与忆正存储工程师畅谈固态硬盘
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李四林：
忆正存储技术(深圳)有限公司业务部业务总监
李先生曾任我国台湾省大众电脑高级工程师主要负责整机测试以及故障案例分析，主导Compaq、NEC西门子等大客户项目。后来到建选蓝德，担任电子存储产品部门产品经理、存储产品OEMI厂厂长等职主要客户有神州数码、台电、金邦、长城以及七喜等。现任忆正存储业务部业务总监。
计算机技术的飞速发展离不开存储设备的支持，从半个世纪第一块温彻斯特硬盘出现至今，从最初的几MB到现在的数TB，这种硬盘作为计算机．尤其是个人计算机的主要存储器为IT产业的发展立下了汗马功劳。然而时过境迁，随着人们对数据存储要求的不断提高，这种硬盘的缺点也逐渐暴露出来，尤其是固有的机械结构成为其不可逾越的一道障碍。而最近两年，一股新的势力开始崭露头角，那就是用NAND型闪存作为存储介质的SSD(Solid State Disk)固态硬盘。今天我们就邀请到这方面的专家――忆正存储技术(深圳)有限公司的资深工程师李四林先生，一起讨论关于SSD固态硬盘的种种话题。
Part 1：为什么取名“固态硬盘”，它都有哪些分类?
MC：首先请教李工一个问题，大家都把这种SSD硬盘叫做固态硬盘，不知道在你们工程技术人员的词典里什么才算是固态硬盘?它现在都有哪些分支呢?
李：固态硬盘这个词实际上是英文“Solid State Disk”的直译。我们传统意义上的硬盘，也就是温彻斯特硬盘是有机械结构的，相比之下新硬盘没有任何机械部件在里面，所以“Solid StateDisk”的英文就是这么来的。直接翻译成固态硬盘，实际上并不合适，毕竟没有“液态硬盘”、“气态硬盘”之类的说法(笑)；但大家都这么说，再加上这个名字简单明了，所以这个称呼就沿用下来了，你也可以把它理解为“固化部件的硬盘”。
以前的固态硬盘很多都是用SDRAM做的，后来随着内存技术的改进，也用过DDR-SDRAM、DDR2-SDRAM等。这类产品以前都使用在对速度要求极高的场合，偶尔也会有一些民用级的产品出现，比如技嘉的i-RAM，在玩家中就有比较高的知名度。但是这类产品有两个非常突出的问题：
其一是怕断电，SDRAM需要刷新来维持数据，所以系统―旦断电所有数据就会付之一炬，再也找不回来了；而且维持刷新需要消耗大量的电能，这是很不经济的。
其二则是容量扩展困难，因为内存条都是插接件，在―块板卡上你不可能无限制地增加接口，若想实现更高的容量，就必须增加内存条的数量。随着插接件的增加，电气稳定性以及抗震性能都会大打折扣，再加上价格高高在上，这类产品最终没有普及开来。
而且随着广泛使用NAND存储颗粒的SSD产品面市，这类产品日后也在逐渐走向消亡。就现在市面上能看到的产品来说，基本上都是NAND型的。
MC：虽然现在大家都非常热衷于SSD硬盘．但不少明眼人还是发现了一个问题，温彻斯特硬盘还有很多潜力可挖．远没有到穷途末路的程度。在这种背景下，我们想请问李工第二个问题，你认为SSD硬盘与传统硬盘相比，二者的优缺点都在哪些地方?
李：SSD迅猛发展的趋势是不可逆转的，主要有两方面的因素：其一是速度，传统硬盘想提高速度要受限于机械结构，而SSD硬盘则没有这方面的顾虑，其二是抗振能力，大家都知道硬盘在工作时是非常忌讳振动的，但SSD硬盘的部件是完全固化的，也就是说外界如何振动对硬盘没有影响。单靠这两点就已经决定SSD硬盘的优势了。
实际上我们综合整个计算机的发展史来看，无外乎就是两个字――“性能”。无论CPU也好、内存也好，还有显卡等配件都是在向性能更高的方向努力。作为硬盘来说也是这样，用户在使用中遇到了瓶颈，而我们提供一个更好的解决方案，让你有更陕的速度和方便性(抗震能力)，很多用户是乐意买单的。除此之外，像一些节能、静音之类的好处，就算是SSD产品附送的吧。
当然我们也不能只考虑好的方面，SSD硬盘虽然是未来的趋势，但在当前看来背上还压着两座“大山”。
首先是容量，现在我们最大容量的SSD产品是128GB，使用了16颗闪存颗粒，我们预计在今年年底的时候可以实现256GB的产品；但民用领域很早就有1TB的硬盘上市，所以在容量上SSD短期之内不会占到什么优势。
其次是价格，很多人说现在SSD都是“天价”。这主要涉及初期研发成本的分摊，等到价格合理之后，相信很多人都会选择SSD产品，不过在推广前期主要是一些高端市场的应用，如服务器、军工等领域。
换个角度来考虑这个问题，你认为给笔记本电脑换块硬盘很难么?这是用户很正常的一种需要，到时候很多朋友会选择给计算机换一块SSD硬盘，就像现在升级其它配件一样的简单、合理。
MC：现在除了最热门的NAND型闪存存储介质外，SSD硬盘有没有使用其它的介质呢?
李：从现阶段来看，基本上都是NAND型闪存的天下。以前有直接用SDRAM作为存储介质的，但是现在这部分产品正在逐渐消亡；至于新型介质，诸如相变存储等在市场上还没有实际的动作，更多的还处于实验室研发阶段。
Part 2：固态硬盘技术上的固有优势和不足
MC：我们知道固态硬盘最早出现在一些有特殊需求的专业领域。例如作为军用级存储器等。所以固态硬盘的读写速度都非常快，李工能不能给我们介绍一下，固态硬盘为什么能够实现这么快的读写速度。
李：很多人认为SSD硬盘使用了特殊的闪存颗粒，其实不然，SSD硬盘能够实现决速读写主要是控制算法和多颗颗粒并联的功劳――大家都知道磁盘矩阵RAID是怎么回事，在SSD内部实际上也有类似的结构，就是用若干颗颗粒做“RAID”来提高SSD硬盘的存取速度。
现在我们很多产品都使用了16颗NAND颗粒并联，这样就可以达到比传统硬盘更快的内部传输速度。但实际上在很多应用场合用不到这么快的速度，比方说有些廉价笔记本电脑就只需要简单的存储功能，它不需要这么高的配置。我们也可以使用8颗、4颗、2颗甚至单颗颗粒来做存储单元，只不过速度上没有16颗那么夸张。
MC：刚才李工提到了纠错机制，能不能给我们的读者详细介绍一下?另外，很多人都听说过NAND颗粒有使用寿命限制的说法。那么SSD硬盘是如何解这个问题的呢?
李：很有趣的一个问题，纠错这个概念说起来非常简单，但是深入研究下去也是一个很大的话题。防止SSD硬盘犯错实际上有“两重保护”，第―层是NAND颗粒自带的坏块纠正功能，也就是用完好的数据块来替代出现问题的数据块，这是NAND颗粒自有的一种屏蔽坏块的能力；第二层就是颗粒在组成RAID的时候冗余纠 错能力，刚才说到控制IC的算法，在纠错过程中就起到了主要的作用。
至于使用寿命的限制，NAND型颗粒分为两种，SLC(single LevelCell，单级单元存储)与MLC(MultiLevel Cell，多级单元存储)――前者的写入次数大约有10万次，后者在一万次左右，不过随着技术的发展，MLC的可写入次数也得到了很大的提高。现阶段SSD硬盘使用的都是SLC，也就是说保守估计也有10万次的写寿命。我们来做一个算术题，一块64GB的硬盘，我们每天给它写入3200GB的数据(这是非常夸张的情况了)，平均到每个存储单元也就是每天50次写入。它可以用多长时间呢?5年半，这个寿命已经非常高了!
可能有人会提反对意见，他们会说硬盘反复读写同一块区域，所以你这种算法不对!其实这是他们不了解SSD硬盘，传统硬盘由于机械结构的限制，所以必须把重要的基础数据放在磁头能够“随手找到”的地方(诸如0磁道)；但是SSD硬盘不一样，存储芯片上的任何位置对控制IC来讲都是一样的、一视同仁的，而且控制IC的一个重要作用就是平衡负载，平衡每一次写入命令，不会拿某块区域“死磕”(笑)。
MC：非常生动有趣的解答，我们再来关心一下容量方面的问题。传统硬盘想要提高容量的话，不外乎提高单碟密度以及靠碟片堆积出更高的容量。那么在SSD硬盘上我们要如何实现更高的容量呢?
李：从这些年来的趋势看，几乎每年NAND颗粒的最大容量都在翻倍。现在我们可以用16颗每颗64Gb的颗粒组成128GB的容量”，到今年年底的时候大概就可以使用单颗128Gb的芯片实现256GB容量。
*注 业界通常用“Gb”来表示颗粒的容量大小，而用“GB”则是计算机上关于存储器(成品)容量大小的的单位，1Byte=8bit，1GB=8Gb。
所以说现在基本上都是靠提高单颗颗粒的容量来增加总容量。或许很多朋友会纳闷，为什么不增加颗粒数量?这是有原因的，首先最大的限制来自控制IC方面，颗粒数量从16增加到32，对于控制IC来说，设计难度将成几何级数地增加――因为其中要涉及到信号接口的问题、芯片并联时管理算法的问题、纠错的问题乃至信号之间干扰的问题等。
其次，成本上的增加。现在32GB的产品对普通用户来说都是“天价”，那么造出来更高容量的产品卖给谁?就算有些场合真的需要，用户还可以再买一块SSD硬盘来增加容量。所以说盲目增加SSD硬盘的容量在现在看来没有必要，必须根据用户的需求来逐步提高。
MC：在接口规范上，现在的SSD依然使用通用的SAS或者SATA接口。鉴于SSD硬盘内部很高的传输速度．以及需要一颗转换芯片来实现到SATA的信号输出，以后有没有可能单独设计出一种接口给SSD硬盘专用呢?
李：这个问题很有意思，也很有想法。但从某种意义上来说，“没有规矩、不成方圆”，既然大家都在使用SAS还有SATA接口，那么我们做硬盘产品来卖也肯定要跟着大家一起走，大家用什么规范，我也用什么规范。如果单独做一个接口出来，很多场合却不能用，或者再设计配套的设备，无疑又是一笔很大的开支。
从近期来看，很多厂商都有推出Express接口产品的打算，因为很多笔记本电脑的该接口的都是空闲的。
至于以后会不会有新的接口出来，这个问题现在还很难说。只有当现有的接口成为瓶颈的时候，才会有人站出来主持新标准的制定，但SATA和Express接口现在还有很长的生命周期。
Part 3：读者有问
广东东莞 徐 浩：现在大容量的硬盘都会设计有高速缓存。那么在SSD硬盘中是否仍然会保留这种设计呢?
李：高速缓存在SSD硬盘中仍将扮演一个非常重要的角色，我们现在128GB的SSD硬盘中设计有32MB的SDRAM Cache。这个Cache的作用非常大，首先它可以统一调配系统的的读写命令，大量统计调查的结果发现写命令发生的几率是O.29，而读取命令的几率是0.71，而且经常是两种命令互相掺杂，Cache就起到一个缓冲器的作用。
另外，我们还赋予Cache一项新的使命，那就是平衡每个存储单元的寿命。Cache和控制IC和协调写入文件的存放位置，避免重复多次写入同一地址。这点对小文件、多IOPS(每秒输入输出次数)的应用场合非常实用。引入大容量缓存之后，保守估计可以延长NAND颗粒的使用寿命4倍左右。
辽宁铁岭 田夏军：SSD硬盘的容量越大是否意味着功耗也越大呢?还有就是SSD硬盘的功耗与温彻斯特硬盘相比如何?
李：首先要纠正大家的一个概念，很多人在使用闪盘产品时会觉得产品非常烫，会误以为NAND芯片的发热量非常大。其实这是不对的，发热的是控制IC，尤其是一些劣质控制IC发热量是非常恐怖的，而NAND颗粒本身的发热量非常小。
现在我们能够实现的是SSD硬盘启动功率2.5W、正常读写的功率1.5W，待机闲置状态的功率0.6W，这其中主要是FPGA控制芯片的功耗，以后换成专用控制IC之后该数值还会进一步降低。SSD硬盘的发热量与容量没有直接关系，因为在读写过程中控制IC只是激活相关的存储单元，而其它存储单元都处于休眠状态。
写在最后
感谢李先生做客专家讲堂，通过这次直接对话我们希望能够让大家对SSD产品有一个更直接和清晰的认识。我们现在可以清晰地勾勒出一幅蓝图：SSD产品会率先出现在一些要求商陛能、低功耗以及苛刻振动条件的场合，极端发烧友玩家也会选择尝鲜，随着MLC产品的问世，更多的笔记本电脑用户会投入SSD的怀抱，而传统的温彻斯特硬盘仍将存在很长一段时间，毕竟大容量和低成本的优势是SSD短期内无法突破的。
在下一期的专家讲堂里，我们将邀请长城电源的工程师，来与大家一次谈谈电源新国标，如果大家有这方面的问题，赶紧发给我们吧()!