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2021.08.14

SSD 固態硬碟原理，帶你進一步分析（2021年最新）

2021/8月
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SSD 固態硬碟原理

SSD，全名稱作"Solid-state drive"，中文叫作固態硬碟，最初是設計來取代『傳統硬碟』，其主構造是以『積體電路』結構，無任何高精密機械零組件，所以和硬碟無關。市面簡稱『固態硬碟』不是很正確；傳統硬碟內有『碟片』是旋轉碟片來讀寫資料，但 SSD 都是『積體電路』，沒有磁片、內部機械零件作動，和硬碟原理也完全不同。

SSD 固態硬碟在 2020年的規格，是採用先進的 3D NAND Flash Memory＋PCIe 介面，讀寫極速是傳統硬碟的 4倍，同時，SSD 也有『加密功能SSD』，以效能更加便利，提供各種作業系統環境的最佳體驗為考量。
 

SSD與傳統硬碟比較，混合式硬碟是什麼？

目前市面的資料儲存設備（Data Storage）以儲存的材質區分為『磁性介質表面儲存設備』代表性產品是傳統式硬碟，另一是『積體電路的儲存設備』代表性產品是 RAM, ROM, SSD Flash Memory….。

雖然目前硬碟還佔優勢，但因其『物理極限』已無法克服『怕碰撞，易磨損，耗電...』的問題，也無法再開發更『輕,薄,短,小』的硬碟。科學家因此開始開發以『積體電路的儲存設備』取代硬碟。

而目前最符合『輕薄短小』的儲存設備是 SSD，而SSD 最重要的元件就是『NAND 非揮發性記憶體(Non-volatile Memory Device)』。雖然 NAND 的技術雖然還有『成本高，容量較低，資料儲存年限...問題』但還是已漸漸取代硬碟。
 
SSD 傳統硬碟
NAND 積體電路 精密金屬機件
輕薄短小、省電、溫度低 體積大、重量重、較耗電、溫度較高
讀寫快速 讀寫速度相對較慢
NAND 寫入時會有耗損 理論上磁片讀寫無耗損
耐摔耐碰撞 怕碰撞
晶片燒毀後，無法資料救援 硬碟故障時，資料救援機會較高


SSD的設計是用來取代傳統式硬碟，SSD特性是輕便，讀寫快速，省電.....非常適合『可攜式』使用。為了改善傳統硬碟因機件太精密，萬一碰撞即發生硬碟故障，導致資料無法讀取，必須資料救援。

下圖是『傳統機件式硬碟』和『SSD』內部結構，可明顯看出差異。
 


傳統式硬碟內部都是精密機件，怕碰撞。

SSD 內部都是積體電路元件，較不怕碰撞。

目前的趨勢，Notebook 一律都已改用SSD，符合耐碰撞特性，因為讀寫速度比傳統硬碟快速，連一般 PC 都建議改用 SSD 當開機用磁碟，不必因每次開機時需讀取數量龐大的作業系統檔案而等待的時間，實務上使用者很容易感受速度的差異，幾乎提升 4倍以上。

但提醒重要一點，因 SSD 是用 NAND 快閃記憶體，目前受限於『資料寫入時都對 NAND flash memory 會造成耗損而降低使用壽命』建議不適用於讀寫頻繁的 Server, RAID, NAS。但相信 SSD 廠商一定設法提升技術克服，不久後即會出現『穩定』『可靠』RAID 專用 SSD。
建議目前 RAID, NAS, Server 建議還是安裝 SAS 傳統硬碟，應該是較『保險安全』方式。

混合式硬碟

『混合式硬碟』就是『傳統硬碟＋SSD』結合成單一硬碟。有 SSD 讀寫快速的優點，又有傳統硬碟的高容量可使用。等於是 1台當 2台用，規格是只有一個 SATA 介面。SSD 磁碟可安裝作業系統當開機用磁碟，傳統硬碟則當儲存資料用。
 

SSD規格&介面：SATA、M.2 SATA、M.2 PCIe、NVMe


SSD 目前 2020 年規格種類共有3種，
Interface 共2種：
1. 和傳統硬碟外觀相同的 SSD 2.5”，也是用 SATA Interface 可以輕易取代傳統硬碟。
2. 規格尺寸 - m2_2280，也是用 SATA 介面。
3. 規格尺寸 - m2_2280 介面 - PCIe G3 1x4 / NVMe。


上述照片得知 SSD 規格分 3種，但介面（ Interface）分2種 SATA & PCIe/NVMe。

SATA 是傳統硬碟用，無法發揮 NAND 極速特性，屬舊型 Interface。
PCIe/NVMe 是專為 SSD 內的 NAND 開發的新協定，可以發揮 NAND 的極速。

多年前 SSD 設計時的用意是為了取代傳統硬碟，為了改善傳統式硬碟『怕碰撞，怕摔』的問題，只先將內部精密機件改用成『積體電路 NAND Flash Memory』當儲存資料元件，但當時 SATA 是傳統硬碟的傳輸介面 Interface 的標準。
為了可以讓市場輕易接受而改用 SSD，所以才繼續延用SATA。但卻因此阻礙了 NAND Flash Memory 讀寫快速的特性。多年後 SSD 廠商才開始推廣專為 NAND 平行運算 (Internal Parallelism) 功能開發出的傳輸協定 『NVMe』，而且是可以採用現有的 PCIe 介面，其極速表現比 SATA 高 4倍。

SATA SSD

這是最早出現市面的 SSD，當時是為了取代暢銷的傳統硬碟而設計，外型就是和一般 2.5”傳統硬碟完全相同，也是採用 SATA 介面，安裝和傳統硬碟相同，毫無困難，可以輕易取代。
目前市面規格 SATA 6.0Gb/s, 讀取時間 560 MB/s ,寫入時間 510 MB/s。

M.2 PCIe (PCI Express) / NVMe

這是搭配目前最高速的 PCIe 介面，NVMe 也是較新 SSD規格，如是舊款主機板可能不支援，但近期新款主機板都已有支援，據說近年的 Notebook 都搭配 PCIe / NVMe 的 SSD。
目前市面規格 3D NAND，讀取時間 3,400 MB/s，寫入時間 3,000 MB/s。

M.2 SATA

這是比 PCIe / NVMe 更早期介面，適用較舊款主機板，
目前市面規格 M.2 SATA，讀取時間 560MB/s, 寫入時間 510MB/s。

據說一般客戶選購 SSD 時，較重視讀寫速度，下列為一簡單比較表。
 
2020年規格 M.2 PCIe / NVMe M.2 SATA SATA
Sequential Read 3,400 MB/s 560 MB/s 560 MB/s
Sequential Write 3,000 MB/s 510 MB/s 510 MB/s
 

NVMe（NVM Express）先進規格，讀寫速度快

上述圖片比較說明，應該已很清楚看出，M.2 PCIe＋NVMe 是 SSD 讀寫速度最快的規格。

談 SSD 的技術就不得不談 NVMe 原理，但筆者對 NVMe 技術知道的有限，目前只能簡單介紹基本概念，無法深入說明內部核心『平行運算Internal Parallelism for SSD』原理，請見諒。

NVMe 開發的契機是因為：

1. 目前的 CPU 是具有平行運算。
（Parallel computin 可同時執行高達 64,000 個指令，註：CPU 技術更先進，運算能力也提升）
2. NAND 內部也已具備『平行架構』運算能力。
3. 現已有極高速的傳輸界面『 PCIe』。

如可結合，CPU 的『平行運算』＋PCIe 高速傳輸介面＋NAND 的『平行運算』，這種組合即可達到『極速』，但只缺 NAND 和 PCIe 的『高速通訊技術』。

所以廠商才為此而開發出 『NVMe』其名稱是『非揮發性記憶體控制介面規格 Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification』通訊協定。此新協定終於定義出可以 100% 發揮 NAND 『平行運算』的高速能力，再利用現有的 PCIe 介面的高速特性，即可發揮 NAND 高達 3,400 MB/s 讀寫速度。這已比傳統 SATA 硬碟快4倍速度。
 

PCle 高速傳輸介面

PCIe 採用四通道連接，讓資料傳輸比 SATA 快4倍，且省電。使用 PCle ＋NVMe SSD，是目前追求極速唯一選擇。
另外有一優點，NVMe SSD+PCIe 組合，因有省電特性，NoteBook 電池耗損減低，電池壽命才得已增長。
 

SSD 先進的3D NAND＆寫入讀取資料原理

先簡單介紹 SSD 重要元件 Controller, NAND 的功能用途。


SSD controller NANDController：就是負責當外部有檔案要寫入時，就是先由 Controller 已內建『File System』將檔案分數段 Blocks『平均寫入』每一顆 NAND Flash Memory 儲存。當 Windows 下指令要讀取檔案時，也是由此 Controller 負責至各 NAND 將該檔案所有的 Blocks 取出，依序傳輸給 Windows。且保證順序，數量正確無誤，檔案才完整可正常使用。
Controller 當然還有其它功能，但都是與讀寫資料有關。後面會一一介紹。

NAND Flash Memory：是先進的 3D NAND 就是負責儲存檔案資料的 Storage。但因屬於半導體高科技，筆者才疏學淺，所知有限不敢賣弄，請包涵。 

註：此處所指 Controller File System 是該 Controller 廠商自行開發專用，是指此顆 Controller 這層的邏輯控制。其主要是負責『讀寫』功能，是將 Windows NTFS、Mac HFS、AFS、Linux EXT3、EXT4、XFS…...作業系統不同格式的檔案，轉換成可寫入至『積體電路 NAND』內的檔案格式。且各廠牌有不同格式。 

接下來說明內部最重要的元件『 NAND 』。NAND 是『非揮發性記憶體』 (Non-volatile Memory Device) 也是 Flash memory 一種。因屬於『積體電路』的設計，其內部結構是先進的『3D立體』的多層邏輯電路佈線，是『垂直＋平行 Layout』和傳統硬碟圓形磁片讀寫方式完全不同。當初設計的用意就是為了取代『硬碟』，所以 NAND 的儲存單位也是512 Byte/Unit。

NAND 的最小儲存單位是 512byte / Unit，這種設計就是為了取代傳統硬碟制定的標準協定 512byte / Sector，如此即可 100% 相容。

3D積體電路基本上是一層一層的 Layer，每一層可佈線成數量龐大的 512byte/unit，類似『網格狀』的邏輯電路而且共有 2面，再一層一層堆疊，如此堆疊即可構成『立體的邏輯電路架構』，以達到垂直平行讀寫功能。


NAND 的儲存單位也採用『邏輯虛擬』設計，且不同廠牌、型號....數值不同。但制定的基本標準如下：
1. Unit 是 NAND 最基本儲存單位，Size=512 byte。
2. Page 是網格上的每一列（行），在 NAND 上稱為『Page』。通常數量都是 32、64、128、256、512.../unit，Size 32、64、128...KB，基本上每一層有多少數量的列就相同數量的 Page，但各廠牌設計也有不同。一個page上所有的 unit共用一字元線(Word line）所以 NAND 讀寫一定是一個 Page 一個 Page同時進行。  
3. Block 是 32,64,128,256,512….Page 組成的『區塊』且是『3D立體』，想像成陣列 Array或巨型的『魔術方塊』較易理解。

NAND儲存單位NAND 讀取與寫入原理有點複雜，
NAND 『讀取，寫入』是一個 Page 一個Page 進行。但寫入前必須先將要寫入該 page 的整個 Block 擦除乾淨（Block erasure) 才可寫入。擦除原理就是將 Block 內所有的 bit 變為『1』狀態＝Free 。擦除作業只能以「Block」進行，無法以較小的 page。

所以程序是, 先清除一個大的 Block 空間 → 資料才寫入一個小的 page 內。
例如：為了寫入小量的 16KB 資料（page) 需先將一個大量的 512KB（block) 所有 bit 都寫成”1”(Full “11111111”) 變成 Free ，才可寫入 16KB 資料。
 

這就是 SSD 因常『抹除』，寫入比讀出耗時，也導致 NAND 壽命減原因。
如果一直在同一個 Block 寫入與清除資料，這些Block 的壽命會消耗很快，為了儘量減少Erasure的次數，有效率的Block 管理技術就非常重要。
當晶片漸漸磨損，Erasure與讀寫速度會變非常慢，而且需要更多次數 Retry。
NAND Flash還有一項限制就是區塊內的資料只能序列性的寫入，無法像傳統硬碟隨機讀寫(Randon read/write)。這屬於 file system 技術，先不在此討論。

如何管理已損壞區塊(Bad Blocks)：

1：出廠時的 Bad Blocks，這是製造生產時已存在的 Bad Blocks。
2：使用時累積的 Bad Blocks，發生在無數次的寫入/擦除，造成一些 NAND單元的『電荷電壓 Electric charge /Coulomb』被永久性的改變了，因此而無法使用。

SSD 有管理Bad blocks 機制，Controller 用 bad Blocks map 紀錄每一 Bad block。傳統硬碟也有相同機制(Bad Sectors Map)。

SSD的Trim（修剪)＆ 耗損平均 (Wear Leveling)

SSD有一的致命缺點，就是 NAND 物理問題，寫入次數是有限制，太頻繁的寫入（含抹除 Full”11111111”)是會破壞其『電荷電壓 Electric charge /Coulomb』，影響使用壽命。

目前 2020年 SSD 廠商宣稱已用2 方法，解決此問題：
1：目前 NAND 容量已大大提高，Block 數量龐大，其每一 Block 被寫入次數變減少，如此即可延長使用壽命。
2:  NAND 目前先進科技，寫入次數已可達 5萬次以上。

所以此處文章用意只在說明 NAND 先天性的『寫入次數有限制』的技術問題。使用者不必太擔心 SSD 使用壽命問題。

SSD NAND 有一先天上的問題，就是每當要寫入資料時不論資料量是多小，就算只是 16KB /Page，也要先抹除一整個容量較大的 512KB / Block。等抹除完成（Full”11111111”) 才可將16KB 資料寫入。

例如：有一Block 內現已存在 4 pages 的資料，現在Delete 3pages 後只剩1 page。為了日後要讓新資料寫入時使用這 Block，現在須先將這 1 page 遷移另一 Block，再清除這 Block (Full”111111111”)供寫入新資料用。 

所以為了寫入一支檔案，等於那一些 Blocks 會被做了2次『寫入』動作，每一次寫入就多一次耗損。
1: 先將一整個 Block 先抹除（Full”11111111”）這動作也是『寫入』。
2: 再正式寫入新資料。

了解上述問題後，接下來說明SSD的耗損平均 (Wear Leveling) & Trim（修剪) 原理。

Wear Leveling（耗損平均 ）是什麼？

SSD NAND 常會被做『寫入』動作，且 Blocks 數量龐大，那就要設法讓每一 Block 被寫入次數是平均的，避免某些 Blocks 時常被寫入而耗損較嚴重，其它不常被寫入的 Blocks 卻耗損較輕微。
簡單形容類似避免『路面』到處坑坑疤疤，最好是每一路段都平均使用，勿集中常使用某一路段，造成這一路段耗損嚴重，其它不常使用路段卻耗損輕微。
最好是一整層路面平均耗損，使用一陣子後又是一整層平均耗損，如此即可保持路面永遠是平整，無坑坑疤疤現象，直到路面已薄到無法再耗損才報廢。
 

SSD Trim（修剪) 的功能是什麼？

先以傳統硬碟來說明，在 Windows, Mac, Linux 下使用傳統硬碟，當刪除檔案時，該檔案在硬碟磁片上只是先被標示成『已刪除』，該檔案在磁片上所佔用的 Blocks 都還存在原資料，並未被清除（未被 Full “00000000”），只是當檔案管理系統 File manage 讀到此『標示已刪除』時會略過不讀，如此才有機會隨時『還原檔案』。

註：各位應該有注意到，Windows,Mac, Linux.. 下 Copy 寫入一支 1GB File 約需幾十秒才可完成，但 Delete File 卻是瞬間完成，足證這『瞬間』只是做了『標示已刪除』的動作，絕不足將 1GB 資料100% 清空（未被 Full “00000000”）。 

但當有新檔案要寫入時，只要是磁片後面還有未使用區塊（Unused Blocks)，一律先寫入這些未使用的區塊，不會先去寫入『已刪除』區塊，就是避免覆蓋已刪除檔案，提供隨時『還原檔案』的機會。
但如磁片已被寫滿，無任何未使用區塊可用時，新檔案就只能寫入那些標示『已刪除』的區塊，只要一被寫入新資料，原舊有資料即已被覆蓋，絕不可能『還原』。

這『磁性紀錄』原理類似，錄音帶某段如被再錄製新歌曲，其原舊歌曲即被覆蓋，絕不可能『還原』。

SSD 也有類似此機制，一些『已刪除』檔案所佔用的 Blocks 也只是被標示『已刪除』，原檔案資料還存在，並無被 Full”11111111”，也是有機會『還原』。
當有檔案要寫入時，也是去找未使用區塊寫入。

但 NAND 有一致命缺點，如某些區塊 Blocks 常被頻繁的讀＋寫＋抹除 (Full “11111111”)其『電荷電壓』會加速減弱，導致這些區塊無法再使用，變成 Bad Blocks，如此整個 NAND 就會到處散佈這些 Bad Blocks，將導致 SSD 讀寫異常。為了避免發生此狀況，就設計了『Trim』這機制來改善。

Trim 的主要功能是，趁 SSD 閒置時，先去啟動『主動垃圾收集機制』直接清除那些標示『已刪除』的 Blocks，供隨時寫入新資料 Pages。
事先清除的優點是，不必等到真正有新資料要寫入時，才去『搬移殘餘 Pages』→『Full “11111111”』→『寫入新資料Pages』。
Trim 是SSD專用功能，某些作業系統版本，非設定自動啟用，可能需要至 /設定/ Trim 手動啟用。

『主動垃圾收集機制』的功能也是趁 SSD 閒置時，主動去收集一些『屬於同一支檔案的所有Pages』集中存放，減少『斷離現象』聽起來有點像『資料重整』。

Trim 與主動垃圾收集機制同時運作即可延長 SSD 的使用壽命，並提升 SSD讀寫效率。是非常聰明的機制，目前新規格 SSD NAND 都有提供此項機制。 以前常聽說 『SSD 不要寫滿，一定要預留約 20% 空間供暫存用，否則讀寫速度會變慢』。
目前新款 SSD已內建此機制，使用者不必再為此操心。
SSD因讀寫時需要遷移殘遺的 Pages，所以需預留一些暫存空間，目前 SSD 設計是已內建『暫存空間』，Windows, MacOS, Linux….. 下是無法識別，使用者也看不到，當然更無法去使用這些空間，這是一種『保護』機制。
 

如何讓 SSD 更快速更聰明？


1. 隨時更新原廠韌體（Update Firmware）。
2. 安裝原廠的 SSD 自我監控，分析和報告技術（S.M.A.R.T）監控系統。

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