固態硬碟

固態硬碟或固態驅動器是一種以積體電路製作的電腦儲存裝置，雖然價格及儲存容量與機械硬碟有少許差距，但固態硬碟讀取的速度可比機械式硬碟的快200倍。 可以用非揮發性記憶體作為臨時性儲存裝置。固態硬碟常採用SATA、PCI Express、mSATA、M.2、ZIF、IDE、U.2、CF、等介面。分類.揮發性記憶體.由易失性記憶體製成的固態硬碟主要用於臨時性儲存的啟動延遲、搜尋延遲…等對程式以及系統造成的影響。因為這類記憶體需要持續靠電力維持其記憶，所以由此製成的固態硬碟還需要配合電池才能在斷電時維持記憶。由揮發性記憶體製成的固態硬碟可能可以搭配電池使用：當關機或電源意外中斷時，這類固態硬碟可以靠電池驅動持續記憶資料，當電力恢復後，再將資料轉移到永久性儲存裝置。非揮發性記憶體.非揮發性記憶體的資料存取速度介於揮發性記憶體和傳統硬碟之間。和揮發性記憶體相比，非揮發性記憶體一經寫入資料，就不需要外界電力來維持其記憶。因此更適於作為傳統硬碟的替代品。快閃記憶體當中的NAND Flash是最常見的非揮發性記憶體。小容量的NAND快閃記憶體可被製作成帶有USB介面的移動儲存裝置，亦即人們常說的“隨身碟”。隨著生產成本的下降，將多個大容量快閃記憶體模組整合在一起，製成以快閃記憶體為儲存介質的固態硬碟已經是目前的趨勢。目前用來生產固態硬碟的NAND Flash有四種，分別是單層式儲存。固態硬碟的主流從SLC晶片轉到MLC晶片，促成了2011年的大降價，固態硬碟因此普及。由於SLC的速度較快但成本過高，用於伺服器的企業級SSD都改用了MLC。TLC因為速度較慢但成本低，原本只用來做隨身碟；不過2012下半年，SAMSUNG首先推出使用TLC的消費級固態硬碟來處理這些問題。3-bit的TLC錯誤率較高，需要使用先進的主控及大量的空間進行糾錯。4-bit的QLC錯誤率更高，因而壽命更短。三星已量產兩代3D垂直快閃記憶體，利用3D堆疊增加儲存密度。東芝已於2017年釋出QLC(四位元單元) BiCS架構的3D NAND快閃記憶體晶片。形式.固態硬碟大部分被製作成與傳統硬碟相同的外殼尺寸，例如常見的1.8吋、2.5吋或3.5吋規格，並採用了相互相容的介面；但有些固態硬碟也使用PCI Express或是Express Card作為介面來突破現有硬碟傳輸介面的速度，或是在有限空間中置放固態硬碟。缺點.固態硬碟的五大缺點：價格，成本較高、寫入次數有一定的上限(容量愈大，壽命愈久)、讀取時易受幹擾、損壞時不可挽救以及運作時易掉速。價格高昂.固態硬碟剛推出時，價格高昂，所以最早只用於軍事及工業用途上；無論是揮發性記憶體還是非揮發性記憶體，其每百萬位元組成本都遠高於傳統硬碟。因此只有小容量的固態硬碟的價格能夠被絕大多數人接受。不過技術更新隨著NAND Flash的19nm製程於2012年初進入量產，能夠在同樣大小的快閃記憶體空間內塞入倍增的容量；NAND Flash架構也從SLC到MLC、TLC、QLC；這兩項技術都進一步降低每百萬位元組的成本。隨著價格逐漸降低，固態硬碟廣泛使用在一般的筆記型電腦上做為主系統碟。2018年有超過一半的筆記型電腦搭配固態硬碟出廠。而由於價格與儲存空間之比和機械碟仍有較大差距，固態硬碟短時間內依舊無法在容量用途上取代機械硬碟，更多人的電腦上處於兩者並存的狀態。對於桌上型電腦及大型筆記型電腦的使用者來說，使用兩臺硬碟是成本效益比最佳的方法：小容量SSD安裝作業系統及常用資料，大容量機械碟儲存不常用資料及做為SSD備份用。但是對於薄型筆電、Ultrabook及平板電腦的使用者來說，SSD的高成本仍是問題：容量夠大的SSD很貴而且緊湊的電腦通常無法自行更換SSD而需專業拆機。損壞時不可挽救.固態硬碟資料損壞後是難以修復救回資料的。當負責儲存資料的快閃記憶體顆粒有毀損時，現在的資料修復技術很難在損壞的半導體晶片中救回資料，相反傳統機械硬碟還能透過磁區恢復技術挽回許多資料，當然機械硬碟的資料救回服務收費極度高昂，通常只有企業在挽救重要價值資料時會使用。雖然逐漸有廠商開發SSD輕度損壞時的救援方法，但傳統的多儲存媒介備份習慣還是萬全之法，不論是機械碟或SSD只要無備份習慣都將承受資料損失的風險。寫入次數壽命.壽命方面，由於快閃記憶體上每一個電閘都有一定的寫入次數限制，壽命結束後會無法寫入變成唯讀狀態；而且隨著使用的快閃記憶體從SLC架構到MLC、TLC，若電閘的品質不變，理論上電閘壽命呈現6:3:2的衰退，因此成為大眾接受固態硬碟的另一個障礙。另一方面，隨著固態硬碟主控晶片的改進，能將寫入位址依照電閘使用率更平均地分散，使唯讀狀態不會太快到來；而固態硬碟容量的增大也有助於拉低電閘平均使用率，因為一般使用習慣上，會經常改寫的檔案只佔全部資料的一小部分。優秀的廠商通常會用軟體演算法進一步延長一倍以上的壽命，使固態硬碟能經歷極大量使用，甚至比電腦其它硬體還長久耐用，給予使用者足夠的緩衝時間將資料轉移和備份。而最新的3D-nand技術則可以在降低成本、增加容量的同時避免寫入壽命過低。在2015年技術製造主要為MLC的 240-256GB SSD實測中，即使每天寫入100GB資料到固態硬碟上也要連續19年才會耗盡其壽命，所以物理壽命問題已經遠離一般家用使用者的領域。靜置時資料消失.JEDEC固態技術協會主席Alvin Cox於2015年的一份報告中探討SSD長期不使用靜置時資料的消失特性，時間長短與氣溫有相關性，根據英特爾所提供的溫度與資料儲存的研究報告顯示只要存放溫度提高5度，資料儲存時間就會縮短一半。在消費級SSD的標準狀況下，於40度的運作溫度中寫入資料後於30度的溫度下靜置不通電可儲存資料52周，大約相當於一年時間。溫度越高時儲存時間短，實驗執行到55度氣溫的儲存情境下，而一般人幾乎不會遇到此溫度。事實上就較少使用的「冷資料」儲存來說，SSD原本就不符合儲存容量效益，一般的大量資料歸檔儲存，還是以機械硬碟、磁帶較為適當。同時較新的MLC型SSD已經大幅改善這問題，而基本之道還是儘量將SSD多多使用，作為隨身硬碟時也經常接入使其通電，避免長期靜置。讀取幹擾現象.讀取幹擾是容易發生的問題，快閃記憶體隨著多次的讀取，會導致在同一區塊中相近的記憶單元內容改變。這即是所謂的讀取幹擾。會導致讀取幹擾現象的讀取次數門檻介於區塊被抹除間，通常為10萬次。假如連續從一個記憶單元讀取，此記憶單元將不會受損，而受損卻是接下來被讀取的周圍記憶單元。為避免讀取幹擾問題，快閃記憶體控制器通常會計算從上次抹除動作後的區塊讀取動作總次數。當計數值超過所設定的目標值門檻時，受影響的區塊會被複製到一個新的區塊，然後將原區塊抹除後釋放到區塊回收區中。原區塊在抹除動作後就會像新的一樣。若是快閃記憶體控制器沒有即時介入時讀取幹擾錯誤就會發生，如果錯誤太多而無法被ECC機制修復時就會伴隨著可能的資料遺失。目前此物理現象問題透過SSD上控制晶片的演演算法改善。掉速.快閃記憶體的另一個問題是掉速，會隨著寫入次數增加而降低速度，若接近裝滿時速度也會下降，所以使用時儘量讓其保留一定的空閒空間較好，是使用者必須改變的使用習慣。同時廠商設計上會透過OP、磨損均衡等等技術來減緩掉速。原因包括耗損平均技術的副作用、控制晶片及韌體的優劣等。目前較佳的解決方案是Secure Erase及提高更換頻率。在量產之前TLC架構的速度相較於SLC和MLC產品，原本也是令人質疑的，因為理論上隨著每一電閘記錄位元數的增加，判讀和寫入的速度在相同的準確度之下都必然更緩慢。不過正式量產之後，TLC固態硬碟的讀寫速度甚至略高於同容量MLC的最高速產品，這歸功於主控晶片的進步以及多通道的使用。優點.和機械硬碟相比讀寫速度遠遠勝出，尤其是隨機讀寫，這也是其最主要的優點。還具有無噪音、抗震動，在一般使用情境下平均功耗、熱量會比較低的特點。這些特點可以延長靠電池供電的電腦裝置運轉時間，並且更適合用在行動式裝置。例如三星電子於2006年3月推出的容量為32GB的固態硬碟，採用和傳統微硬碟相同的1.8吋規格。其耗電量只有機械硬碟的5%，寫入速度是1.5倍，讀取速度是3倍，並且沒有任何噪音。在2007年臺北國際電腦展覽會中，新帝公司發表64GB與32GB的固態硬碟，並有2.5吋、SATA介面與1.8吋、UATA介面兩種規格。OCZ Technology現場展出的固態硬碟分為2.5吋與1.8吋兩種，其中2.5吋採用SATA介面最大容量可達128GB；1.8吋機種則是採用IDE介面，最大容量可達64GB，可分別使用在筆記型電腦與更小的UMPC上，用來取代傳統的硬碟。OCZ的2.5吋固態硬碟OCTANE，容量已達到1TB。三星2015在快閃記憶體高峰會，其儲存容量甚至高過於傳統硬碟。固態硬碟的表現與傳統硬碟互有勝負，一般在容量、速度、價錢、價效比等作出比較。最初的固態硬碟容量少、價錢高，價效比遠不及傳統的機械式硬碟。但隨著固態硬碟的不斷發展，固態硬碟的容量已有實用性，價錢明顯下滑之下，已為傳統硬碟市場製造危機。混合固態硬碟.有眾多儲存廠商推出融合SSD/HDD優點的固態混合硬碟，像是OCZ RevoDrive Hybrid、Seagate Momentus XT 750GB及之後的SSHD等等。其它像主機板廠商也有使用多個SATA連線埠將SSD/HDD同時使用，像是ASUS的SSD Caching功能。還有磁碟陣列廠商的快取加速卡，像是HighPoint RocketCache 3240x8等等。2011年，Intel推出了使用SSD作為緩衝最佳化磁碟表現的技術——SRT。在配套的Intel晶片組上，如Z68、QS77、H77等上，可以將SSD與HDD以RAID模式連線，並在系統中以Intel Rapid Storage Technology程式進行加速管理，實現磁碟效能的提升。Intel也在次年2012年推出了名為313的SLC SSD產品線，針對加速用途，提供20、24GB容量。於2012年底，蘋果公司釋出新一代iMac時同時展示了「Fusion Drive」技術，Fusion Drive技術除了融合HDD和SSD外上作配合。原理是在使用者不知情的情況下，作業系統自動在背景將使用者常用應用程式、檔案、照片或者其他資料來儲存在SSD中，同時將很少訪問或者使用的檔案留在HDD。蘋果公司在釋出時指出在正常情況使用下，Fusion Drive的平均效能是SSD的80%，可以讓使用者體驗到「SSD的效能，HDD的容量」。預留空間.SSD的預留空間、ECC或其他資料保護技術。預留空間可分成三層分類.首先按照外觀結構介面分類，再按照支援的邏輯裝置介面與匯流排協議分類：