传统硬盘的瓶颈和未来发展
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硬件维护
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传统硬盘的瓶颈和未来发展
◆刘佩林
0 引言
随着计算机技术的不断发展，原有的机械硬盘已经越发的成为了计算机性能的瓶颈。
而更高性能固态硬盘的也日渐走进大众的视线。
本文将梳理固态硬盘产生的原因及工作原理，以及对固态硬盘以后的发展进行展望。
关键词：固态硬盘 闪存芯片 发展历程
1 机械硬盘产生速度瓶颈的原因
常见的机械硬盘主要的存储结构有：磁碟、电机和磁头。
其存储数据的原理是，通过电机驱动磁碟旋转，磁头在磁碟上方滑过的同时，通过电流变化引起的磁场变化将数据存储在磁碟上面。
从而进行数据的写入和读取。
在当今计算机速度取得巨大提升的时代，计算机的总线速度已经达到了上百Gbps ，而传统机械硬盘的传输速度不过100-200MB/s 。
由于存储结构的限制，小文件随机存储的速度则更为低下。
因此，当计算机其它部件都在等待机械硬盘传输数据时，瓶颈就产生了。
要想提升机械硬盘的传输速度，有两种最为直接的方法：提高磁碟存储密度和提高电机转速。
而提高磁碟存储密度方法到提升到目前已经发展的比较慢了。
另外一种方法呢，由于磁盘的运行需要平稳合适的环境，转速的一味提升，将会不可避免的带来震动和温度的提升，这可能会对硬盘中所存储的数据造成不可恢复的损坏。
因此，当前硬盘都主要集中于5400转和7200转这两个区间。
既然在传统磁盘上面的速度提升进展缓慢，于是，intel ，StorageTek 等行业巨头开始将目光转移至闪存芯片。
由此，固态硬盘产生了。
2 固态硬盘的工作原理
固态硬盘的存储介质为闪存芯片。
其原理是通过主控芯片，将数据烧录在闪存芯片上面。
与同属于半导体存储的随机存储器（RAM ）断电就丢失数据相比，它能够长时间存储数据而不需要供电维持。
与传统磁盘相比，它没有机械结构，因此也不会产生震动和会因为震动丢失数据。
由于结构上的不同，固态硬盘在读取写入随机数据时不需要等待，因此，它在读取写入数据时的速度相对传统的磁盘提升巨大。
3固态硬盘的工作寿命
由于固态硬盘的存储原理是在闪存芯片上进行数据烧录，因此，当烧录次数过多，烧穿芯片内部时，就会损坏固态硬盘。
所以，使用固态硬盘时，寿命问题是不可不考虑的。
固态硬盘的芯片分为slc 闪存、mlc 闪存和tlc 闪存，其区别在于，slc 闪存一个存储单元可以存储1bit 数据，而mlc 闪存则可以存储2bit 数据，tlc 闪存可储存3bit 数据，mlc 和tlc 相对于slc 来说，每个存储单元的容量是翻倍的，但是由于存放资料较多，结构也更为复杂，出错的几率也会上升，必须要进行错误修正，这将导致其性能落后于slc 闪存。
且在相同制程下，slc 闪存的寿命也长于mlc 、tlc 闪存。
随着半导体制程的发展，晶体管越来越小，闪存的集成度越来越高，容量也越来越大。
固态硬盘可以在容量越来越大的情况下价格变得为大多数人所接受。
使用固态硬盘的场景也越来越多。
可是越小的制程带来的是使用寿命的下降。
为了进一步提高容量、降低成本，闪存芯片的制程工艺也在不断进步，从早期的50nm 一路狂奔到目前的15/16nm ，但闪存芯片跟处理器不一样，先进工艺虽然带来了更大的容量，但闪存芯片闪存的制程工艺是把双刃剑，容量提升、成本降低
的同时可靠性及性能都在下降，因为工艺越先进，闪存芯片的氧化层越薄，可靠性也越差，厂商就需要采取额外的手段来弥补，但这又会提高成本，以致于达到某个点之后制程工艺已经无法带来优势了。
因此，闪存容量与寿命的取舍产生了一个矛盾。
4固态硬盘寿命问题的优化
关于固态硬盘的寿命优化，各大厂家都有各自的解决算法。
主要是为了避免在同一个储存单元上面重复写入而导致单个储存单元损坏造成的硬盘整体损坏。
在固态硬盘中内置有一个主控芯片，它控制着整个硬盘的读写。
它会将数据均匀的对闪存芯片进行写入，防止当中一块闪存提前损坏。
并且在检测到硬盘空闲时，主控芯片将整理硬盘的数据，使数据的分布更为合理。
而有的厂家则另辟蹊径，生产出了3D 闪存。
我们之前见过的闪存多属于平面闪存，也叫有2D 闪存芯片或者直接不提2D 的，而3D 闪存，顾名思义，就是它是立体堆叠的，Intel 之前用盖楼为例介绍了3D 闪存芯片，普通闪存芯片是平房，那么3D 闪存芯片就是高楼大厦，建筑面积一下子就多起来了，理论上可以无线堆叠。
那么3d 闪存芯片有什么优势呢？相比之下，3D 闪存芯片解决问题的思路就不一样了，为了提高闪存芯片的容量、降低成本，厂商不需要费劲心思去提高制程工艺了，转而堆叠更多的层数就可以了，这样一来3D 闪存芯片闪存的容量、性能、可靠性都有了保证了，比如东芝的15nm 闪存芯片容量密度为1.28Gb/mm2，而三星32层堆栈的3D 闪存芯片可以轻松达到1.87Gb/mm2，48层堆栈的则可以达到2.8Gb/mm2。
这就暂时的解决了在不提升制程降低使用寿命的情况下尽可能的提升闪存容量。
还有一种解决方法则是“虚标“，这里的虚标可不是平时我们所指的虚假标识。
而是预留出一部分闪存用来将来取代坏掉的部分。
来延长硬盘寿命。
比如说我们购买的标识为240GB 的固态硬盘，可能它的实际闪存容量是256GB ，因此它就预留出了16GB 的空间用于替换坏掉的闪存。
在众多解决方案下，如今采用TLC 闪存芯片的固态硬盘的寿命也达到了1500PE 。
也就是说，我们购买一块120GB 的固态硬盘，每天写入50GB 数据，它也能用到10年。
在如今这个电子设备更新换代如此迅速的时代，它的使用寿命已经足够了。
5硬盘的未来
相信随着3D 闪存技术的越来越成熟和主控算法的完善，固态硬盘会继续在容量上升的同时价格下降，凭借速度的优势逐渐成为大多数人们的选择。
而传统硬盘因为有着价格低廉、存储容量大和数据可恢复等优势，会继续在工业领域和个人NAS 中存在。
参考文献：
[1]范玉雷; 赖文豫; 孟小峰.基于固态硬盘内部并行的数据库表扫描与聚集计算机学报【D 】
[2]袁飞 固态硬盘的研究与应用电子科技大学 【D 】
作者简介：
刘佩林（1996—）汉，四川成都，专科，研究方向：计算机应用技术。
（西南科技大学 四川绵阳 621010）。
