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固態儲存
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固態儲存(Solid state storage),為一種資料儲存方式,其透過使用積體電路裝置來儲存資料,而非移動磁碟片光碟片

  • 固態儲存通常是非揮發性且具有多種面貌,例如固態硬碟機、固態卡或固態模組。
    • 固態儲存還有 PATA (舊型)、SATA、SAS、光纖通道或 PCIe

等數種介面。

  • 多媒體記憶卡(MMC),可攜式裝置的儲存,易於拆卸;
  • 安全數字卡(SD),非揮發性記憶卡,廣泛用於可攜式裝置;
  • 固態硬碟(SSD),各種層級中的裝置,用於電腦儲存;企業中所用的固態硬碟機為資料儲存設備,所採用的是不動快取記憶體技術,並非磁碟片或光碟片。
    • 固態硬碟機可相容於 SATA 或 SAS 等傳統硬碟機介面,並具備常見的 3.5 吋、2.5 吋或 1.8 吋等硬碟機尺寸規格。
  • 隨身碟(U-Disk),USB介面的可攜式行動裝置--USB 隨身碟與固態硬碟機兩者皆使用 NAND 快取記憶體。
    • 結構單純的 USB 隨身碟和企業級儲存設備所用的 NAND 品質 (以及相關控制器及介面) 卻大不相同,好比刀鋒型伺服器及外接式儲存系統中所用的規格。

固態儲存硬碟機(SSD)的優缺點

  • 優點部分:
  • SSD讀取速度快速的特性,也是源自於SSD本身的儲存機制,上述提到的黑色晶片分成兩種:
    • 一個是管理資料通路的控制晶片(Controller),通常只有一片焊接在電路板上;
    • 另一種則為存放資料的資料儲存晶片(NAND Flash Memory),通常數量為2的倍數個(2片、4片、8片…);
  • 若資料儲存晶片有兩顆,只要存入一個檔案,都會被Controller拆成兩個½的大小分別存入兩個NAND Flash Memory,依照NAND Flash Memory的數量以此類推;
    • 由於也是同時從多個NAND Flash Memory進行讀取,這種方式相較於HDD來說的確快上很多,但是整體條件這麼優越的SSD,背後還是有它固有的風險存在。
  • 請試著想像有一個大蛋糕(資料),倉庫內有八台小冰箱(資料儲存晶片),冷藏蛋糕的方式就是店員(主要控制晶片)會將蛋糕平均切成八等分再分別放到八台小冰箱內做存放,有客人要買一個完整的蛋糕時,店員再將八台冰箱內的蛋糕拼湊成完整的一個再將其賣出。

假設今天只要有一台冰箱故障,導致八等分的蛋糕其中一塊因此壞掉,固然無法賣出一個完整的蛋糕給客人,便是『SSD的隱憂』所在。

  • 缺點部分:
  • 為什麼大部分的使用者和網友,都會建議SSD單純用來跑程式就好,而不是建議拿來備份重要資料,只要有其中一塊資料儲存晶片發生問題,SSD內的所有資料會像連鎖效應一樣,全部都『無法挽回』。
  • 倘若這些資料剛好又是自己多年來的心血結晶,並非網路上就可以找到、隨處可見、擁有無法取代的重要性,也是回天乏術。
  • 這邊也建議各位,未來在任何儲存裝置的選擇和使用上,務必要再三考量自己的購買用途、使用方向。[1]

SSD快閃記憶體儲存方式與傳統硬碟不同

  • 吳晉賢解釋,因為SSD使用快閃記憶體來儲存資料,電路特性會產生三個傳統硬碟所沒有的限制,這也導致SSD和硬碟儲存方式的差異:
  • (一)資料不能重複寫入! 在快閃記憶體上最小的儲存空間稱為一個Cell,一個Cell可以儲存一個位元的資訊,可以是1或0,這就是所謂的SLC儲存方式(Single Bit per Cell)。
    • 若要寫入新資料,必須充電來清除這個Cell的電位資訊以後,才可以重新寫入。
    • 不像硬碟磁盤上記錄資料的磁性可以反覆改變,也就說可反覆將資料寫入磁盤上同一個位置,達到重複寫入。
  • 另一種快閃記憶體技術MLC(Multi-level Cell),也是一樣在一個Cell上用不同電位來儲存2個位元的資訊,同樣也有不能重複寫入的特性。
    • 這是硬碟和SSD儲存方式第一個不同點。
  • (二)快閃記憶體刪除資料的方法也和硬碟磁盤不同,必須採取「逐一寫入整批抹除」的作法。
  • SSD寫入資料時最小的單位是Page,一個Page依SSD採用的快閃記憶體而有不同,可以是2,048、4,096或8,192Bit等,每次可以寫入1個Page的資料。
    • 抹除資料時無法一次抹除1個Page的資料,而必須一整批Page同時抹除,這個整批抹除的單位就是Block,1個Block通常是64或128個Page,也可以更多如128或256。
    • 寫入時每次1個Page,抹除時則要每次1個Block; 因為每次最少要抹除1個Block,即使這個Block只有寫入了幾個Page的資料,SSD還是會一次抹除這個Block中所有Page的資料。
    • 因為必須採取整批寫入的方式,所以SSD的抹除速度會比讀取速度慢很多。
    • 若是要更新某一個Page資料的作法也相當繁複,必須先將整個Block中記錄的資訊取出,存放到快取記憶體中,再更新這段快取記憶體中的資料,最後再逐一將Page資料寫回這個Block中。
  • (三)最後一個特性是快閃記憶體寫入資料有次數限制,例如有的快閃記憶體的電路特性可以寫入10萬次。
    • 當一個區域寫入次數達到這個限制以後,就無法再寫入,成為壞死區域(Bad Sector)。為了延長SSD的使用壽命,就必須避免寫入集中在少數區域,讓寫入資料平均分配到每一個Cell上。
  • SSD底層的實際寫入機制和硬碟不同,但FTL會模擬出像硬碟一樣的檔案系統,讓作業系統用同樣控制硬碟的指令,來控制SSD的寫入。
  • FTL層會移動資料實際存放的位置,這會造成資料覆寫的效果和傳統硬碟不同。
  • 在傳統硬碟上,作業系統可以知道資料實際寫入的位置,若要覆蓋原來的資料,就在相同位置寫入資料。但是在SSD中,作業系統以為自己寫入相同位置的資料,但FTL層可能將第二次覆寫的資料,儲存到SSD中其他位置,而沒有蓋掉原來的資料,導致在SSD中無法透過資料覆寫來刪除原有資料。
  • 另一個造成資料不易刪除的原因,是廠商特別為SSD設計的資料抹寫方式TRIM機制。
    • SSD必須整批寫入的特性,導致抹寫速度遠比讀取速度慢。
    • 減少實際寫入的次數,除了能延長使用壽命也可以提高SSD的存取效能,所以,廠商讓SSD的TFL層先對需要刪除的資料加註記號,而不實際進行刪除,等到這個Block中多數Page的資料都需要刪除時,才真正實際抹除這個Block。[2]

參考來源

  1. SSD固態硬碟的優點與缺點分別是什麼?. Linwei Technology. 2021-02-05 [2021-06-27] (中文). 
  2. 王宏仁. SSD廠商沒有告訴你的真相:SSD資料難以完全刪除. iThome. 2011-03-18 [2021-06-27] (中文).