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什么是固态硬盘?
作者:东营友通数据恢复中心 来源:东营数据恢复网-东营友通数据恢复中心 阅读次数: 11601 发表日期: 2010-4-25 10:50:15

 
简介

  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℃)。目前广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。目前由于成本较高,正在逐渐普及到DIY市场。
  由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同,所以产生了不少新兴的存储器厂商。厂商只需购买NAND存储器,再配合适当的控制芯片,就可以制造固态硬盘了。新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口。[1][2]

 
分类

  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。
  
基于闪存的固态硬盘(IDE FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk):采用FLASH芯片作为存储介质,这也是我们通常所说的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、优盘等样式。这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动,而且数据保护不受电源控制,能适应于各种环境,但是使用年限不高,适合于个人用户使用。在基于闪存的固态硬盘中,存储单元又分为两类:SLC(Single Layer Cell 单层单元)和MLC(Multi-Level Cell多层单元)。SLC的特点是成本高、容量小、但是速度快,而MLC的特点是容量大成本低,但是速度慢。MLC的每个单元是2bit的,相对SLC来说整整多了一倍。不过,由于每个MLC存储单元中存放的资料较多,结构相对复杂,出错的几率会增加,必须进行错误修正,这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。此外,SLC闪存的优点是复写次数高达100000次,比MLC闪存高10倍。此外,为了保证MLC的寿命,控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法,使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊,达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。
  基于DRAM的固态硬盘:采用DRAM作为存储介质,目前应用范围较窄。它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,并提供工业标准的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。它是一种高性能的存储器,而且使用寿命很长,美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。

 
固态硬盘的优点

  固态硬盘与普通硬盘比较,拥有以下优点:
  1. 启动快,没有电机加速旋转的过程。
  2. 不用磁头,快速随机读取,读延迟极小。根据相关测试:两台电脑在同样配置的电脑下,搭载固态硬盘的笔记本从开机到出现桌面一共只用了18秒,而搭载传统硬盘的笔记本总共用了31秒,两者几乎有将近一半的差距。
  3. 相对固定的读取时间。由于寻址时间与数据存储位置无关,因此磁盘碎片不会影响读取时间。
  4. 基于DRAM的固态硬盘写入速度极快。
  5. 无噪音。因为没有机械马达和风扇,工作时噪音值为0分贝。某些高端或大容量产品装有风扇,因此仍会产生噪音。
  6. 低容量的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。
  7. 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。这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用,而且在笔记本电脑发生意外掉落或与硬物碰撞时能够将数据丢失的可能性降到最小。
  8. 工作温度范围更大。典型的硬盘驱动器只能在5到55℃范围内工作。而大多数固态硬盘可在-10~70℃工作,一些工业级的固态硬盘还可在-40~85℃,甚至更大的温度范围下工作(e.g: RunCore军工级产品温度为-55~135℃)。
  9. 低容量的固态硬盘比同容量硬盘体积小、重量轻。但这一优势随容量增大而逐渐减弱。直至256GB,固态硬盘仍比相同容量的普通硬盘轻。

 
固态硬盘的缺点

  固态硬盘与传统硬盘比较,拥有以下缺点:
  1. 成本高。每单位容量价格是传统硬盘的5~10倍(基于闪存),甚至200~300倍(基于DRAM)。
  2. 容量低。目前固态硬盘最大容量远低于传统硬盘。传统硬盘的容量仍在迅速增长,据称IBM已测试过4TB的传统硬盘。
  3. 由于不像传统硬盘那样屏蔽于法拉第笼中,固态硬盘更易受到某些外界因素的不良影响。如断电(基于DRAM的固态硬盘尤甚)、磁场干扰、静电等。
  4. 写入寿命有限(基于闪存)。一般闪存写入寿命为1万到10万次,特制的可达100万到500万次,然而整台计算机寿命期内文件系统的某些部分(如文件分配表)的写入次数仍将超过这一极限。特制的文件系统或者固件可以分担写入的位置,使固态硬盘的整体寿命达到20年以上。
  5. 数据损坏后难以恢复。一旦在硬件上发生损坏,如果是传统的磁盘或者磁带存储方式,通过数据恢复也许还能挽救一部分数据。但是如果是固态存储,一但芯片发生损坏,要想在碎成几瓣或者被电流击穿的芯片中找回数据那几乎就是不可能的。当然这种不足也是可以牺牲存储空间来弥补的,主要用RAID 1来实现的备份,和传统的存储的备份原理相同。由于目前SSD的成本较高,采用这种方式备份还是价格不菲。6. 根据实际测试,使用固态硬盘的笔记本电脑在空闲或低负荷运行下,电池航程短于使用5400RPM的2.5英寸传统硬盘。
  7. 基于DRAM的固态硬盘在任何时候的能耗都高于传统硬盘,尤其是关闭时仍需供电,否则数据丢失。
  8. 据用户反映,使用MLC的固态硬盘在Windows XP系统下运行会机率性出现假死现象。这是由于Windows XP系统的文件系统机制不适于固态硬盘。而在Windows 7则为固态硬盘进行了优化,禁用了SuperFetch、ReadyBoost以及启动和程序预取等传统硬盘机制,可更好的发挥固态硬盘的性能。

 
固态硬盘产品

  现有的固态硬盘产品有3.5英寸,2.5英寸,1.8英寸等多种类型,容量一般为160GB~1TB,比一般的闪存盘(U盘)大得多。接口规格与传统硬盘一致,有UATA、SATA、SCSI等。

  例如国内品牌厂商RunCore产品线涵盖了所有标准接口固态硬盘,除此之外还包括面向上网本所适用的mini-PCIe接口,Zif接口和专门为Mac air设计的1.8" Lif接口等各系列产品。
  在CES 2008上,专业固态硬盘厂商BitMicro Networks展示了一款采用SCSI接口的专业级固态硬盘产品的内部结构(见右图)。该产品在一块PCB上焊接了32颗TSOP封装的NAND闪存芯片。BitMicro透露,该产品每GB平均价格为10美元左右,大约是主流机械硬盘的5倍。
  朗科在2008年也推出了号称“国内第一款”固态硬盘产品。而忆正则宣称已于2007年就已推出国内第一款固态硬盘产品。紧随其后中基伟业也推出号称"全球最快"的固态硬盘产品,镁光堪称推出速度为1GB/S的固态硬盘(用固态硬盘作阵列)。

 
固态硬盘的安全性

  与传统的硬盘驱动器相比,固态磁盘驱动器可能会提供更好的数据安全性,但是专家表示,它并没有完全的清除数据,而且对来自Light Sources高输出型灯如紫外线激光器的物理攻击的抵御能力较弱。 尽管它们相对来说成本较高,而且耐用性比较好,但是固态磁盘驱动器还是广受欢迎,特别是在便携式计算机上,因为它们具备电源消耗低,数据访问速度快的特点。专家表示,随着固态磁盘驱动器技术的使用越来越广泛,并且渗透到其它手持设备如智能手机领域之后,在固态磁盘驱动器上保护数据的安全会成为一个更受关注的问题。
  一家半导体研究和咨询公司Objective Analysis的总裁Jim Handy说,很多固态磁盘驱动器使用行业标准的、专为摄像机和MP3播放器设计的NAND闪存芯片,因此它们没有物理安全漏洞,不会阻止其从存储容器(Enclosure)中转移。****可以轻松地将NAND芯片从固态磁盘驱动器上分离开,然后使用闪存芯片程序读取其上的数据。一旦数据被读取之后,就可以使用数据恢复软件来重组文件。Handy说:“这个过程确实没有什么复杂的。”博客站点bunnie工作室的一位专门攻击芯片的****Bunnie说,另一个物理攻击包括使用紫外线激光器来消除锁定位(lockbit)或者是加密锁----其位于芯片的保险丝上,用于保护固态磁盘驱动器。在锁定位消除之后,可以通过标准方法来读取SSD上的数据阵列。Bunnie说:“一旦数据解除锁定,根本不需要什么特别的设备就能够读取该数据阵列。”例如,数据阵列可以使用常规的ROM读取器来读取,该设备通常意味着要烧录并检验不安全的ROM设备。Kilopass市场总监Craig Rawlings说,为了降低****窃取数据的可能性,加密锁可以整合到固态磁盘驱动器控制器设备内部,用于从硬件层上解决磁盘加密问题。Kilopass出售的产品使用超级永久可编程存储器(XPM)技术,在片上系统设备上存储加密锁。
  虽然加密锁也会受到攻击,但是专家认为,加密是在固态磁盘驱动器上保护数据安全的首要之事。很多公司,包括Safend和Encryptx都有这方面的产品,可以在存储设备如SSD上对数据进行加密。Kroll Ontrack数据恢复高级工程师Sean Barry说,加密增加了又一道防线,因此,****们必须绕过加密层和控制器,然后重组原始数据,这样才能成功地窃取数据。这需要花费一定的时间,而这段时间内,数据有可能已经无效或者失去价值了。加密也使得固态磁盘驱动器上的文件更易清除。iFixlt的CEO Kyle Wiens说,和硬盘驱动器一样,虽然SSD创建了多个文件备份,但是加密软件可以帮助你擦除受保护的文件。Wiens说:“每一次当你往SSD上写数据时,其有可能写到了硬盘的另一个地方,然后再修改目录表。这样,它就忘记了之前数据存放的地址。”用户可能会删除一个文件,但是另一个分区上的副本可能还是安然无恙。Wiens说,固态磁盘驱动器的损耗平衡功能(基于某一算法)可以在所有存储芯片单元上均衡地消除和写入数据,从而使各存储芯片单元的老化速度达到均衡,这样,文件就很难完全的清除。Intel Fellow--- Knut Grimsrud表示,某些加密软件会监视损耗平衡过程来跟踪文件的痕迹,然后,可以使用安全的消除命令来删除这些痕迹。安全擦除(Secure erase)是一个用于安全删除文件的命令,需要加密软件的支持。Grimsrud说:“如果所有软件都是在逻辑块寻址(LBA)顶层写入数据的,我认为它在固态磁盘驱动器上的效率可能并不高,因为其可能已经失去先前的损耗平衡或其它类似功能所带来的效率提高,而软件并不知道这点。”逻辑块寻址(LBA)指定了存储设备上数据块的存储地址。
  总之,删除固态磁盘驱动器上的数据要比删除硬盘驱动器上的数据容易,这有好有坏。KrollOntrack的Barry说,数据被存储在固态磁盘驱动器的电子管上,消除电子管,数据就会被冲刷掉。而在硬盘驱动器上,为了防止数据被读取,数据不得不被覆盖或者是遭受物理损坏。Barry说,从快速的角度来看,数据冲刷有其自身的优势,但是从不好的角度来看,固态磁盘驱动器上的数据往往比较随意,很容易丢失。

 
SSD固态存储的局限性

  虽然S SD比磁盘技术似乎有巨大的优越性,但是也存在着一些缺点。首先它的价格昂贵,因为内存的花费差不多是磁盘存储的1 0 0倍。其次,它们通常由易失型DR A M组成,一旦断电,数据将永久地丢失。为了避免数据丢失,S S D应该采用后备电池保护。最后,因为S SD并不是缓存,因此,它不是将少量的数据块刷新到非易失存储,而是将S SD的整个内容进行拷贝。虽然对于目标磁盘驱动器或子系统,其容量及持续写的传输率也不尽相同,但对这个操作的合理估计是1 G B / m i n。
  其管理方法之一是使用磁盘驱动器来镜像S S D,然而,处理镜像驱动器的I / O却需要额外的开销,这就对S S D的整体I / O传输率产生负面影响。但无论如何,至少在完成到镜像磁盘的镜像写操作中,它所花费的时间是极小的。
  由于某些原因,包括芯片密度、散热性能等,S S D的容量总是小于磁盘驱动器。当考虑到磁盘子系统时,容量差别更是巨大。这意味着使用S S D的应用要受到S S D的存储容量的限制。然而,值得指出的是,S S D可以用在磁盘子系统中以提供高性能的存储。
  综上所述,较高的售价阻碍了SSD固态硬盘的普及,价格高于同容量的机械硬盘几倍甚至几十倍。
  目前的SSD固态硬盘的容量较小,和目前动辄500GB甚到上TB的硬盘,而SSD固态硬盘最高容量仅为128GB。缺乏终端设备的支持也是SSD固态硬盘所面临的另一大问题。
  虽然目前固态硬盘还受着成本、容量等因素的制约,但是随着Vista操作系统的普及,SSD固态硬盘的规格不断升级以及发展速度将进一步加快,SSD固态硬盘明天会依然灿烂。

 
国内固态硬盘研发公司

  1.湖南源科高新技术有限公司
  研发人员主要来自国防科技大学和社会招聘员工。主要面向军工,工业,消费领域。
  提供定制或者独特功能SSD,自主知识产权。
  2. 忆正存储技术(深圳)有限公司.
  2007年出样品。
  3. 武汉固捷数据科技有限公司
  2008年出样品。
  4. 华赛
  2008年出样品。
  5.华恒伟业(SUNDOM)科技有限公司
  推出面向军工企业,,及服务器应用,带数据"一键销毁"的 SSD,容量高达1TB,读写速度大于250MB
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