HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理

2020-05-21 边走边爱 76783次阅读 

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    HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理

     本刊杂誌从这一期开始将会特别企划「SSD实验室」这一个单元,对于储存装置来说,固态硬碟(SSD)算是一个相当年轻且有发展性的一种商品,虽然说以目前固态硬碟的价格容量比与传统硬碟(HDD)

    相较之下还是偏高许多,但是已经有不少幅度的降价了。对于一般的使用者来说,很多人根本不太了解或是根本不知道固态硬碟到底是一个怎样子的东西,只知道固态硬碟单价高,不过好像效能比传统硬碟好,而「SSD实验室」就是基于这点,未来将会每期都介绍一点不同的概念,以期让读者对于这样的一个产品有更加深入的了解。本期则是先概略的介绍一下固态硬碟的储存原理及与传统硬碟不同之处在哪里,算是一篇基本的入门文章。 

      ■     传统硬碟的构造 HDD(Hard Disk Drive),也就是一般大众所认知到的硬碟,而小编为了与固态硬碟能有较明显的区别而大多称作「传统硬碟」。传统硬碟由涂满了磁性物质的碟片所构成,藉由读写头去改变磁性物质的极性方式进而去纪录资料,由图可知,硬碟的内部构造其实相当的精密,读写头是藉由碟片运转时产生的气流,利用白努力定律而「漂浮」在磁碟片上,其中的间隔距离是用奈米来做计算单位,比粉尘还要微小,一但读写头与碟片直接接触到的话将会毁损到上面的磁性物质,因此对于传统硬碟来说,最怕的就是震动及撞击了。不过传统硬碟技术发展至今,已经有不错防护措施了,再加上垂直写入技术的成熟,磁密度大量提升,效能上也增进不少。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 传统硬碟的内部构造   ■     传统硬碟不死-低价大容量的优势 传统硬碟至今已经有几十年的历史了,在基本架构及各项技术都相当成熟的现在,单位成本不断地降低,现在零售市场的主流以售价二千元以下的1TB硬碟为主,然而2TB的产品也不过三千出头,在几年前,小编根本没有想过硬碟市场会这幺快地就以「TB」作为计算单位了,实在是进步惊人。然而随着高画质影像及设备更加普及的现在,就更需要这种低价格但是高容量的储存媒体了。因此对于一般使用者来说,低价大容量且效能也表现不错,新一代的产品都还持续在进步的情况下,传统硬碟还是储存装置上的首选。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 目前2TB的传统硬碟未税售价也不过三千台币出头而已   ■     固态硬碟的储存原理简介 SSD(Solid State Disk or Solid State Drive),也就是一般所称的「固态硬碟」。其实大家也不必将固态硬碟想得太複杂,就把它当成有高容量且速度快的大颗随身碟就可以了,将固态硬碟拆开来里面也不过是一片镶有许多晶片的电路板而已。固态硬碟主要由控制器、储存记忆体(FLASH Memory)所构成,快取记忆体(RAM)的部分则不一定都会有,看控制器本身的设计。固态硬碟是使用改变电压值的方式来纪录资料,记忆体颗粒主要有MLC(Multi Level Cell,多层式储存)及SLC(Single Level Cell,单层式储存)两种,大致上来说MLC比起SLC的读取速度并不会落差太大,但是在写入上就来得比较慢,使用寿命也较短,不过MLC类型的记忆体颗粒优点是每个储存单元能储存多个电压值,也就是说每个单位上能储存的资料就更多,因此可以有较低的成本,在市面上的产品大多都是MLC颗粒的产品。而SLC在写入速度上明显比MLC要来得更快,且能源使用上更有效率,还能提供比MLC更多次的反覆资料写入次数,但是单价较高。在记忆体颗粒的部分,日后也会另外特别加以介绍。固态硬碟的一个储存槽以4KB作为单位,每个储存槽有固定的写入次数限制,当一个储存槽的寿命到达上限之后,将会产生整个记忆体单元无法被写入及读取的情形。而对于传统硬碟来说虽然也会有磁性物质失效的问题,但是磁性物质失效之后硬碟的内部管理会将那一个磁区标记起来,不让资料继续读写到那一个磁区,但是其余部分还是可以正常使用,因此在早期固态硬碟推出的时候,大家在担忧以及讨论的就是在于使用寿命的问题。但是以现在记忆体颗粒的製程以及控制晶片资料管理能力进步的情形下,使用寿命的问题已经不再令人担忧。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理  图 / 把一个固态硬碟完整拆开之后也只不过如此,构造非常简单。   ■     固态硬碟效能差异大,採购时请注意 採购固态硬碟时,通常盒子上标记的都是最大资料传输速率,有的也会标记连续传输以及4KB IOPS数据,在小编看来4KB的IOPS会比较来得重要,虽然说通常实测之后都达不到厂商宣称的那个数字,不过会想要购买固态硬碟的使用者大多是想要作为系统碟来使用,这样每秒进出的4KB资料量就会是一个重点了,毕竟NTFS格式预设的丛集大小以及固态硬碟的储存单位都是4KB。就算是包装上并没有写,而这些数据在厂商的官方网站也都可以查得到。然而标示的数据却不能完全代表这个固态硬碟的好坏,就以小编的经验而言,控制器管控资料读写方式的好坏真的会造成在当做系统碟时效能落差很大,对于使用寿命的掌控上,控制器更是最关键的因素,因为控制器必须要将资料分配给还未写入过或是写入次数较少的储存槽上,以平均整体的写入次数。另外的要点就是必须要将主机板SATA的模式设在「AHCI」的状态下,这方面请参考本期的另一篇特别企划:「开机速度谁最快-作业系统碟的最佳选择」,附带一提的是,对于有支援NCQ指令集的传统硬碟,也要在AHCI模式下才能开启这些进阶SATA功能。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 固态硬碟内部必须要有一个控制器存在,而控制器的好坏也影响效能及使用寿命甚大。   小编在这边摆了两张测试图来让读者了解一下所谓的标示数据与实际效能上的差异,光以「Seq」连续读写效能上绝对是左边要来得比右边的产品要好上许多,但是让我们观察一下4K QD32这个对于作为作业系统碟影响较大的测试项目,很明显的右边的产品却比左边的产品要强上许多,在实际安装完作业系统之后使用的开机速度及顺畅度上的表现也绝对是右边产品要好上许多。然而在产品标示上呢?通常都只会标出第一个数据,这样一来,没有看过这一个测试的你,一定会毫不犹豫的买了左边的产品吧?回家使用之后却得不到应有的效能,因此在有预算想要购入固态硬碟使用之前,真的要先多做做功课才行。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理  图 / 由测试软体可知,固态硬碟的特性落差很大。   ■     固态硬碟比较省电?这部分还必须要再被探讨 想当初Intel这一个强力发展固态硬碟的公司所发布的SSD优势中有提到,比起2.5吋同样使用5V电源供应的传统硬碟来说,固态硬碟在消耗的功率上会要来得节省很多,但是在目前的产品上以及实际使用上却并不是有那幺大的优势存在,甚至于有的2.5吋7200转传统硬碟在额定的电流消耗上还比固态硬碟要来得少。小编这边就找了一个例子,以Seagate Momentus 7200.4 500GB的传统硬碟,转速高达7200转的情形下,所需电流竟然只要0.451A而已,比起对照组的Kingston SSDNOW V+ 64GB的0.5A还要来得少。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 2.5吋传统硬碟所需电流-0.451A   HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 固态硬碟所需电流-0.5A   ■     固态硬碟是储存装置中还有相当发展空间的产品 整体来说,固态硬碟是一个还有许多进步空间可以发展的产品,就像是当初的记忆体一样吧,在技术不断的成熟之后,降价的空间也会非常的大,小编在这边真的非常地期待未来会有平价固态硬碟时代的产生,然而会能够完全取代掉传统硬碟吗?小编不能够判定说目前储存装置的各项技术在未来会有怎样突破性的发展,说不定还会有另一种储存媒体的产生,毕竟世事难预料阿,尤其是科技产品的发展,不过以目前的情形来说,传统硬碟还是有相当地价格及容量优势存在,想要完全取代掉,可能要花上许多时间吧。

    而前面文章中介绍到的如记忆体颗粒的不同、控制器、AHCI模式对SSD在传输上造成的差别,甚至于以4KB为储存单位在SSD上会产生怎样的影响,在之后也会一期一期地慢慢做深入的探讨,敬请期待。 

      


    急速狂飙!超越SATA 6Gbps频宽的传输效能OCZ RevoDrive X2 240GB PCI-E SSD

    HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理    

    厂商名称:大卫肯尼有限公司        .tw       联络电话:(02)2571-0580       建议售价:NT$28,900

    小编于159期曾经报导过OCZ RevoDrive 50GB PCI-E SSD,其惊人的实际资料传输效能高达了读取:500MB/s、写入450MB/s以上的成绩,而建议售价8500元新台币的价格,实在是让小编很想败一张回家玩玩,单价看似高了些,但是有这样的高效能表现反而算是很超值。而在当初RevoDrive推出的时候就有耳闻会有双层的版本,毕竟在电路板上预留了四组运作时的灯号,也有空焊的连结槽存在,几个月之后,小编手上果然就出现了这张RevoDrive X2阿!实在是很令人期待它的效能表现是否会更上一层楼,在本期的特别企划-「作业系统碟的最佳选择」中也还有RevoDrive 120GB版本的效能测试数据,读者们可以加以参考,如此就能够了解到这两种版本的差异了。

      ■     由四个固态硬碟区域来组成RAID 0 首先,产品的双层结构可不是为了组成大容量,但是却没有空间摆上那幺多的记忆体颗粒所以才会设计成双层的方式。小编将它拆开分离之后,可以让读者更加地清楚看到的确是有四个SandForce控制器存在,也就是说它是由四个SSD区块所构成的。在开机的时候会抓到卡片上的磁碟阵列BIOS,使用的RAID晶片为Silicon Image SiI3124,并且可以看到RAID 0的组态下有四个装置。由之前RevoDrive的经验可以知道,两个SSD做成RAID 0已经是效能惊人了,那幺这次更加的使用了四组来架设,相信表现会更佳地亮眼。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 把RevoDrive X2的上层拆离之后的样子,可以看到总共有四个控制器,也就是拥有四个SSD区块。    HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 上层卡的特写,多了一片,效能增加快约1.5倍。   HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 产品形象贴纸的下面就是Silicon Image SiI3124 RAID晶片   ■     SandForce+Intel=效能的保证? RevoDrive X2 240GB官方公布的最高读取为740MB/s、写入为720MB/s,4KB随机存取的IOPS则高达了120000的惊人数据。然而小编在实测之后,最高档案传输的存取效能以及4K QD32、4K-64Thrd方面的确是都有很不错的数字展现,详细可以参考测试数据表。而会有这样亮眼的传输成绩,除了RAID 0的架设之外,SandForce的控制晶片加上Intel的MLC记忆体颗粒更是关键因素,在市面上许多效能表现良好的固态硬碟,都是使用这种的搭配方式。而这一张的四个SandForce控制晶片看得出来都是重新标示为SF-1222TA3-SBH的,仔细观察其实可以发现原本的数字可是SF-15xx呢!估计是SF-1200系列供不应求,所以才会把更高阶的SF-1500系列控制晶片重新标示之后来使用吧。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 看得出来重新标示过的SandForce SF-1222TA3-SBH控制晶片   HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理

    图 / Intel的MLC类型记忆体颗粒,型号为29F32G08AAMDB。

    电脑DIY测试平台

    处理器

    AMD Phenom II X2 555@3.2GHz

    主机板

    ASRock 890GX Extreme4

    显示卡

    GIGABYTE HD5870SOC 1GB RAM

    记忆体

    Kingston HyperX DDR3-2133@1600MHz 2GB x2

    储存装置

    OCZ VERTEX 2 SSD 40GB

    作业系统

    Windows 7 Ultimate 64bit

    电源供应器

    海韵X-650W 80PLUS金牌

    测试软体

    ATTO Disk Benchmark v2.46
    CrystalDiskMark 3.0.0e
    AS SSD Benchmark v1.5.3784

    HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理

    ■     使用PCI-E x4的介面来获得更多传输频宽 由前面的测试数据可知,最大的档案读取效能可达742.217MB/s的成绩,这也就是它为什幺要设计成PCI-E x4介面的关係了。一般来说,SATA 6Gbps虽然最大能够有750MB/s的频宽,但是因为种种因素影响之下,实际能够使用到的频宽大约只有八成左右,也就是600MB/s,如此一来根本无法完全发挥这一个固态硬碟的效能,然而PCI-E x4 Gen1.1的介面提供了双向2000MB/s的频宽,这样的频宽就非常够用了。而在PCI-E的部分则是有一个Pericom PI7C9X130的桥接晶片存在,将其实应为PCI-X介面的Silicon Image SiI3124磁碟阵列晶片转接为PCI-E x4来使用。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / Pericom的PI7C9X130 PCI-X转PCI-E桥接晶片   ■     PCI-E介面的固态硬碟是好物,但期待有降价空间 

    从OCZ的官方网站可以看到RevoDrive X2的最高容量产品高达了960GB,相当于是一个1TB传统硬碟的容量了,但是可想而知的是,售价一定是天价,而且市场上也几乎买不到,这就是目前高效能固态硬碟的缺点所在,尤其是这样PCI-E架构的产品。PCI-E x4的传输介面不只有更高的频宽可以使用,也少了SATA传输线的影响,小编真的很欣赏这样子的一种储存装置,但是也只能衷心的期盼它有朝一日可以降到一般玩家都可以入手的价格。

    规格

    容量

    240GB

    介面

    PCI-E x4 Gen1.1

    记忆体颗粒

    MLC NAND FLASH

    SSD控制器

    SandForce SF-1222

    缓冲记忆体

    内建于控制器中

    尺寸

    181.07×126.39×21.59mm

    保固

    原厂三年


    立刻使用效能改良款的固态硬碟吧!Kingston SSDNOW V100 128GB SSD

    HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理  

    厂商名称:远东金士顿股份有限公司      /taiwan      联络电话:0800-666-220       建议售价:NT$待补金士顿SSDNOW系列固态硬碟在市场上一直颇受好评,除了挟带着世界第一大记忆体厂商的名声以及不错的性价比之外,在市场上的能见度够高也是消费者选购的因素之一。眼尖的消费者会或许会在目前的标籤上发现多了一排「100」的标誌,这代表着是新一代的改良款系列,除了2.5吋的V+100及V100之外,上一期也有介绍过1.8吋的V+180。现在就来看看这次送测的V100 128GB有什幺进步之处吧。  ■     日系TOSHIBA的控制器及记忆体 SSDNOW系列目前大多使用TOSHIBA的记忆体及控制器,连电路板上的贴纸都直接贴了TOSHIBA的标籤,但早期也有使用SAMSUNG全韩製的产品存在。上一代的控制器为日本製,而小编手上的这款V100则全是台湾製的晶片,连整体封装都在台湾,不过控制器本身与上一代不同,型号为TC58NCF618GBT,改良了部分的传输效能。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 台湾製的TOSHIBA固态硬碟控制器   HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理 图 / 使用正反两面各八颗记忆体的配置   ■     新的V100系列改良了小档案写入效能 V100与上一代V系列的快取记忆体同样保持在64MB的大小,手上的产品为MIRA P3R12E4JFF-G8E记忆体颗粒,新控制器对于连续读写效能上都增进不少,但是对于在4K QD32、4K-64Thrd的写入速度及IOPS表现都比拥有128MB快取的上一代V+还要强,V+写入方面测试数据为4K QD32:15.89MB/s、4K-64Thrd:6.30MB/s、4K-64Thrd IOPS:1612,读者可以与这次的测试数据表相做比较。金士顿SSDNOW V100系列可以说是市场上平价固态硬碟的好选择,64GB单颗无任何配件的版本,零售未税价才3500以下,在这边供作採购的参考。 HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理

    图 / 快取记忆体与上一代同样为64MB的大小

    电脑DIY测试平台

    处理器

    AMD Phenom II X2 555@3.2GHz

    主机板

    ASRock 890GX Extreme4

    显示卡

    GIGABYTE HD5870SOC 1GB RAM

    记忆体

    Kingston HyperX DDR3-2133@1600MHz 2GB x2

    储存装置

    OCZ VERTEX 2 SSD 40GB

    作业系统

    Windows 7 Ultimate 64bit

    电源供应器

    海韵X-650W 80PLUS金牌

    测试软体

    ATTO Disk Benchmark v2.46
    CrystalDiskMark 3.0.0e
    AS SSD Benchmark v1.5.3784

    HDD?SSD?傻傻分不清楚 初步介绍固态硬碟的储存原理

    规格

    容量

    128GB

    介面

    SATA 3Gbps

    记忆体颗粒

    MLC NAND FLASH

    SSD控制器

    TOSHIBA

    缓冲记忆体

    64MB

    尺寸

    69.85x100x9.5mm

    保固

    三年

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