焱融全闪系列科普｜固态存储核心技术 SSD

在近期的文章分享中

我们看到全闪存储是未来存储的主流趋势

焱融追光 F8000X 全闪文件存储

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为帮助大家更清晰的理解全闪的前沿应用

我们将定期分享全闪相关的系列科普

从零开始逐步揭开未来存储的神秘面纱

焱融全闪文件存储采用全 NVMe SSD、InfiniBand 高速网络，支持 RDMA，以保证极高的性能充分释放数据潜力。那么问题来了🤔️，你知道什么是 SSD 么？

SSD （Solid State Drive），即固态硬盘，通常是一种以半导体闪存（NAND Flash）作为介质的存储设备。SSD 以半导体作为介质存储数据，用纯电子电路实现，没有任何机械设备，这也是和传统机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD）最主要的区别。

我们生活在数据大爆炸的时代，发朋友圈、写博客、在社交网站上传图片和分享视频、或是备份信息在网盘等，这些数据无论是云端存储还是本地存储，有数据的地方就会有存储介质。传统的数据存储介质有磁带、光盘、更多的是硬盘 HDD。随着数据呈现爆炸式增长，对数据存储介质在速度和容量上有了更高的要求，固态硬盘 SSD 由此诞生。

一张图看懂 SSD 存储介质的分类

目前主流的 SSD 使用闪存（Flash）作为存储介质。Flash 技术分为 NAND Flash 和 NOR Flash 两种。NOR Flash 传输效率很高，但写入和擦除速度很慢，容量也较小，一般为 1Mb-2Gb，常用于保存代码和关键数据。而 NAND Flash 能提供极高的单元密度，可达到高存储密度，适用于大量数据的存储。NAND Flash 具有写入、擦除速度快、存储密度高、容量大的特点，也因此迅速成为了 Flash 主流技术。除了 NAND Flash，现在还有 3D XPoint 等新型的 SSD 存储介质，比如：傲腾 SSD 等。NAND Flash SSD 的立体制程经历了从 2D NAND 发展到了 4D NAND 的大发展，趋势是硅片单位面积能设计生产出更多的比特（bit），使得每 GB 成本更低。按存储单元密度来分，NAND Flash 可分为 SLC、MLC、TLC、QLC 等，对应 1 个存储单元分别可存放 1、2、3、4bit 的数据。目前 NAND Flash 主要以 TLC 为主，不过 QLC 的比重正在逐步提高，很多知名存储厂商都推出了基于 QLC SSD 的全闪存储产品。

说了这么多，SSD 长啥样呢？

SSD 的基本结构组成 SSD 是用固态电子存储芯片阵列组成的硬盘，所以构造比较简单，主要部件为：控制器和存储芯片。如果进一步细分 SSD 硬件组成包括：主控、闪存、缓存芯片、PCB（电源、电阻、电容等）、接口（SATA、SAS、PCIe 等），整体形态就是一块 PCB，如上图所示。而软件部分指的是 SSD 内部运行的固件（Firmware），主要负责调度数据从接口端到闪存介质端的读写，还包括闪存介质的寿命和可靠性管理调度算法。

总结来说：控制器、闪存颗粒和固件是 SSD 的三大技术核心。说到这里，我们来看下市面上的 HDD 产品跟 SSD 产品有什么不同？

SSD 与 HDD 产品差异

传统的 HDD 是“马达+磁头+磁盘”的机械结构，而 SSD 则是“闪存介质+主控”的纯半导体芯片存储结构，两者在数据存储介质和读写方式上有着本质区别，这也使得它们在性能、功耗、抗震、噪声、外形等方面也产生了巨大的差异。

性能对比

毫无疑问，无论是用户主观体验上还是实际测试数据，SSD 在性能方面都可以完全碾压 HDD。尤其是随机读写的性能（IOPS 和延迟），二者的差距可达上千倍。

下表列举了各类主流 SSD 和 HDD 的性能数据对比：

功耗对比

关于功耗，业界定义可以分为峰值功耗（Peak Power）、读写功耗（Active Power）、睡眠功耗（Sleep Power）这几类。HDD 与 SSD 的功耗如下表所示：

工作功耗 HDD 约为 6~8W ，SATA SSD 约为 5W，待机功耗 SSD 可以降低到毫瓦（mW）级别。首先，从 SSD 功耗占比来看，读写功耗主要消耗在闪存上。其次，影响读写功耗的是主控功耗，大约占总功耗的 20%。由于 SSD 具有极高的性能，较比 HDD 来说，相当于单位功耗产生了成百上千倍的性能，所以从这个角度来说 SSD 是属于低功耗的产品。

可靠性对比

HDD 是机械结构，磁头和磁片在发生跌落时接触碰撞会产生物理损坏，而 SSD 内部不存在任何机械部件，因此相比 HDD 更加抗震和可靠。

另外，SSD 由于结构上没有马达的高速运转，所以工作状态会比 HDD 更加安静。从外形上看 HDD 一般是 3.5 寸和 2.5 寸两种形态，而 SSD 除此之外还有更加小巧的 M.2 形态。

综上所述，目前 HDD 和 SSD 在各个维度的对比之后可以发现只有价格优势。但随着闪存价格的不断降低，有机构预测称在未来 5-7 年内，SSD 的价格有可能和 HDD 重合。SSD 在大数据时代会成为闪亮的主角，那么使用 SSD 产品的一些接口都有哪些？

一张图 Get ✅ SSD 接口形态

厂商和标准化组织定义了 SSD 接口形态和尺寸（SSD Form Factor），在不同应用场景下 SSD 的 Form Factor 是不同的。常见的 SSD 接口有 2.5 寸 SATA 接口、mSATA 接口、M.2 接口、PCI-E AIC、U.2 接口等。

- SATA 接口和电器标准都比较成熟，也是目前大量出货的 SSD。包括消费类和企业级产品，其中消费类产品以 SATA M.2 为主，企业级产品以 SATA 2.5 寸为主。

- mSATA 与标准的 SATA 相比体积大为缩小，主要应用于消费级笔记本领域。但随着 M.2 的出现，基本上取代了 mSATA 产品。

- M.2 是为超级本量身定制的新一代接口标准，主要用来取代 mSATA 接口，具有体积小巧，性能好等特点。企业级的服务器通常内置 M.2 接口，常用于安装操作系统。

- PCIe SSD 最开始起步于 AIC （Add IN Card），采用主板上插卡的形式，后演变到现在又加入了 M.2 和 U.2 形态。消费级 PCIe SSD 主流是 M.2 形态，而企业级 PCIe SSD 目前主流是 U.2 的形态。

- U.2 俗称 SFF-8639，采用非 AIC 的形式，而是以 2.5 寸盘的形式存在。其开发目的也是统一 SAS、SATA 和 PCIe 三种接口。目前 U.2 NVMe SSD 是企业级全闪存储主流的存储介质。

企业级用户除了关注 SSD 的性能参数以外，还会关注它的使用寿命和可靠性。那么以下几个指标可以为企业评估带来一定的参考。

SSD 使用寿命与可靠性如何？

尤其是企业级用户除了会关注 SSD 的性能参数外，还会关心它的使用寿命和可靠性。

衡量 SSD 寿命有两个主要的指标：

- DWPD（Drive Writes Per Day），即在 SSD 保质期内，用户每天可以把硬盘写满多少次。比如 DWPD 是 1，指的是每天满盘写入 1 次 ，以此类推。从应用角度出发，多数应用读多写少，少数应用写多读少，应用不同，对 SSD 的寿命要求也就不同。所以根据应用负载模式又将 SSD 分为读密集型（Read Intensive）和写密集型（Write Intensive）两种。一般来说，DWPD 越高对应硬盘的单价也就越高，需要用户根据实际应用选择。

- TBW（Terabytes Written），在 SSD 的生命周期内可以写入的总的字节数。

SSD 还有几个衡量其可靠性的指标：

- UBER：Uncorrectable Bit Error Rate，即：不可修复的错误比特率。该指标描述的是出现数据错误的概率，这个值是越小越好。

- RBER：Raw Bit Error Rate，即：原始错误比特率，该指标反映的是闪存的质量。所有的 SSD 出厂的时候都会有一个 RBER 指标，企业级 SSD 和消费级 SSD 这个指标是不同的。影响 UBER 最核心的因素就是 RBER，后者越低，前者就越低。

- MTBF：Mean Time Between Failure，平均故障间隔时间。该指标反映的是产品的无故障连续运行时间，也是衡量产品可靠性的重要指标。

以上就是本期关于 SSD 最基本内容，通过性能、功耗、可靠性几个维度理解 SSD 与 HDD 产品最大的不同。作为专门为 SSD 开发的软件存储协议， NVMe 正在快速占领 SSD 市场。那么，下期我们将继续分享焱融全闪文件存储采用全 NVMe 协议的 SSD 背后的逻辑。