数据,MLC(2Bit/Cell),TLC(3Bit/Cell)应运而生。这样,根据电容里面的电压不同来区分不同的数据。相应的,寿命大大缩减。MLC只有2000-10000次,TLC只有1000次左右。所以,MLC和TLC的主控都采用了强有力的纠错算法,来保证即使一个扇区有几十个BIT错误,也不至于影响读出数据的正确性。

另外,在正常使用中,我们的磁盘里面有很多数据是不被改写的,也就是说,这会导致其它区块的数据频繁被改写,从而降低整块硬盘的使用寿命。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注