固態(tài)盤技術(shù)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(chǔ)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(chǎn)品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。由于固態(tài)硬盤沒(méi)有普通硬盤的旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，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(yīng)用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空等、導(dǎo)航設(shè)備等領(lǐng)域。

SSD工作原理

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

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

簡(jiǎn)單的說(shuō)，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(méi)有電了，狀態(tài)也會(huì)維持住，因此對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)說(shuō)是非常理想的。

編程閃存是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。該控制器將電壓施于門（或通道）上，允許一些電子穿過(guò)并檢查單元的臨界電壓。當(dāng)臨界電壓已達(dá)到一些預(yù)定的值時(shí)，就開(kāi)始編程并儲(chǔ)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：?jiǎn)渭?jí)單元（SLC）和多級(jí)單元（MLC）。兩者之間的差額是每單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，SLC每單元存儲(chǔ)1比特而MLC每單元存儲(chǔ)2比特。關(guān)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(jià)格下，MLC可以有兩倍容量的效果。

英特爾的SLC和MLC閃存實(shí)際上使用了相同的晶體管，不同之處在于怎樣讀/寫(xiě)這兩個(gè)閃存。SLC只有兩個(gè)電壓符，因?yàn)樗挥袃蓚€(gè)狀態(tài)（0或1）。MLC卻有四個(gè)狀態(tài)（00，01，10 ，11），因此需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)訪問(wèn)，因?yàn)槟悴幌胍馔鈱?xiě)入錯(cuò)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(gè)關(guān)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(fèi)兩倍長(zhǎng)的時(shí)間，寫(xiě)入性能需花費(fèi)四倍長(zhǎng)的時(shí)間。如果您以前聽(tīng)說(shuō)過(guò)有人抱怨MLC寫(xiě)入速度，這就是部分原因。不過(guò)一定要記住，我們?cè)谶@里談?wù)摰倪@些數(shù)字低得離譜——甚至900微秒寫(xiě)入MLC閃存的速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)向普通機(jī)械硬盤的寫(xiě)入速度。

SLC的最大優(yōu)勢(shì)不在于它的性能好而在于它的使用壽命長(zhǎng)。要了解閃存的耐用性，我們首先需要看看存儲(chǔ)設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造。

閃存層次和數(shù)據(jù)丟失

我們已經(jīng)證實(shí)了一個(gè)閃存單元可以儲(chǔ)存一個(gè)還是兩個(gè)比特取決于它是SLC還是MLC設(shè)備。把一群?jiǎn)卧奂揭黄穑偷玫搅艘粋€(gè)page。page是您可以編程（寫(xiě)入）NAND閃存裝置最小的結(jié)構(gòu)。

大部分MLC NAND閃存的每一page是4KB。一個(gè)block是由許多page組成的，在英特爾的MLC SSD中一個(gè)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(jié)構(gòu)。

因此，當(dāng)您寫(xiě)入SSD時(shí)，您一次可寫(xiě)入4KB數(shù)據(jù)；但是當(dāng)您從SSD擦除數(shù)據(jù)時(shí)，您一次不得不刪除512KB。過(guò)會(huì)兒，我會(huì)進(jìn)一步探討這個(gè)問(wèn)題，但現(xiàn)在讓我們看看當(dāng)您從一個(gè)SSD刪除數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)生什么事情。

無(wú)論何時(shí)您將數(shù)據(jù)寫(xiě)入閃存，我們都會(huì)反復(fù)經(jīng)歷同樣的編程過(guò)程。創(chuàng)建一個(gè)電場(chǎng)，電子穿過(guò)氧化物并儲(chǔ)存電荷。擦除數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致同樣的事情發(fā)生，但卻向著相反的方向。問(wèn)題是電子穿過(guò)氧化物的次數(shù)越多，就會(huì)變的越弱，最終將電壓也不能再阻止電子的自由活動(dòng)了。這時(shí)候，SSD的這個(gè)單元就發(fā)生故障了。

大約經(jīng)過(guò)一萬(wàn)次擦除/編程周期后，MLC閃存才會(huì)最終出現(xiàn)那個(gè)問(wèn)題。而SLC可使用十萬(wàn)次，這得益于它的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。

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

此外需要注意的是，因?yàn)镾SD沒(méi)有擦除block這個(gè)概念，唯一擦除block的時(shí)候就是寫(xiě)入新數(shù)據(jù)的時(shí)候。如果您刪除Windows里的一個(gè)文件而沒(méi)有創(chuàng)建新的文件，SSD實(shí)際上并沒(méi)有從閃存中移走這個(gè)數(shù)據(jù)，除非您準(zhǔn)備好寫(xiě)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(lái)。您在page上編程，在block上擦除數(shù)據(jù)。假設(shè)您保存了一個(gè)8KB的文件，之后決定要?jiǎng)h除它，這可能是您寫(xiě)給自己的簡(jiǎn)單便條，表示您不再需要了。

您保存該文件時(shí)，它會(huì)以2 pages的形式保存在閃存記憶體中；您將其刪除時(shí)，SSD會(huì)標(biāo)記pages為無(wú)效，但實(shí)際上并不會(huì)刪除該block。SSD將等到block中一定比例的pages被標(biāo)記為無(wú)效時(shí)，才會(huì)復(fù)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(gè)block擦除的次數(shù)，從而延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器壽命。

但是并非所有的SSD都采用同樣的方式來(lái)處理刪除請(qǐng)求，因此，從硬盤原理上來(lái)說(shuō)，如何處理刪除請(qǐng)求對(duì)SSD安全性產(chǎn)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(shè)計(jì)者如何通過(guò)編程和算法來(lái)保證SSD的性能和安全性，下文我們將詳細(xì)闡述Intel X-25M SSD硬盤如何應(yīng)付數(shù)據(jù)丟失。