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1簡介

硬碟有機械硬碟和固態硬碟之分。機械硬碟即是傳統普通硬碟,主要由:碟片,磁頭,碟片轉軸及控制電機,磁頭控制器,數據轉換器,介面,緩存等幾個部分組成。
機械硬碟中所有的碟片都裝在一個旋轉軸上,每張碟片之間是平行的,在每個碟片的存儲面上有一個磁頭,磁頭與碟片之間的距離比頭髮絲的直徑還小,所有的磁頭聯在一個磁頭控制器上,由磁頭控制器負責各個磁頭的運動。磁頭可沿碟片的半徑方向運動,加上碟片每分鐘幾千轉的高速旋轉,磁頭就可以定位在碟片的指定位置上進行數據的讀寫操作。硬碟作為精密設備,塵埃是其大敵,必須完全密封。

2相關區別

固態硬碟(Solid State Disk或Solid State Drive),也稱作電子硬碟或者固態電子盤,是由控制單元和固態存儲單元(DRAM或FLASH晶元)組成的硬碟。固態硬碟的介面規範和定義、功能及使用方法上與機械硬碟的相同,在產品外形和尺寸上也與機械硬碟一致。由於固態硬碟沒有機械硬碟的旋轉介質,因而抗震性極佳。其晶元的工作溫度範圍很寬(-40~85攝氏度)。廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監控、網路監控、網路終端、電力、醫療、航空等、導航設備等領域。由於成本較高,正在逐漸普及到DIY市場。
由於固態硬碟技術與機械硬碟技術不同,所以產生了不少新興的存儲器廠商。廠商只需購買NAND存儲器,再配合適當的控制晶元,就可以製造固態硬碟了。新一代的固態硬碟普遍採用SATA-3介面。
固態硬碟的存儲介質分為兩種,一種是採用快閃記憶體(FLASH晶元)作為存儲介質,另外一種是採用DRAM作為存儲介質。
基於快閃記憶體的固態硬碟(IDE FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk):採用FLASH晶元作為存儲介質,這也是我們通常所說的SSD。它的外觀可以被製作成多種模樣,例如:筆記本硬碟、微硬碟、存儲卡、優盤等樣式。這種SSD固態硬碟最大的優點就是可以移動,而且數據保護不受電源控制,能適應於各種環境,但是使用年限不高,適合於個人用戶使用。在基於快閃記憶體的固態硬碟中,存儲單元又分為兩類:SLC(Single Layer Cell單層單元)和MLC(Multi-Level Cell多層單元)。SLC的特點是成本高、容量小、但是速度快,而MLC的特點是容量大成本低,但是速度慢。MLC的每個單元是2bit的,相對SLC來說整整多了一倍。不過,由於每個MLC存儲單元中存放的資料較多,結構相對複雜,出錯的幾率會增加,必須進行錯誤修正,這個動作導致其性能大幅落後於結構簡單的SLC快閃記憶體。此外,SLC快閃記憶體的優點是複寫次數高達100000次,比MLC快閃記憶體高10倍。此外,為了保證MLC的壽命,控制晶元都校驗和智能磨損平衡技術演算法,使得每個存儲單元的寫入次數可以平均分攤,達到100萬小時故障間隔時間(MTBF)。
基於DRAM的固態硬碟:採用DRAM作為存儲介質,應用範圍較窄。它仿效機械硬碟的設計、可被絕大部分操作系統的文件系統工具進行卷設置和管理,並提供工業標準的PCI和FC介面用於連接主機或者伺服器。應用方式可分為SSD硬碟和SSD硬碟陣列兩種。它是一種高性能的存儲器,而且使用壽命很長,美中不足的是需要獨立電源來保護數據安全。
固態硬碟的優點
固態硬碟與機械硬碟比較,擁有以下優點:
1. 啟動快,沒有電機加速旋轉的過程。
2. 不用磁頭,快速隨機讀取,讀延遲極小。根據相關測試:兩台電腦在同樣配置的電腦下,搭載固態硬碟的筆記本從開機到出現桌面一共只用了18秒,而搭載機械硬碟的筆記本總共用了31秒,兩者幾乎有將近一半的差距。
3. 相對固定的讀取時間。由於定址時間與數據存儲位置無關,因此磁碟碎片不會影響讀取時間。
4. 基於DRAM的固態硬碟寫入速度極快。
5. 無噪音。因為沒有機械馬達和風扇,工作時噪音值為0分貝。某些高端或大容量產品裝有風扇,因此仍會產生噪音。
6. 低容量的基於快閃記憶體的固態硬碟在工作狀態下能耗和發熱量較低,但高端或大容量產品能耗會較高。
7. 內部不存在任何機械活動部件,不會發生機械故障,也不怕碰撞、衝擊、振動。而且在筆記本電腦發生意外掉落或與硬物碰撞時能夠將數據丟失的可能性降到最小。
8.工作溫度範圍更大。典型的硬碟驅動器只能在5到55攝氏度範圍內工作。而大多數固態硬碟可在-10~70攝氏度工作,一些工業級的固態硬碟還可在-40~85攝氏度,甚至更大的溫度範圍下工作。
9. 低容量的固態硬碟比同容量硬碟體積小、重量輕。但這一優勢隨容量增大而逐漸減弱。直至256GB,固態硬碟仍比相同容量的機械硬碟輕。
固態硬碟的缺點
固態硬碟與機械硬碟比較,擁有以下缺點:
1. 成本高。每單位容量價格是機械硬碟的5~10倍(基於快閃記憶體),甚至200~300倍(基於DRAM)。
2. 容量低。目前固態硬碟最大容量遠低於機械硬碟。固態硬碟的容量仍在迅速增長,據稱IBM已測試過4TB的固態硬碟。
3. 由於不像機械硬碟那樣屏蔽於法拉第籠中,固態硬碟更易受到某些外界因素的不良影響。如斷電(基於DRAM的固態硬碟尤甚)、磁場干擾、靜電等。
4. 寫入壽命有限(基於快閃記憶體)。一般快閃記憶體寫入壽命為1萬到10萬次,特製的可達100萬到500萬次,然而整台計算機壽命期內文件系統的某些部分(如文件分配表)的寫入次數仍將超過這一極限。特製的文件系統或者固件可以分擔寫入的位置,使固態硬碟的整體壽命達到20年以上。
5. 基於快閃記憶體的固態硬碟在寫入時比機械硬碟慢很多,也更易受到寫入碎片的影響。
6. 數據損壞后難以的恢復。傳統的磁碟或者磁帶存儲方式,如果硬體發生損壞,通過的數據恢復技術也許還能挽救一部分數據。但如果固態硬碟發生損壞,幾乎不可能通過數據恢復技術在失效(尤其是基於DRAM的)、破碎或者被擊穿的晶元中找回數據。
7. 根據實際測試,使用固態硬碟的筆記本電腦在空閑或低負荷運行下,電池航程短於使用5400RPM的2.5英寸機械硬碟。
8. 基於DRAM的固態硬碟在任何時候的能耗都高於機械硬碟,尤其是關閉時仍需供電,否則數據丟失。
9. 據用戶反映,使用低廉的MLC的固態硬碟在Windows操作系統下運行比機械硬碟慢。這是由於Windows操作系統的文件系統機制不適於固態硬碟。在Linux下無此問題。
固態硬碟產品
現有的固態硬碟產品有3.5英寸,2.5英寸,1.8英寸等多種類型,容量一般為16~256GB,比一般的快閃記憶體盤(U盤)大。介面規格與機械硬碟一致,有UATA、SATA、SCSI等。
在CES 2008上,專業固態硬碟廠商BitMicro Networks展示了一款採用SCSI介面的專業級固態硬碟產品的內部結構(見右圖)。該產品在一塊PCB上焊接了32顆TSOP封裝的NAND快閃記憶體晶元。BitMicro透露,該產品每GB平均價格為10美元左右,大約是主流機械硬碟的5倍。
朗科在2008年也推出了號稱「國內第一款」固態硬碟產品。而憶正則宣稱已於2007年就已推出國內第一款固態硬碟產品。緊隨其後中基偉業也推出號稱"全球最快"的固態硬碟產品,鎂光堪稱推出速度為1GB/S的固態硬碟(用固態硬碟作陣列)。
SSD固態存儲的局限性
雖然S S D比磁碟技術似乎有巨大的優越性,但是也存在著一些缺點。首先它的價格昂貴,因為內存的花費差不多是磁碟存儲的1 0 0倍。其次,它們通常由易失型D R A M組成,一旦斷電,數據將永久地丟失。為了避免數據丟失,S S D應該採用後備電池保護。最後,因為S S D並不是緩存,因此,它不是將少量的數據塊刷新到非易失存儲,而是將S S D的整個內容進行拷貝。雖然對於目標磁碟驅動器或子系統,其容量及持續寫的傳輸率也不盡相同,但對這個操作的合理估計是1 G B / m i n。
其管理方法之一是使用磁碟驅動器來鏡像S S D,然而,處理鏡像驅動器的I / O卻需要額外的開銷,這就對S S D的整體I / O傳輸率產生負面影響。但無論如何,至少在完成到鏡像磁碟的鏡像寫操作中,它所花費的時間是極小的。
由於某些原因,包括晶元密度、散熱性能等,S S D的容量總是小於磁碟驅動器。當考慮到磁碟子系統時,容量差別更是巨大。這意味著使用S S D的應用要受到S S D的存儲容量的限制。然而,值得指出的是,S S D可以用在磁碟子系統中以提供高性能的存儲。
綜上所述,較高的售價阻礙了SSD固態硬碟的普及,價格高於同容量的機械硬碟幾倍甚至幾十倍。
SSD固態硬碟的容量較小,和動輒500GB甚到上TB的硬碟,而SSD固態硬碟最高容量僅為128GB。缺乏終端設備的支持也是SSD固態硬碟所面臨的另一大問題。
雖然固態硬碟還受著成本、容量等因素的制約,但是隨著Vista操作系統的普及,SSD固態硬碟的規格不斷升級以及發展速度將進一步加快,SSD固態硬碟明天會依然燦爛。
機械硬碟與固態硬碟優缺點對比
1、防震抗摔性:機械硬碟都是磁碟型的,數據儲存在磁碟扇區里。而固態硬碟是使用快閃記憶體顆粒(即內存、MP3、U盤等存儲介質)製作而成,所以SSD固態硬碟內部不存在任何機械部件,這樣即使在高速移動甚至伴隨翻轉傾斜的情況下也不會影響到正常使用,而且在發生碰撞和震蕩時能夠將數據丟失的可能性降到最小。相較機械硬碟,固硬佔有絕對優勢。
2、數據存儲速度:從PConline評測室的評測數據來看,固態硬碟相對機械硬碟性能提升2倍多。
3、功耗:固態硬碟的功耗上也要高於機械硬碟。
4、重量:固態硬碟在重量方面更輕,與常規1.8英寸硬碟相比,重量輕20-30克。
5、噪音:由於固硬屬於無機械部件及快閃記憶體晶元,所以具有了發熱量小、散熱快等特點,而且沒有機械馬達和風扇,工作噪音值為0分貝。機械硬碟就要遜色很多。
6、價格:市場上80G Intel固態硬碟,價格為4000元左右。而這個價錢足夠買幾個容量為1TB的機械硬碟了。
7、容量:固態硬碟目前最大容量僅為512G(目前IBM公司已經開始測試容量為4TB的高速固態硬碟組),和機械硬碟最大按TB容量衡量相比差距很大。
8、使用壽命:SLC只有10萬次的讀寫壽命,成本低廉的MLC,讀寫壽命僅有1萬次;比起機械硬碟毫無優勢可言。
固態硬碟安全
與傳統的硬碟驅動器相比,固態磁碟驅動器可能會提供更好的數據安全性,但是專家表示,它並沒有完全的清除數據,而且對來自Light Sources高輸出型燈如紫外線激光器的物理攻擊的抵禦能力較弱。 儘管它們相對來說成本較高,而且耐用性比較好,但是固態磁碟驅動器還是廣受歡迎,特別是在攜帶型計算機上,因為它們具備電源消耗低,數據訪問速度快的特點。專家表示,隨著固態磁碟驅動器技術的使用越來越廣泛,並且滲透到其它手持設備如智能手機領域之後,在固態磁碟驅動器上保護數據的安全會成為一個更受關注的問題。
一家半導體研究和諮詢公司Objective Analysis的總裁Jim Handy說,很多固態磁碟驅動器使用行業標準的、專為攝像機和MP3播放器設計的NAND快閃記憶體晶元,因此它們沒有物理安全漏洞,不會阻止其從存儲容器(Enclosure)中轉移。黑客可以輕鬆地將NAND晶元從固態磁碟驅動器上分離開,然後使用快閃記憶體晶元程序讀取其上的數據。
一旦數據被讀取之後,就可以使用數據恢復軟體來重組文件。Handy說:「這個過程確實沒有什麼複雜的。」
博客站點bunnie工作室的一位專門攻擊晶元的黑客Bunnie說,另一個物理攻擊包括使用紫外線激光器來消除鎖定位(lockbit)或者是加密鎖----其位於晶元的保險絲上,用於保護固態磁碟驅動器。在鎖定位消除之後,可以通過標準方法來讀取SSD上的數據陣列。
Bunnie說:「一旦數據解除鎖定,根本不需要什麼特別的設備就能夠讀取該數據陣列。」例如,數據陣列可以使用常規的ROM讀取器來讀取,該設備通常意味著要燒錄並檢驗不安全的ROM設備。
Kilopass市場總監Craig Rawlings說,為了降低黑客竊取數據的可能性,加密鎖可以整合到固態磁碟驅動器控制器設備內部,用於從硬體層上解決磁碟加密問題。Kilopass出售的產品使用超級永久可編程存儲器(XPM)技術,在片上系統設備上存儲加密鎖。
雖然加密鎖也會受到攻擊,但是專家認為,加密是在固態磁碟驅動器上保護數據安全的首要之事。很多公司,包括Safend和Encryptx都有這方面的產品,可以在存儲設備如SSD上對數據進行加密。
Kroll Ontrack數據恢復高級工程師Sean Barry說,加密增加了又一道防線,因此,黑客們必須繞過加密層和控制器,然後重組原始數據,這樣才能成功地竊取數據。這需要花費一定的時間,而這段時間內,數據有可能已經無效或者失去價值了。
加密也使得固態磁碟驅動器上的文件更易清除。iFixlt的CEO Kyle Wiens說,和硬碟驅動器一樣,雖然SSD創建了多個文件備份,但是加密軟體可以幫助你擦除受保護的文件。
Wiens說:「每一次當你往SSD上寫數據時,其有可能寫到了硬碟的另一個地方,然後再修改目錄表。這樣,它就忘記了之前數據存放的地址。」用戶可能會刪除一個文件,但是另一個分區上的副本可能還是安然無恙。
Wiens說,固態磁碟驅動器的損耗平衡功能(基於某一演算法)可以在所有存儲晶元單元上均衡地消除和寫入數據,從而使各存儲晶元單元的老化速度達到均衡,這樣,文件就很難完全的清除。
Intel Fellow--- Knut Grimsrud表示,某些加密軟體會監視損耗平衡過程來跟蹤文件的痕迹,然後,可以使用安全的消除命令來刪除這些痕迹。安全擦除(Secure erase)是一個用於安全刪除文件的命令,需要加密軟體的支持。
Grimsrud說:「如果所有軟體都是在邏輯塊定址(LBA)頂層寫入數據的,我認為它在固態磁碟驅動器上的效率可能並不高,因為其可能已經失去先前的損耗平衡或其它類似功能所帶來的效率提高,而軟體並不知道這點。」邏輯塊定址(LBA)指定了存儲設備上數據塊的存儲地址。
總之,刪除固態磁碟驅動器上的數據要比刪除硬碟驅動器上的數據容易,這有好有壞。KrollOntrack的Barry說,數據被存儲在固態磁碟驅動器的電子管上,消除電子管,數據就會被沖刷掉。而在硬碟驅動器上,為了防止數據被讀取,數據不得不被覆蓋或者是遭受物理損壞。
Barry說,從快速的角度來看,數據沖刷有其自身的優勢,但是從不好的角度來看,固態磁碟驅動器上的數據往往比較隨意,很容易丟失。
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