固態(tài)盤技術探秘 SLC與MLC的區(qū)別

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固態(tài)硬盤（Solid State Disk或Solid State Drive），也稱作電子硬盤或者固態(tài)電子盤，是由控制單元和固態(tài)存儲單元（DRAM或FLASH芯片）組成的硬盤。

固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同，在產品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。由于固態(tài)硬盤沒有普通硬盤的旋轉介質，因而抗震性極佳。其芯片的工作溫度范圍很寬（-40~85攝氏度）。目前廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡監(jiān)控、網(wǎng)絡終端、電力、醫(yī)療、航空等、導航設備等領域。

SSD工作原理

下面是一個關于NAND閃盤的原理塔圖。從下圖我們可以看到，每一個“單元”就是由一個這樣的晶體管組成的。

通道將數(shù)據(jù)寫入單元；將足夠高的電壓加于兩端，創(chuàng)造一個足夠強大的電場，電子將穿透氧化物進入浮動門。消除電壓，電子將繼續(xù)停留在浮動門。將電壓穿越通道而不施加到門上，扭轉偏壓，電子將向另一個方向移動。

簡單的說，這就是閃盤的工作原理-你有兩種狀態(tài)，0和1，即使單元沒有電了，狀態(tài)也會維持住，因此對存儲設備來說是非常理想的。

編程閃存是一個反復的過程。該控制器將電壓施于門（或通道）上，允許一些電子穿過并檢查單元的臨界電壓。當臨界電壓已達到一些預定的值時，就開始編程并儲存數(shù)據(jù)了。

MLC與SLC的區(qū)別

目前SSD硬盤使用兩種形式的NAND閃存：單級單元（SLC）和多級單元（MLC）。兩者之間的差額是每單元存儲的數(shù)據(jù)量，SLC每單元存儲1比特而MLC每單元存儲2比特。關鍵在于，SLC和MLC占據(jù)了相同大小的芯片面積。因此，在同樣的價格下，MLC可以有兩倍容量的效果。

英特爾的SLC和MLC閃存實際上使用了相同的晶體管，不同之處在于怎樣讀/寫這兩個閃存。SLC只有兩個電壓符，因為它只有兩個狀態(tài)（0或1）。MLC卻有四個狀態(tài)（00，01，10 ，11），因此需要花費較長的時間來訪問，因為你不想意外寫入錯誤的數(shù)據(jù)；您已有了相同的最大、最小電壓，您現(xiàn)在僅僅有它們兩者之間更多的刻度：

下面是一個關于SLC和MLC性能基本數(shù)據(jù)的表格：

SLC和MLC的擦除性能是一樣的，MLC閃存的讀取性能需花費兩倍長的時間，寫入性能需花費四倍長的時間。如果您以前聽說過有人抱怨MLC寫入速度，這就是部分原因。不過一定要記住，我們在這里談論的這些數(shù)字低得離譜——甚至900微秒寫入MLC閃存的速度都遠遠超過向普通機械硬盤的寫入速度。

SLC的最大優(yōu)勢不在于它的性能好而在于它的使用壽命長。要了解閃存的耐用性，我們首先需要看看存儲設備的內部構造。

閃存層次和數(shù)據(jù)丟失

我們已經(jīng)證實了一個閃存單元可以儲存一個還是兩個比特取決于它是SLC還是MLC設備。把一群單元聚集到一起，就得到了一個page。page是您可以編程（寫入）NAND閃存裝置最小的結構。

大部分MLC NAND閃存的每一page是4KB。一個block是由許多page組成的，在英特爾的MLC SSD中一個block包含128 pages（128 pages x 4KB/page = 512KB/block = 0.5MB。Block是您可以擦除得最小結構。

因此，當您寫入SSD時，您一次可寫入4KB數(shù)據(jù)；但是當您從SSD擦除數(shù)據(jù)時，您一次不得不刪除512KB。過會兒，我會進一步探討這個問題，但現(xiàn)在讓我們看看當您從一個SSD刪除數(shù)據(jù)時會發(fā)生什么事情。

無論何時您將數(shù)據(jù)寫入閃存，我們都會反復經(jīng)歷同樣的編程過程。創(chuàng)建一個電場，電子穿過氧化物并儲存電荷。擦除數(shù)據(jù)會導致同樣的事情發(fā)生，但卻向著相反的方向。問題是電子穿過氧化物的次數(shù)越多，就會變的越弱，最終將電壓也不能再阻止電子的自由活動了。這時候，SSD的這個單元就發(fā)生故障了。

大約經(jīng)過一萬次擦除/編程周期后，MLC閃存才會最終出現(xiàn)那個問題。而SLC可使用十萬次，這得益于它的簡單設計。

由于壽命有限，所以SSD必須非常小心地選擇擦除/編程每個單元的時間和方式。請注意，您可以從一個單元里讀取數(shù)據(jù)，多少次都行，這并不減少單元存儲數(shù)據(jù)的能力。只有擦除/編程周期才會降低了壽命。

此外需要注意的是，因為SSD沒有擦除block這個概念，唯一擦除block的時候就是寫入新數(shù)據(jù)的時候。如果您刪除Windows里的一個文件而沒有創(chuàng)建新的文件，SSD實際上并沒有從閃存中移走這個數(shù)據(jù)，除非您準備好寫入新的數(shù)據(jù)。

SSD如何保證使用壽命

現(xiàn)在回到編程和擦除SSD數(shù)據(jù)之間方式的差異上來。您在page上編程，在block上擦除數(shù)據(jù)。假設您保存了一個8KB的文件，之后決定要刪除它，這可能是您寫給自己的簡單便條，表示您不再需要了。

您保存該文件時，它會以2 pages的形式保存在閃存記憶體中；您將其刪除時，SSD會標記pages為無效，但實際上并不會刪除該block。SSD將等到block中一定比例的pages被標記為無效時，才會復制一些有效的數(shù)據(jù)到新的pages里去并擦除該block。SSD這樣做是為了限制了每個block擦除的次數(shù)，從而延長驅動器壽命。

但是并非所有的SSD都采用同樣的方式來處理刪除請求，因此，從硬盤原理上來說，如何處理刪除請求對SSD安全性產生較大的影響。

我們已經(jīng)從概況的角度介紹了SLC SSD與MLC SSD的不同，并且闡述了一般SSD的設計者如何通過編程和算法來保證SSD的性能和安全性，下文我們將詳細闡述Intel X-25M SSD硬盤如何應付數(shù)據(jù)丟失。