制造业
硬盘制造
硬盘制造


简介

硬盘是计算机中必不可少的储存介质,硬盘负责储存信息。

种类

常见的硬盘种类有三种,分别是:

  • 机械硬盘:机械结构,硬盘中由磁盘盘片来储存信息
  • 固态硬盘:有闪存芯片及控制器组成,闪存芯片负责储存信息
  • 混合硬盘:机械硬盘和固态硬盘的结合体

机械硬盘的磁碟(Media)主要依靠磁控溅射镀膜技术在衬底基材上沉积不同种类厚度磁性薄膜。

机械硬盘

机械硬盘(HDD),硬盘,硬盘驱动器,或固定盘,并是电机械数据存储装置使用磁存储来存储和检索数字使用一个或多个刚性的快速旋转的磁盘的信息(盘片)涂有磁性材料。这些盘片与磁头配对,通常设置在移动的致动器臂上,该致动器臂将数据读取和写入盘片表面。以随机访问方式访问数据,这意味着个人可以按任何顺序存储或检索数据块,而不仅仅是顺序存储或检索。HDD是一种非易失性存储器,即使在断电时也能保留存储的数据。HDD的主要特征是其容量和性能。容量以与 1000 的功率相对应的单位前缀指定:1TB(太字节)驱动器具有1,000 GB(千兆字节;其中1千兆字节= 10亿字节)的容量。通常,某些HDD的容量对用户不可用,因为它由文件系统和计算机操作系统使用,并且可能是内置冗余以进行纠错和恢复。此外,存储容量存在混淆,因为HDD制造商的容量以十进制千兆字节(10的幂)表示,而一些操作系统报告的容量为二进制Gibibytes,这导致实际容量小于广告容量。机械硬盘性能取决于在磁头上移动到一个磁道或柱面(平均访问时间)将花费所需扇区时的头部(平均下移动所需的时间指定的等待时间,这是物理的函数转速在转每分钟),最后是数据传输的速度(数据速率)。

固态硬盘

固态驱硬盘(SSD)是一种固态存储使用装置集成电路组件作为存储器来存储数据持久,典型地使用快闪存储器。它有时也称为固态设备或固态磁盘,虽然SSD缺少物理旋转磁盘和传统机电存储器(如硬盘驱动器(“HDD”)或软盘)使用的可移动读写磁头。与机电驱动器相比,SSD通常更能抵抗物理冲击,无声运行,并且具有更快的访问时间和更低的延迟。

SSD将数据存储在半导体单元中。自2019年起,单元格可包含1到4 位数据。SSD存储设备的属性根据每个单元中存储的位数而变化,与2位和3位单元相比,单位单元(“SLC”)通常是最可靠,耐用,快速且昂贵的类型(“ MLC“和”TLC“),最后四位单元(”QLC“)用于不需要这种极端特性并且是四者中最便宜的消费者设备。此外,英特尔在Optane品牌下),通过改变电池的电阻而不是在电池中存储电荷来存储数据,并且由RAM制成的SSD 可以用于高速,当不需要断电后数据持久性,或者可以使用电池时在通常的电源不可用时保留数据的能力。

混合硬盘

混合驱动器或固态混合驱动器(SSHD),例如Apple的 Fusion Drive,在同一单元中结合了SSD和HDD的功能,包含大型硬盘驱动器和SSD缓存,以提高经常访问的数据的性能。虽然固态硬盘的价格随着时间的推移持续下降,但固态硬盘(截至2018年)每单位存储的成本仍然高于硬盘驱动器,预计未来十年仍将如此。如果长时间没有电源,基于NAND闪存的 SSD 会随着时间的推移慢慢泄漏电荷。这导致磨损的驱动器(超过其耐久性等级)通常在一年后(如果储存在30°C)至两年(25°C)储存时开始丢失数据; 新驱动器需要更长时间。因此,SSD不适合存档存储。3D XPoint是此规则的可能例外,但它是一种具有未知数据保留特性的相对较新的技术。SSD可以使用传统的硬盘驱动器(HDD)接口和外形,或更新的接口和外形,利用SSD中闪存的特定优势。传统接口(例如,SATA和SAS)和标准HDD形状因子允许这些SSD用作计算机和其他设备中的HDD的直接替代品。较新的外形尺寸,如mSATA,M.2,U.2和EDSFF(以前称为标尺SSD )和更高速的接口,如NVMe over PCI Express可以提高速度性能而不是硬盘性能。

评判标准

容量

作为计算机系统的数据存储器,容量是硬盘最主要的参数。

硬盘的容量以兆字节(MB)或千兆字节(GB)为单位,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1G=1000MB,因此我们在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。

硬盘的容量指标还包括硬盘的单碟容量。所谓单碟容量是指硬盘单片盘片的容量,单碟容量越大,单位成本越低,平均访问时间也越短。对于用户而言,硬盘的容量就象内存一样,永远只会嫌少不会嫌多。Windows操作系统带给我们的除了更为简便的操作外,还带来了文件大小与数量的日益膨胀,一些应用程序动辄就要吃掉上百兆的硬盘空间,而且还有不断增大的趋势。因此,在购买硬盘时适当的超前是明智的。

转速

转速(Rotationl Speed或Spindle speed),是机械硬盘内电机主轴的旋转速度,也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数。转速的快慢是标示硬盘档次的重要参数之一,它是决定硬盘内部传输率的关键因素之一,在很大程度上直接影响到硬盘的速度。硬盘的转速越快,硬盘寻找文件的速度也就越快,相对的硬盘的传输速度也就得到了提高。硬盘转速以每分钟多少转来表示,单位表示为RPM,RPM是Revolutions Per minute的缩写,是转/每分钟。RPM值越大,内部传输率就越快,访问时间就越短,硬盘的整体性能也就越好。

硬盘的主轴马达带动盘片高速旋转,产生浮力使磁头飘浮在盘片上方。要将所要存取资料的扇区带到磁头下方,转速越快,则等待时间也就越短。因此转速在很大程度上决定了硬盘的读取速度。 家用的普通硬盘的转速一般有5400rpm、7200rpm几种,高转速硬盘是台式机用户的首选;而对于笔记本用户则是4200rpm、5400rpm为主,虽然已经有公司发布了7200rpm的笔记本硬盘,但在市场中还较为少见;服务器用户对硬盘性能要求最高,服务器中使用的SCSI硬盘转速基本都采用10000rpm,甚至还有15000rpm的,性能要超出家用产品很多。较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间,但随着硬盘转速的不断提高也带来了温度升高、电机主轴磨损加大、工作噪音增大等负面影响。笔记本硬盘转速低于台式机硬盘,一定程度上是受到这个因素的影响。笔记本内部空间狭小,笔记本硬盘的尺寸(2.5寸)也被设计的比台式机硬盘(3.5寸)小,转速提高造成的温度上升,对笔记本本身的散热性能提出了更高的要求;噪音变大,又必须采取必要的降噪措施,这些都对笔记本硬盘制造技术提出了更多的要求。同时转速的提高,而其它的维持不变,则意味着电机的功耗将增大,单位时间内消耗的电就越多,电池的工作时间缩短,这样笔记本的便携性就受到影响。所以笔记本硬盘一般都采用相对较低转速的4200rpm硬盘。

访问时间

平均访问时间(Average Access Time)是指磁头从起始位置到达目标磁道位置,并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。

平均访问时间体现了硬盘的读写速度,它包括了硬盘的寻道时间和等待时间,即:平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。

硬盘的平均寻道时间(Average Seek Time)是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然越小越好,硬盘的平均寻道时间通常在8ms到12ms之间,而SCSI硬盘则应小于或等于8ms。 硬盘的等待时间,又叫潜伏期(Latency),是指磁头已处于要访问的磁道,等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半,一般应在4ms以下。

传输速率

传输速率(Data Transfer Rate) 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度,单位为兆字节每秒(MB/s)。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。 内部传输率(Internal Transfer Rate) 也称为持续传输率(Sustained Transfer Rate),它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。 外部传输率(External Transfer Rate)也称为突发数据传输率(Burst Data Transfer Rate)或接口传输率,它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率,外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。

Fast ATA接口硬盘的最大外部传输率为16.6MB/s,而Ultra ATA接口的硬盘则达到33.3MB/s。

使用SATA(Serial ATA)口的硬盘又叫串口硬盘,是未来PC机硬盘的趋势。2001年,由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓这几大厂商组成的Serial ATA委员会正式确立了Serial ATA 1.0规范。2002年,虽然串行ATA的相关设备还未正式上市,但Serial ATA委员会已抢先确立了Serial ATA 2.0规范。Serial ATA采用串行连接方式,串行ATA总线使用嵌入式时钟信号,具备了更强的纠错能力,与以往相比其最大的区别在于能对传输指令(不仅仅是数据)进行检查,如果发现错误会自动矫正,这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。

缓存

缓存(Cache memory)是硬盘控制器上的一块内存芯片,具有极快的存取速度,它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度不同,缓存在其中起到一个缓冲的作用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素,能够大幅度地提高硬盘整体性能。当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内存之间交换数据,有大缓存,则可以将那些零碎数据暂存在缓存中,减小外系统的负荷,也提高了数据的传输速度。

寿命

看个人使用情况。

硬盘的寿命不是一个准确数,通常3~5年基本没有问题。但受品牌、温度、其它硬件等不确定因素影响,导致硬盘的寿命参差不齐,但只要对硬盘进行正确维护,它足够让你用上几年。

易用性

机械硬盘

磁记录

现代机械硬盘通过在磁盘的两侧磁化铁磁材料薄膜来记录数据。磁化方向的顺序变化表示二进制数据位。通过检测磁化的转变从磁盘读取数据。用户数据使用编码方案编码,例如游程长度受限编码,其确定数据如何由磁转换表示。典型的机械硬盘设计包括保持扁平圆盘的主轴,称为盘片,用于保存记录的数据。盘片由非磁性材料制成,通常为铝合金,玻璃或陶瓷。它们都涂有磁性材料典型地10-20的浅层纳米的深度,与碳的保护外层。作为参考,标准的复印纸厚度为0.07-0.18毫米(70,000-180,000纳米)。现代硬盘驱动器中的盘片在节能便携式设备中以4,200 转/分钟(RPM)的速度旋转,在高性能服务器上以15,000 RPM的速度旋转 。第一台硬盘驱动器以1,200 RPM旋转,多年来,转速为3,600转是常态。截至2013年12月,大多数消费级机械硬盘中的盘片以5,400 RPM或7,200 RPM的速度旋转。当信息旋转经过称为读写磁头的设备时,信息被写入盘中并从盘中读取,所述读写磁头定位成非常靠近磁表面,其飞行高度通常在数十纳米的范围内。读写头用于检测和修改直接通过其下方的材料的磁化强度。在现代驱动器中,主轴上的每个磁盘表面都有一个磁头,安装在一个公共臂上。致动器臂(或进入臂)在旋转时使头部在弧形(大致径向地)上移动穿过盘片,允许每个头部在旋转时几乎接近盘片的整个表面。使用音圈致动器移动臂或在一些较旧的设计中移动步进电机。早期的硬盘驱动器以每秒一些恒定位写入数据,导致所有轨道每个轨道具有相同数量的数据,但现代驱动器(自20世纪90年代以来)使用区域位记录 - 增加从内部区域到外部区域的写入速度,从而存储外部区域中每个轨道的更多数据。在现代驱动器中,磁性区域的小尺寸会产生由于热效应而导致磁性状态可能丢失的危险.⁠–热致磁不稳定性,通常称为“ 超顺磁极限 ”。为了解决这个问题,盘片涂有两个平行的磁性层,由非磁性元素钌的三原子层隔开,两层以相反的方向磁化,从而相互增强。用于克服热效应以允许更大记录密度的另一种技术是垂直记录,首次出货于2005年,并且截至2007年在某些机械硬盘中使用。2004年,引入了一种新概念,以进一步提高磁记录中的数据密度:使用由耦合的软磁层和硬磁层组成的记录介质。所谓的交换弹簧介质磁存储技术,也称为交换耦合复合介质,由于软层的写辅助性质而允许良好的可写性。然而,热稳定性仅由最硬的层决定,而不受软层的影响。

组件

典型的HDD有两个电动机; 一个旋转磁盘的主轴电机和一个将读/写磁头组件放在旋转磁盘上的执行器(电机)。盘式电动机具有连接到盘的外转子; 定子绕组固定到位。与头部支撑臂末端的致动器相对的是读写头; 薄的印刷电路电缆将读写头连接到安装在致动器枢轴上的放大器电子设备。头部支撑臂非常轻,但也很僵硬; 在现代驾驶中,头部的加速度达到550 克。该 执行器是永磁体和动圈式电动机,可将磁头摆动到所需位置。金属板支撑蹲下的钕 - 铁 - 硼(NIB)高磁通量磁铁。在这个板下面是动圈,通常被称为音圈,类似于扬声器中的线圈,它连接到执行器轮毂,下面是第二个NIB磁铁,安装在电机的底板上(一些驱动器只有一个磁铁)。音圈本身的形状非常像箭头,由双重涂层的铜磁线制成。内层是绝缘的,外层是热塑性的,在将线圈缠绕在一个模板上之后将线圈粘合在一起,使其自支撑。沿着箭头的两侧(指向致动器轴承中心)的线圈部分然后与固定磁铁的磁场相互作用。沿箭头的一侧径向向外流动而另一侧径向向内流动的电流产生切向力。如果磁场是均匀的,则每一侧都会产生相反的力,这些力会相互抵消。因此,磁铁的表面是半北极和半南极,径向分界线位于中间,使得线圈的两侧看到相反的磁场并产生增加而不是抵消的力。沿线圈顶部和底部的电流产生不旋转头部的径向力。HDD的电子设备控制执行器的运动和磁盘的旋转,并根据磁盘控制器的要求执行读写操作。驱动电子设备的反馈通过专用于伺服反馈的磁盘的特殊段来实现。这些是完整的同心圆(在专用伺服技术的情况下),或散布有实际数据的段(在嵌入式伺服技术的情况下)。伺服反馈通过调节致动臂的音圈来优化GMR传感器的信噪比。磁盘的旋转也使用伺服电机。现代磁盘固件能够在盘片表面上有效地调度读取和写入,并重新映射失败的媒体扇区。

错误和处理

现代驱动器广泛使用纠错码(ECC),尤其是Reed-Solomon纠错码。这些技术为每个数据块存储由数学公式确定的额外位; 额外的位允许无形地纠正许多错误。额外的位本身占用了HDD的空间,但允许使用更高的记录密度而不会导致无法纠正的错误,从而导致更大的存储容量。例如,一个典型的1个 TB硬盘512字节扇区提供约93的额外容量 GB的ECC数据。在最新的驱动器中,截至2009年,低密度奇偶校验码(LDPC)取代了里德 - 所罗门; LDPC码使性能接近香农极限,从而提供最高的存储密度。典型的硬盘驱动器试图“重新映射”物理扇区中的数据,该物理扇区未能通过驱动器的“备用扇区池”(也称为“备用池”)提供的备用物理扇区,同时依赖于ECC恢复存储的数据,同时坏扇区中的错误数量仍然足够低。该SMART(自我监测,分析和报告技术)功能计数(虽然不是所有硬盘上的相关SMART属性“硬件ECC恢复”和“软ECC校正”是通过ECC固定在整个硬盘错误总数因为许多这样的错误的发生可以预测HDD故障,所以不一致地支持)和执行的扇区重映射的总数。

固态硬盘

固态硬盘或固态驱动器(英语:Solid-state drive或Solid-state disk,简称 SSD),是一种主要以闪存(NAND Flash)作为永久性存储器的计算机存储设备,此处固态主要相对于以机械臂带动磁头转动实现读写操作的磁盘而言,NAND 或者其他固态存储以电位高低或者相位状态的不同记录 0 和 1。

固态硬盘采用 SATA-III、PCIe x8 或者 mSATA、M.2、ZIF、IDE、U.2、CF、CFast 等接口。但由于价格及存储空间与机械硬盘有巨大差距,固态硬盘当前仍无法完全取代机械式硬盘。

分类

易失性存储器

用 DIMM 存储器制成固态硬盘

由易失性存储器制成的固态硬盘主要用于临时性存储。因为这类存储器需要靠外界电力维持其记忆,所以由此制成的固态硬盘还需要配合电池才能使用。易失性存储器,例如 SDRAM,具有访问速度快的特点。利用这一特点,可以将需要运行的程序从传统硬盘复制到易失性存储器中,然后再交由计算机运行,这样可以避免由于传统硬盘的引导延迟、搜索延迟等对程序以及系统造成的影响。

由易失性存储器制成的固态硬盘通常会依靠电池来保证完成应急备份:当电源意外中断时,靠电池驱动的这类固态硬盘可以有足够的时间将数据转移到传统硬盘中。当电力恢复后,再从传统硬盘中恢复数据。

非易失性存储器

非易失性存储器的数据访问速度介于易失性存储器和传统硬盘之间。和易失性存储器相比,非易失性存储器一经写入数据,就不需要外界电力来维持其记忆。因此更适于作为传统硬盘的替代品。

闪存当中的 NAND Flash 是最常见的非易失性存储器。小容量的 NAND 闪存可被制作成带有USB接口的移动存储设备,亦即人们常说的“U盘”。随着生产成本的下降,将多个大容量闪存模块集成在一起,制成以闪存为存储介质的固态硬盘已经是当前的趋势。

当前用来生产固态硬盘的 NAND Flash 有四种,分别是单层式存储(SLC)、多层式存储(MLC,通常用来指称双层式存储)、三层式存储(TLC)、四层式存储(QLC)。有些厂商亦称TLC为3-bit MLC。SLC、MLC、TLC 的读写速度依序从快至慢(约 4:2:1),使用寿命依序从长至短(约 6:3:2),成本依序从高至低,需要纠错比特数(ECC)则是相反地从低至高(同一制程下 1:2:4。不过 ECC 也受制程的影响,同一种芯片,越小尺度的制程需要越多的纠错比特)。固态硬盘的主流从 SLC 芯片转到 MLC 芯片,促成了2011年的大降价,固态硬盘因此普及。

由于 SLC 的速度较快但成本过高,用于服务器的企业级 SSD 都改用了 MLC。TLC 虽然速度较慢但因成本低,原本只用来做 U 盘;不过 2012 下半年,SAMSUNG 首先推出使用 TLC 的消费级固态硬盘(型号 840 系列),固态硬盘名牌 Plextor 也打算于2013年量产 TLC 产品作为低级廉价市场的主力,然而 TLC 的寿命、速度和可靠性(错误率)成为消费者的最大疑虑(见下文:缺点)。生产商会在 TLC SSD 使用更先进的主控及更多预留空间(OP)来处理这些问题。

3-bit的TLC错误率较高,需要使用先进的主控及大量的空间进行纠错。4-bit的 QLC 错误率则更高,因而寿命更短。三星已量产两代 3D 垂直闪存,利用 3D 堆栈增加存储密度。东芝已于2017年发布 QLC(四比特单元)BiCS 架构的 3D NAND 闪存芯片。

形式

固态硬盘大部分被制作成与传统硬盘相同的外壳尺寸,例如常见的 1.8 吋、2.5 吋或 3.5 吋规格,并采用了相互兼容的接口;但有些固态硬盘也使用 PCI Express或是Express Card 作为接口来突破现有硬盘传输接口的速度,或是在有限空间(如上网本、超级移动计算机等)中置放固态硬盘。

mSATA 是历史首个为专为固态硬盘而生的硬盘接口,依托于原有 mini PCIE 接口的物理层承载 SATA 协议,成功将固态硬盘小型化。 M.2,即 NGFF(Next Generation Form Factor)接口。根据长宽尺寸的不同,M.2 预设了 1620、2230、2242、2260、2280 等多种规格。 SATA协议:采用AHCI规范,其已经成为制约 SSD 速度的瓶颈。AHCI 只有 1 个命令队列,支持 32 个命令并发。但是 SATA 的队列深度为 1,不支持异步 IO 模式; PCIE 3.0 X2通道、PCIE 3.0 X4 通道。NVMe(NVM Express)目标是替换掉 SATA 接口。NVMe 可以有 65535 个队列,每个队列都可以深达 65536 个命令。NVMe 也充分使用了 MSI 的 2048 个中断向量优势,延迟大大减小。M.2 实际上是一种 SATAe 的一种特殊形式,它也同时支持 AHCI 和 NVMe 两种协议栈。

优点

和机械硬盘相比读写速度远远胜出,这也是其最主要的功能,还具有低功耗、无噪音、抗震动、低热量的特点,这些特点可以延长靠电池供电的计算机设备运转时间。

例如三星电子于 2006 年 3 月推出的容量为 32GB 的固态硬盘,采用和传统微硬盘相同的 1.8 吋规格。其耗电量只有常规硬盘的 5%,写入速度是传统硬盘的 1.5 倍,读取速度是传统硬盘的 3 倍,并且没有任何噪音。

在 2007 年台北国际计算机展览会中,闪迪公司发表64GB与32GB的固态硬盘,并有 2.5吋、SATA 接口与 1.8 吋、UATA 接口两种规格。OCZ Technology现场展出的固态硬盘分为 2.5 吋与 1.8 吋两种,其中 2.5 吋采用 SATA 接口最大容量可达 128GB;1.8 吋机种则是采用 IDE 接口,最大容量可达 64GB,可分别使用在笔记本电脑与更小的 UMPC 上,用来取代传统的硬盘。OCZ 的 2.5 吋固态硬盘 OCTANE,容量已达到 1TB。

三星 2015 在闪存高峰会(Flash Memory Summit)上发表容量高达 16TB 的 2.5 吋固态硬盘 PM1633a(V-NAND),其存储容量甚至高过于传统硬盘。固态硬盘的表现与传统硬盘互有胜负,一般在容量、速度、价钱、性价比等作出比较。最初的固态硬盘容量少、价钱高,性价比远不及传统的机械式硬盘。但随着固态硬盘的不断发展,固态硬盘的容量已有实用性,价钱明显下滑之下,已为传统硬盘市场制造危机。

2018 年,Memblaze 公司发布的 PBlaze5 910/916 系列 NVMe SSD 可以达到 6GB/s 读取带宽及 100 万 IOPS,采用 PCIe 接口及 NVMe 协议标准。

缺点

当前固态硬盘的五大缺点:高昂成本、写入次数、读取干扰、损坏时的不可挽救性及降速。

  • 价格高

固态硬盘上市之初价格非常高昂,只用于军事及工业用途上;无论是易失性存储器还是非易失性存储器,其每百万字节(MB)成本都远高于传统硬盘。因此只有小容量的固态硬盘的价格能够被大多数人所承受。当消费级传统硬盘2012年已经来到 2T 甚至 5T 时,相当价位的固态硬盘只有 128G 或 256G 为主流,因为再大的 SSD 其价格已经超出家用者的容忍度。

不过技术更新随着 NAND Flash 的 19nm 制程于2012年初进入量产,使得能够在同样大小的闪存空间内塞入倍增的容量;随着 NAND Flash 从 SLC 架构到 MLC,到最近开始改用 TLC;这两项技术都进一步降低每百万字节的成本。

随着价格逐渐降低,固态硬盘已经广泛使用在一般的笔记本电脑上做为主系统碟。预计 2018 年有过半笔记本电脑搭配固态硬盘出厂。而由于价格与存储空间之比和机械硬盘仍有较大差距,固态硬盘短时间内依旧无法在容量用途上取代机械硬盘,更多人的计算机上处于两者并存的状态。对于台式机及大型笔记本电脑的用户来说,使用两台硬盘是成本效益比最佳的方法:小容量 SSD 安装操作系统及常用数据,大容量机械碟安装其余数据。但是对于薄型笔记本电脑、Ultra book 及平板电脑的用户来说,SSD 的高成本仍是问题:容量够大的 SSD 很贵,而且更紧凑的计算机通常无法自行更换 SSD 而需专业拆机。

  • 损坏时不可挽救

固态硬盘数据损坏后是难以修复救回数据的。当负责存储数据的闪存颗粒出现毁损时,以现在的数据修复技术很难在损坏的半导体芯片中救回数据,相反传统机械硬盘还能通过扇区恢复技术挽回许多数据,当然机械硬盘的数据救回服务收费极度高昂,通常只有企业在挽救重要价值数据时会使用。

虽然逐渐有厂商开发SSD轻度损坏时的救援方法,但传统的多存储介质备份习惯还是万全之法,不论是机械碟或 SSD 只要无备份习惯都将承受数据损失的风险。

  • 写入次数寿命

寿命方面,由于闪存上每一个电闸都有一定的写入次数限制,寿命结束后会无法写入变成只读状态;而且随着使用的闪存从 SLC 架构到 MLC、TLC,若电闸的质量不变,理论上电闸寿命呈现 6:3:2 的衰退(因为其原理是在同一个电闸上记录1、2或3个比特,记录越多比特,被写入的机会就越高),因此成为大众接受固态硬盘的另一个障碍。

不过,随着固态硬盘主控芯片的改进,能将写入地址依照电闸使用率更平均地分散,使只读状态不会太快到来;而固态硬盘容量的增大也有助于拉低电闸平均使用率,因为一般使用习惯上,会经常改写的文件只占全部数据的一小部分。优秀的厂商通常会用软件算法进一步延长一倍以上的寿命,使固态硬盘能经历极大量使用,甚至比计算机其它硬件还长久耐用,给予用户足够的缓冲时间将数据转移和备份。而最新的 3D-nand 技术则可以在降低成本、增加容量的同时避免写入次数过低。在 2015 年技术制造的 SSD 实测中,即使每天写入 100GB 数据到固态硬盘上也要连续 19 年才会耗尽其寿命,所以物理寿命问题已经远离一般家用用户的领域。

  • 静置时数据消失

JEDEC 固态技术协会主席 Alvin Cox 于 2015 年的一份报告中探讨 SSD 长期不使用静置时数据的消失特性,时间长短与气温有相关性,根据英特尔(Intel)所提供的温度与数据保存的研究报告显示只要存放温度提高 5 度,数据保存时间就会缩短一半。在消费级 SSD 的标准状况下,于 40 度的运作温度中写入数据后于 30 度的温度下静置不通电可保存数据 52 周,大约相当于一年时间。温度越高时保存时间短,实验运行到 55 度气温的保存情境下,而一般人几乎不会遇到此温度。

事实上就较少使用的“冷数据”存储来说,SSD 原本就不匹配存储容量效益,一般的大量数据归档保存,还是以机械硬盘驱动器较为适当。同时较新的 MLC 型 SSD 已经大幅改善这问题,而基本之道还是尽量将 SSD 多多使用,作为随身硬盘时也经常接入使其通电,避免长期静置。

  • 读取干扰现象

读取干扰是容易发生的问题,闪存随着多次的读取,会导致在同一区块中相近的记忆单元内容改变(变成写入动作)。这即是所谓的读取干扰。会导致读取干扰现象的读取次数门槛介于区块被抹除间,通常为 10 万次。假如连续从一个记忆单元读取,此记忆单元将不会受损,而受损却是接下来被读取的周围记忆单元。

为避免读取干扰问题,闪存控制器通常会计算从上次抹除动作后的区块读取动作总次数。当计数值超过所设置的目标值门槛时,受影响的区块会被复制到一个新的区块,然后将原区块抹除后释放到区块回收区中。原区块在抹除动作后就会像新的一样。若是闪存控制器没有即时介入时读取干扰错误就会发生,如果错误太多而无法被 ECC 机制修复时就会伴随着可能的数据丢失。当前此物理现象问题透过 SSD 上控制芯片的算法解决。

  • 掉速

SSD 的另一个问题是掉速,SSD 的速度会随着写入次数而降低,若 SSD 接近装满时速度也会下降,所以使用 SSD 时尽量让其保留一定的空闲空间较好,是用户必须改变的使用习惯。同时厂商设计上会通过 OP(预留空间)、磨损均衡等等技术来解决。

原因包括耗损平均技术的副作用、控制芯片及固件的优劣等。当前较佳的解决方案是 Secure Erase 会略微缩短 SSD 寿命,不过在出现掉速时 SSD 的剩余寿命还很长,及提高更换频率。在量产之前TLC架构的速度相较于SLC和MLC产品,原本也是令人质疑的,因为理论上随着每一电闸记录比特数的增加,判读和写入的速度在相同的准确度之下都必然更缓慢。不过正式量产之后,TLC 固态硬盘的读写速度甚至略高于同容量 MLC 的最高速产品,这归功于主控芯片的进步以及多通道的使用。

产品设计

需求分析

目标界定

总体结构设计

详细结构设计

参数设计

设计实施

生产流程

原材料

主料

辅料

可选原料

生产线分工

资产与负债

资产

固定资产

非固定资产

负债

库存

设计和规划

位置与环境

投资与评估

规模与功能

风格与形式

成本

税费

金融成本

原材料成本

房租成本

能耗成本

人工成本

设备折旧

收益管理

客流曲线

时间分布

空间分布

目标群体

容量控制

风险控制

市场

硬盘生产企业主要有希捷、日立、三星、西数(西部数据)WD

国内市场

产量

消费量

国际市场

产量

消费量

上市公司

硬盘生产企业主要有希捷、日立、三星、西数WD

标准

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文档

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评论(1)

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light_yakami 2019-08-25 11:46:21
一个建议,我感觉这个排版行间距过小,看起来有点过于拥挤
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