固態磁碟

**固態硬碟**或**固態驅動器**（英語：Solid-state drive 或 Solid-state disk，簡稱 **SSD**）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。[1]

可以用非揮發性記憶體（主要以快閃記憶體中的 NAND Flash）作為永久性儲存裝置，也可以用揮發性記憶體（例如 DRAM）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、CFast 等介面。

## 分類

### 揮發性記憶體

由揮發性記憶體製成的固態硬碟主要用於臨時性儲存（例如 I-RAM）。揮發性記憶體（例如 DRAM）具有存取速度快的特點，可以將需要運行的程式、資料先行複製到揮發性記憶體中，然後再執行。這樣可以避免永久性儲存裝置（例如傳統硬碟）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（SLC）、多層式儲存（MLC，通常用來指稱雙層式儲存）、三層式儲存（TLC）、四層式儲存（QLC）。有些廠商亦稱 TLC 為 3-bit MLC。SLC、MLC、TLC 的讀寫速度依序從快至慢（約 4:2:1），使用壽命依序從長至短（約 6:3:2），成本依序從高至低，需要糾錯位元數（ECC）則是相反地從低至高（同一製程下 1:2:4。不過 ECC 也受製程的影響，同一種晶片，越小尺度的製程需要越多的糾錯位元）。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（型號 840 系列），固態硬碟名牌 Plextor 也打算於 2013 年量產 TLC 產品作為低階廉價市場的主力，然而 TLC 的壽命、速度和可靠性（錯誤率）成為消費者的最大疑慮（見下文：缺點）。生產商會在 TLC SSD 使用更先進的主控及更多預留空間（OP）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 垂直閃存，利用 3D 堆疊增加儲存密度。東芝已於 2017 年發布 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（如小筆電、超級移動電腦等）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)、讀取時易受干擾、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（MB）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，使用兩台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、超極致筆電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

固態硬碟數據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，現在的數據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通過磁區恢復技術挽回許多資料，當然機械硬碟的數據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（因為其原理是在同一個電閘上記錄 1、2 或 3 個位元，記錄越多位元，被寫入的機會就越高），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 數據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（Intel）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。

### 讀取干擾現象

讀取干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（變成寫入動作）。這即是所謂的讀取干擾。會導致讀取干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。

為避免讀取干擾問題，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干擾錯誤就會發生，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。同時廠商設計上會通過 OP（冗餘資源）、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（會略微縮短 SSD 壽命，不過在出現掉速時剩餘壽命還很長）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 年台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（Flash Memory Summit）上發表容量高達 16TB 的 2.5 吋固態硬碟 PM1633a（V-NAND），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、CP 值等作出比較。最初的固態硬碟容量少、價錢高，CP 值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（混合固態硬碟）等等。其它像主機板廠商也有使用多個 SATA 連接埠將 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（Smart Response Technology）。在配套的 Intel 晶片組上，如 Z68、QS77、H77 等上，可以將 SSD 與 HDD 以 RAID 模式連接，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，蘋果公司發佈新一代 iMac 時同時展示了「Fusion Drive」技術，Fusion Drive 技術除了融合 HDD 和 SSD 外（合併在同一的邏輯卷），還在作業系統（只限在 OS X）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、相片或者其他數據來儲存在 SSD 中，同時將很少存取或者使用的檔案留在 HDD。蘋果公司在發佈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「SSD 的效能，HDD 的容量」。

## 預留空間

SSD 的預留空間（Over-provisioning，OP）可用作垃圾收回（Garbage collection）、ECC 或其他數據保護技術。

預留空間可分成三層

* 第一層是容量的 7.37%，128GB SSD 實際上有 128GB NAND Flash，廠商以十進制標示容量大小，以二進制計算兩者有 7.37% 差額。這層是不會標示的。所以標示為 0% OP 的 SSD，實際上也有 7% OP。
* 第二層是廠商決定的，通常是 0%、7%、28%。所以，我們會看見 128GB、120GB、100GB 的 SSD。它們都有 128GB，只是被廠商保留起來作 OP。企業版 SSD 注重穩定性及耐用性，所以會保留多達 28% 空間作 OP。要注意，把一個 120GB SSD 連接到電腦只可看見 112GB 空間，是因為大部份作業系統（包括 Windows 及 Android）以二進制計算空間大小 120x109=112x230，就如 16GB SD 卡插進手機或電腦只看見 15GB 一樣，與 OP 無關。
* 第三層是使用者自行劃分的，使用者在分割區時可自行預留空間作為 OP，以滿足不同需要（穩定性／可用空間）。如果預留多達 50% 空間作 OP，持續地寫入大量細小檔案的高負載情況下，寫入效能只有輕微下降。但一般情況下，沒有需要再保留更多空間作 OP，因為一般使用情境下不會大量和持續地寫入資料。若以 SSD 建立 RAID，應保留一定空間以彌補沒有 TRIM 的影響。

## 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（驅動程式）與匯流排協定分類：

* 傳統硬碟機介面
  * IDE：罕見
  * SATA：AHCI 邏輯裝置介面、SATA 匯流排
  * SAS：AHCI 邏輯裝置介面、SATA 匯流排
  * U.2：NVMe 邏輯裝置介面、PCIe 匯流排。外觀上和 SAS 介面一致。主要應用在企業級的 SSD 固態上，極大地提高伺服器資料傳輸速度，理論上速度可以達到 32GB/s（即 256Gbps），近似於 PCIe 4.0 x16 滿速，PCIe3.0 x16 的兩倍之快。
  * SATAe：AHCI 邏輯裝置介面、SATA 匯流排。由兩個 SATA 介面和一個輔助介面組合而成，理論的速度 6GB/s \* 2 = 12GB/s，實際可能只能達到 10GB/s 左右。目前被 M.2 介面取代。
* 擴充介面卡
  * mSATA：AHCI 邏輯裝置介面、SATA 匯流排
    * 30mm\*50mm 全高
    * 30mm\*25mm 半高
  * M.2 即 NGFF。尺寸有 2230、2242、2260、2280、22110
    * B key
      * SATA 匯流排
      * PCIex2 匯流排
    * M key：理論上相容 B key 外觀介面，即可以插入 B key 的槽中。
      * NVMe 邏輯裝置介面、PCIex4 匯流排
  * PCIe：可有 PCIe 2.0x2、PCIe 2.0x4、PCIe 2.0x8、PCIe 3.0x4
    * 相容 SATA
    * 不帶 NVMe 邏輯裝置介面
    * 帶 NVMe 邏輯裝置介面
* 抽取式磁碟
  * Mini DisplayPort
  * USB-A/B、USB-C

## 參見

* 硬碟
* 4K 對齊
* 快閃記憶體
* 隨身碟

## 參考文獻

## 外部連結

* （英文）StorageReview.com SSD Guide（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文）Topdisk SSD（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）