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什麼是SSD(固態硬碟)

以 NAND 型快閃記憶體與控制器儲存資料的輔助記憶裝置。沒有機械運動部件，具有比 HDD 更快的隨機存取與更好的耐衝擊性。

日文名稱: SSD

「SSD(固態硬碟)」出現在9領域的30道練習題中（SRAM與快閃記憶體, 介面與匯流排規格, CPU與架構等）。

這個名詞所屬的領域: SRAM與快閃記憶體

SSD 的構成

SSD（Solid State Drive，固態硬碟）是在基板上搭載多顆 NAND 型快閃記憶體晶片、管理它們的控制器，以及多數情況下用來存放位址對應表的 DRAM 的儲存裝置。控制器負責將邏輯位址對應到快閃記憶體上實體位置的 FTL、更正錯誤的 ECC、將寫入分散到整體的損耗平均，以及抹除不再需要的區塊以產生可用空間的垃圾回收等。藉由以多個通道平行驅動許多晶片，得到比單一晶片更高的傳輸速度。

介面與外形

SSD 與主機的連接方式有與 HDD 相同的 SATA，以及在 PCI Express 上運作的 NVMe。SATA 在規格上以 6 Gb/s 為上限，實際傳輸速度停留在 500 MB/s 左右。NVMe SSD 使用 PCI Express 的多條通道（多為 x4），依世代不同可達數 GB/s 的傳輸速度，且能平行處理大量命令，延遲也較小。外形有與 2.5 吋 HDD 同樣大小的產品、筆記型電腦等使用的細長基板 M.2，以及資料中心用的外形等。

SSD 與 HDD 的差異

HDD 是在旋轉的磁碟上移動磁頭進行讀寫，因此存取遠處位置需要數 ms。SSD 沒有機械運動部件，即使是隨機讀取也約在數十至 100 µs 內回應，處理大量小檔案時特別快。它的功耗小、耐衝擊與振動，也沒有聲音。另一方面，大容量 HDD 的每單位容量價格一般較便宜，資料中心也仍使用 HDD 保存大量資料。HDD 可以就地覆寫，但快閃記憶體必須先抹除再寫入，這使 SSD 的內部處理變得複雜。

改寫壽命與資料保存

NAND 型快閃記憶體每次改寫都會使單元的絕緣膜劣化，因此 SSD 有可寫入總量的參考值，以 TBW（總寫入量）或 DWPD（每日全容量寫入次數）表示。每個單元儲存位元數較多的 TLC 與 QLC，改寫次數上限一般較低。由主機通知已刪除資料的 TRIM，以及使用者看不到的預留空間（over-provisioning），可抑制寫入放大並延長壽命。斷電狀態下的資料保存期間會因耗損程度與保管溫度而有很大差異，耗損嚴重的 SSD 若長期在高溫下保管，可能遺失資料。

練習SSD(固態硬碟)的題目

SSD 等所使用的損耗平均（Wear Leveling）的目的，下列何者正確？

  1. A壓縮資料以增加容量
  2. B加密資料以保護資料
  3. C不讓寫入集中在特定區塊，而是分散到整體以延長壽命
查看答案與解析

正確答案：C. 不讓寫入集中在特定區塊，而是分散到整體以延長壽命

區塊有改寫次數的上限，因此若總是寫入相同的邏輯位址，只有該處會提早到達壽命。損耗平均中，控制器管理邏輯位址與實體區塊的對應表（FTL），將寫入分配到抹除次數較少的區塊。對於很少改寫的靜態資料也會不時搬移，使所有區塊的損耗一致，進而延長整個產品的壽命。

關於 SSD 的垃圾回收（Garbage Collection），下列說明何者正確？

  1. A從含有無效資料的區塊中，將有效資料搬到別處，再抹除該區塊以製造空白區域的處理
  2. B移除電腦病毒的處理
  3. C壓縮資料的處理
查看答案與解析

正確答案：A. 從含有無效資料的區塊中，將有效資料搬到別處，再抹除該區塊以製造空白區域的處理

NAND 無法覆寫，抹除又只能以區塊為單位，因此每次改寫，舊版本都會以無效頁的形式留下。控制器選擇無效頁較多的區塊，將有效資料搬到別的區塊後抹除原區塊，製造出空白區域。這種多餘的複製是寫入放大的成因，空白容量越少就越頻繁，寫入效能也會下降。

常見問題

SSD 和 HDD 哪一個比較快？

一般而言 SSD 較快，特別是隨機存取：HDD 移動磁頭需要數 ms，而 SSD 約在數十至 100 µs 內回應。大容量 HDD 的每單位容量價格較便宜，因此會依用途區分使用。

NVMe SSD 和 SATA SSD 有什麼不同？

SATA 是為 HDD 設計的介面，規格上以 6 Gb/s 為上限。NVMe 是在 PCI Express 上運作、針對快閃記憶體的方式，藉由多條通道與大量命令的平行處理，可得到更高的傳輸速度與更小的延遲。

SSD 斷電後還能保存資料嗎？

NAND 型快閃記憶體是非揮發性的，斷電後資料仍會保留。不過能保存的期間取決於改寫造成的耗損程度與保管溫度，耗損的 SSD 若長期在高溫下保管，可能遺失資料。

解析中的「SSD(固態硬碟)」

出現「SSD(固態硬碟)」的題目（30題）

  1. SSD 等所使用的損耗平均（Wear Leveling）的目的，下列何者正確？
  2. 關於 SSD 的垃圾回收（Garbage Collection），下列說明何者正確？
  3. 在 TLC 或 QLC 的 SSD 中，把一部分區域當作 SLC 使用、暫時承接寫入的機制，其主要目的為何？
  4. 作業系統把已刪除檔案的區域通知 SSD、使垃圾回收更有效率的指令，下列何者正確？
  5. 與 HDD（硬碟）相比，SSD 的特徵下列何者正確？
  6. 關於 SSD 的「預留空間（Over-provisioning）」，下列說明何者正確？
  7. 關於 SSD 的「寫入放大（Write Amplification）」，下列說明何者正確？
  8. 廣泛用於高速 SSD 與主機連接、利用 PCI Express 的介面規格是下列何者？
  9. 將x4的PCI Express SSD插入主機板上x16長度的插槽，會發生什麼事？（假設插槽的配線為x4以上）
  10. 下列關於網路卡或NVMe SSD等廣泛使用的、利用記憶體上描述子（descriptor）環（ring）的DMA機制，何者正確？
  11. SSD的效能除了連續讀取的頻寬（MB/s）之外，也常以4 KB隨機讀取的IOPS（每秒輸入輸出的次數）來表示，其理由下列何者正確？
  12. 在電腦或伺服器中，DRAM主要用於下列何種用途？
  13. 與 NOR 型相比，NAND 型快閃記憶體的特徵，下列何者正確？
  14. 快閃記憶體中，一個記憶單元儲存 3 位元資訊的方式稱為什麼？
  15. 快閃記憶體的資料保存（retention）特性容易變差的條件為何？

出現這個名詞的比較

相關名詞

DRAM(動態隨機存取記憶體) SLC(單階儲存單元) PCI Express 垃圾回收 TLC(三階儲存單元) 臨界電壓 損耗平均 寫入放大 NVMe NAND 型快閃記憶體

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