固態硬盤（Solid State Disk或Solid State Drive），也稱作電子硬盤或者固態電子盤，是由控制單元和固態存儲單元（DRAM或FLASH芯片）組成的硬盤。

固態硬盤的接口規范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同，在產品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。由于固態硬盤沒有普通硬盤的旋轉介質，因而抗震性極佳。其芯片的工作溫度范圍很寬（-40~85攝氏度）。目前廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監控、網絡監控、網絡終端、電力、醫療、航空等、導航設備等領域。

本文將詳細解析SSD固態硬盤的工作原理，并解析SLC與MLC兩種不同的固態硬盤在性能和安全性上的差異。

SSD工作原理
下面是一個關于NAND閃盤的原理塔圖。從下圖我們可以看到，每一個“單元”就是由一個這樣的晶體管組成的。

在單級單元（SLC）閃存設備中，一個晶體管可容納1-比特數據。您通過電子通道將數據寫入單元；將足夠高的電壓加于兩端，創造一個足夠強大的電場，電子將穿透氧化物進入浮動門。消除電壓，電子將繼續停留在浮動門。將電壓穿越通道而不施加到門上，扭轉偏壓，電子將向另一個方向移動。

簡單的說，這就是閃盤的工作原理-你有兩種狀態，0和1，即使單元沒有電了，狀態也會維持住，因此對存儲設備來說是非常理想的。

編程閃存是一個反復的過程。該控制器將電壓施于門（或通道）上，允許一些電子穿過并檢查單元的臨界電壓。當臨界電壓已達到一些預定的值時，就開始編程并儲存數據了。

MLC與SLC的區別
目前SSD硬盤使用兩種形式的NAND閃存：單級單元（SLC）和多級單元（MLC）。兩者之間的差額是每單元存儲的數據量，SLC每單元存儲1比特而MLC每單元存儲2比特。關鍵在于，SLC和MLC占據了相同大小的芯片面積。因此，在同樣的價格下，MLC可以有兩倍容量的效果。

STEC的SLC和MLC閃存實際上使用了相同的晶體管，不同之處在于怎樣讀/寫這兩個閃存。SLC只有兩個電壓符，因為它只有兩個狀態（0或1）。MLC卻有四個狀態（00，01，10 ，11），因此需要花費較長的時間來訪問，因為你不想意外寫入錯誤的數據；您已有了相同的最大、最小電壓，您現在僅僅有它們兩者之間更多的刻度：

下面是一個關于SLC和MLC性能基本數據的表格：

SLC和MLC的擦除性能是一樣的，MLC閃存的讀取性能需花費兩倍長的時間，寫入性能需花費四倍長的時間。如果您以前聽說過有人抱怨MLC寫入速度，這就是部分原因。不過一定要記住，我們在這里談論的這些數字低得離譜——甚至900微秒寫入MLC閃存的速度都遠遠超過向普通機械硬盤的寫入速度。

SLC的最大優勢不在于它的性能好而在于它的使用壽命長。要了解閃存的耐用性，我們首先需要看看存儲設備的內部構造。

閃存層次和數據丟失
我們已經證實了一個閃存單元可以儲存一個還是兩個比特取決于它是SLC還是MLC設備。把一群單元聚集到一起，就得到了一個page。page是您可以編程（寫入）NAND閃存裝置最小的結構。

大部分MLC NAND閃存的每一page是4KB。一個block是由許多page組成的，在STEC的MLC SSD中一個block包含128 pages（128 pages x 4KB/page = 512KB/block = 0.5MB。Block是您可以擦除得最小結構。

因此，當您寫入SSD時，您一次可寫入4KB數據；但是當您從SSD擦除數據時，您一次不得不刪除512KB。過會兒，我會進一步探討這個問題，但現在讓我們看看當您從一個SSD刪除數據時會發生什么事情。

無論何時您將數據寫入閃存，我們都會反復經歷同樣的編程過程。創建一個電場，電子穿過氧化物并儲存電荷。擦除數據會導致同樣的事情發生，但卻向著相反的方向。問題是電子穿過氧化物的次數越多，就會變的越弱，最終將電壓也不能再阻止電子的自由活動了。這時候，SSD的這個單元就發生故障了。

大約經過一萬次擦除/編程周期后，MLC閃存才會最終出現那個問題。而SLC可使用十萬次，這得益于它的簡單設計。
由于壽命有限，所以SSD必須非常小心地選擇擦除/編程每個單元的時間和方式。請注意，您可以從一個單元里讀取數據，多少次都行，這并不減少單元存儲數據的能力。只有擦除/編程周期才會降低了壽命。

此外需要注意的是，因為SSD沒有擦除block這個概念，唯一擦除block的時候就是寫入新數據的時候。如果您刪除Windows里的一個文件而沒有創建新的文件，SSD實際上并沒有從閃存中移走這個數據，除非您準備好寫入新的數據。
SSD如何保證使用壽命

現在回到編程和擦除SSD數據之間方式的差異上來。您在page上編程，在block上擦除數據。假設您保存了一個8KB的文件，之后決定要刪除它，這可能是您寫給自己的簡單便條，表示您不再需要了。

您保存該文件時，它會以2 pages的形式保存在閃存記憶體中；您將其刪除時，SSD會標記pages為無效，但實際上并不會刪除該block。SSD將等到block中一定比例的pages被標記為無效時，才會復制一些有效的數據到新的pages里去并擦除該block。SSD這樣做是為了限制了每個block擦除的次數，從而延長驅動器壽命。

但是并非所有的SSD都采用同樣的方式來處理刪除請求，因此，從硬盤原理上來說，如何處理刪除請求對SSD安全性產生較大的影響。

我們已經從概況的角度介紹了SLC SSD與MLC SSD的不同，并且闡述了一般SSD的設計者如何通過編程和算法來保證SSD的性能和安全性。希望以上的敘述能幫助讀者進一步了解SSD，進而能夠幫助讀者準確地選擇合適的SSD。

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