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固态硬盘相对于磁盘的工作原理是怎样的?

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固态硬盘相对于磁盘的工作原理是怎样的?

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发表于 2018-5-14 20:56:49 | 只看该作者 来自: LAN 来自 LAN
目前,人们多数使用的是基于Flash闪存的固态盘。相变存储尚在实验室,DRAM固态盘采用常见内存颗粒,数据需要额外的电源才能保存,使用者不多。

固态盘常见接口有SATA(普通PC使用的串行ATA接口)、PCI-Express(常见于显卡设备的接口,特点在于高速)等多种。不同的接口,其实都是为了通用、高速的目的。

Flash的最小存储单元是晶浮栅晶体管,对应于磁盘中的一个bit的存储单元。
磁盘中,利用磁极的不同来标记0,1,当磁头扫过盘面,通过感应电流就可以识别出不同状态,即读取数据;增强磁头的磁性,可以改变盘面记录单元的状态,实现写入数据。
固态盘中,在存储单元晶体管的栅(Gate)中,注入不同数量的电子,通过改变栅的导电性能,改变晶体管的导通效果,实现对不同状态的记录和识别。有些晶体管,栅中的电子数目多与少,带来的只有两种导通状态,对应读出的数据就只有0/1;有些晶体管,栅中电子数目不同时,可以读出多种状态,能够对应出00/01/10/11等不同数据。所以,Flash的存储单元可分为SLC(一个萝卜一个坑)和MLC(2个/多个萝卜一个坑)两种。
区别在于SLC的状态简单,所以读取很容易,MLC有多种状态,读取时,容易出错,需要校验,速度相对较慢。实际MLC的状态识别过程比上述复杂很多,读取一次MLC的功耗比SLC大很多。由于材料本身的缘故,SLC可以接受10万次级的擦写,而MLC材料只能接受万次级擦写操作,所以MLC的寿命比SLC少很多。但是,也是最重要的,由于MLC中的信息量大,同一个存储单元,信息量是SLC的N倍,所以相同容量的磁盘,MLC类型Flach成本更低,存储单元体积更小,这也导致市面上多数固态盘都采用了MLC型的Flash颗粒。SLC由于其特性,仅在高端的高速存储设备中使用。

有了上述介绍,不难理解,固态盘写入,就是改变晶体管里栅中电子数目的过程。读出,就是向晶体管施加电压,获取不同导通状态,对应识别存储数据的过程。

Flash颗粒便是大量这种浮栅晶体管的阵列,一般的U盘中会有1-2粒这种Flash颗粒,视容量而定;在SSD硬盘中,常见会有8-16粒Flash颗粒。

不过,用户在使用过程中,对器件的负面特性并不需要担心太多,生产厂商已经做出了考虑。如,由于单个存储单元的访问次数有限,如果长期在同一个区域重复读写,会导致该存储区域失效,进而影响整块盘的寿命。于是,业界研究了负载平衡技术,将用户的访问请求均匀分布在所有存储单元中,以延长整个盘寿命。而这个“不要在一只羊身上薅羊毛”的事情,就是固态盘控制器的任务了~~~。

呃,暂时就这多吧,其实固态盘读、写过程中还有很多好玩儿的,比方说,存储单元和地址的映射关系,单个存储单元状态转换不可逆等等~~有兴趣的朋友,可以再交流。

所知有限,有些描述可能不够准确,请大家拍砖,我再修改。

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3#
发表于 2018-5-14 20:56:49 | 只看该作者 来自: LAN 来自 LAN
补充说一句,现在使用NAND闪存芯片的SSD,最新的我不太清楚,去年春天时,一颗NAND芯片是32G的容量,也就是说128G的SSD,内部是5个NAND芯片做并行读取。

读写的时候都依靠主控芯片来做控制,主控芯片还要对所有的NAND闪存芯片做磨损平衡,保证这帮兄弟要挂一起挂,我买的是256G的,内部是8通道,并发的读写能力比128G又有了接近50%的提升。

至于再大的容量,因为存储容量过大,导致主控芯片保存的地址映射表过大,性能可能会出现持平甚至下降的情况

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4#
发表于 2018-5-14 20:56:49 | 只看该作者 来自: LAN 来自 LAN
固态硬盘是无需移动的固态电子元件,可以直接进行数据读取。具体量化的概念就是,一台笔记本电脑在使用传统硬盘时可能需要等待36秒才能让操作系统完成启动,而现在如果使用固态硬盘,则只需等待不到9秒钟。基于这种高性能硬盘的协同工作,CPU的运行效率也会提高,其节省能耗的优点足以使电池延长15%的寿命,而且它更加抗震和轻便。
    传统硬盘在读取及写入数据的时候,硬盘磁头需要花费时间转动并找到数据所在的位置。像唱片一样。

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5#
发表于 2018-5-14 20:56:49 | 只看该作者 来自: LAN 来自 LAN
正在通过移动硬盘导入照片,二十多分钟的等待时间看到这个有趣的问题。

前面的知友已经用专业的语言叙述过原理了,我就用这段较为浅显的话拙补一下。

固态硬盘比传统的机械硬盘块的原因不是在于它读取的快,而是在于它找到数据的时间几乎等于0,相对传统的机械硬盘最快的也要0.1秒的寻道时间来说要快多了。
比如搜索10个文件并分别读取,机械硬盘至少需要用1秒的时间来找到这些文件加上读取中数据的传输时间,而固态硬盘找到这些文件连1/10之一秒都用不到,加上读取的速度也要比机械硬盘块一些.这就是机械硬盘速度快于普通硬盘的原因,不过不同材质的固态硬盘的读取速度还是不一样的。
(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。)

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6#
发表于 2018-5-14 20:56:49 | 只看该作者 来自: LAN 来自 LAN
固态硬盘又闪存芯片和主控芯片组成。
一块固态硬盘其核心为主控芯片,固态硬盘写入/读取数据时,由主控芯片在多个闪存芯片写入(类似磁盘阵列中RAID 0)这样可以达到高速写入/读取数据。
闪存芯片 分为SLC MLC TLC三种
SLC(Single-Level Cell)原理是在1个存储器储存单元(cell)中存放1位元(bit)的资料
MLC(Multi-Level Cell)原理是在1个存储器储存单元(cell)中存放2位元(bit)的资料
TLC(Trinary-Level Cell原理是在1个存储器储存单元(cell)中存放3位元(bit)的资料
其主要区别为,寿命上SLC>MLC>TLC.速度SLC>MLC>TLC
SLC价格较贵,目前主流SSD为MLC

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7#
发表于 2018-5-14 20:56:49 | 只看该作者 来自: LAN 来自 LAN
完全看不懂

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8#
发表于 2018-5-14 20:56:49 | 只看该作者 来自: LAN 来自 LAN
现在,人们大都运用的是根据Flash闪存的固态盘。相变存储尚在实验室,DRAM固态盘采用常见内存颗粒,数据需求额定的电源才干保存,运用者不多。 固态盘常见接口有SATA(一般PC运用的串行ATA接口)、PCI-Express(常见于显卡设备的接口,特色在于高速)等多种。不同的接口,其实都是为了通用、高速的意图。 Flash的最小存储单元是晶浮栅晶体管,对应于磁盘中的一个bit的存储单元。 磁盘中,运用磁极的不同来符号0,1,当磁头扫过盘面,经过感应电流就能够辨认出不同状况,即读取数据;增强磁头的磁性,能够改动盘面记载单元的状况,完成写入数据。 固态盘中,在存储单元晶体管的栅(Gate)中,注入不同数量的电子,经过改动栅的导电功能,改动晶体管的导通作用,完成对不同状况的记载和辨认。有些晶体管,栅中的电子数目多与少,带来的只要两种导通状况,对应读出的数据就只要0/1;有些晶体管,栅中电子数目不同时,能够读出多种状况,能够对应出00/01/10/11等不同数据。所以,Flash的存储单元可分为SLC(一个萝卜一个坑)和MLC(2个/多个萝卜一个坑)两种。 差异在于SLC的状况简单,所以读取很简单,MLC有多种状况,读取时,简单出错,需求校验,速度相对较慢。实践MLC的状况辨认进程比上述杂乱许多,读取一次MLC的功耗比SLC大许多。因为资料自身的原因,SLC能够承受10万次级的擦写,而MLC资料只能承受万次级擦写操作,所以MLC的寿数比SLC少许多。可是,也是最重要的,因为MLC中的信息量大,同一个存储单元,信息量是SLC的N倍,所以相同容量的磁盘,MLC类型Flach本钱更低,存储单元体积更小,这也导致市面上大都固态盘都采用了MLC型的Flash颗粒。SLC因为其特性,仅在高端的高速存储设备中运用。 有了上述介绍,不难理解,固态盘写入,就是改动晶体管里栅中电子数意图进程。读出,就是向晶体管施加电压,获取不同导通状况,对应辨认存储数据的进程。 Flash颗粒便是很多这种浮栅晶体管的阵列,一般的U盘中会有1-2粒这种Flash颗粒,视容量而定;在SSD硬盘中,常见会有8-16粒Flash颗粒。 不过,用户在运用进程中,对器材的负面特性并不需求忧虑太多,出产厂商现已做出了考虑。如,因为单个存储单元的拜访次数有限,假如长时间在同一个区域重复读写,会导致该存储区域失效,进而影响整块盘的寿数。所以,业界研讨了负载平衡技能,将用户的拜访恳求均匀分布在所有存储单元中,以延伸整个盘寿数。而这个“不要在一只羊身上薅羊毛”的工作,就是固态盘控制器的使命了~~~。 呃,暂时就这多吧,其实固态盘读、写进程中还有许多好玩儿的,比方说,存储单元和地址的映射关系,单个存储单元状况变换不可逆等等~~有爱好的朋友,能够再沟通。你能够把它看作一个超大容量的U盘。当然比U盘的读写速度要高得多,寿数也要长的多,但基本原理是相同的。

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