固态硬盘（SSD）内部详细结构
固态硬盘（SSD）内部详细结构
固态硬盘（SSD）以其高速读写和低功耗等优点，已经成为现代计算机的重要存储设备。但是，你是否了解过SSD的内部结构？本文将带你深入了解SSD的内部构造，帮助你更好地理解这种重要的存储设备。
SSD与HDD的区别
HDD：
机械硬盘利用磁性来记录数据，类似于我们小时候用来听音乐的磁带。如果我们需要找到某一条数据，硬盘将转动到信息记录的位置，磁头会感应磁性并读取数据。
SSD：
固态硬盘（SSD）是由一系列固态电子存储芯片组成的硬盘。它由控制单元、存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）和缓存单元组成。与机械硬盘不同，机械硬盘由磁盘和磁头等机械部件组成，而固态硬盘的整个结构由电子芯片和电路板构成，而没有机械装置。
根据固态硬盘的定义，我们可以推测固态硬盘的内部结构实际上由三大主芯片、闪存颗粒和缓存单元组成。接下来，让我们一一了解这些组件。
固态硬盘的NAND闪存（最为重要）
闪存是用于存储数据的固态硬盘组件，通常分为SLC、MLC和TLC，它们是选择固态硬盘时最为重要的参数。
- SLC：S代表单个（single）。因此，SLC的每个存储单元只存储1bit的数据。这种存储模型稳定，读写速度快，无错误，寿命长。因此，它也最为昂贵。
- MLC：M代表多（multi），一般表示为两个。因此，每个MLC存储单元包含2bit的数据。
- TLC：T代表三重（triple），没错，正是我们说的“三杀”！
因此，每个TLC存储单元需要挤进3bit的数据。（因为MLC代表多个bit，包括三个，所以一些厂商如三星将其EVO固态硬盘中使用TLC颗粒的称为“3Bit MLC”。）
我们可以将存储空间比作一个庞大的停车场，每个存储单元是一个停车位，每一bit数据就是一辆车。
- SLC NAND闪存：1bit数据占用一个独立停车位，车子可以自由进出，不会出现错误，速度非常快，因为停车位使用频率低，所以寿命很长，但成本很高（例如SLC mSATA硬盘）。
- MLC NAND闪存：2bit数据占用一个停车位，1辆车和2辆车的进出需要管理员调度，效率稍低，因此速度会较慢。停车位使用频率翻倍，寿命也会缩短。
- TLC NAND闪存：3bit数据挤进一个停车位，进出的调度更加复杂，效率低，速度慢，且更容易出错，寿命短。
虽然我们说TLC颗粒寿命较短，但这是相对于SLC和MLC来说的。经过严苛测试后，TLC颗粒在正常使用中已经能够稳定工作超过五年。基于TLC颗粒的固态硬盘最为常见，主要是由于TLC颗粒价格更加亲民，适合普通用户，因此最为普遍。
控制芯片
如果存储空间是一个大停车场，那么控制芯片就是这个停车场的“管理员”。他负责精确合理地将每一辆车（数据）导引到其正确的停车位。
对于这样一个规模的停车场，特别是TLC颗粒停车场，其中三辆车挤在一个停车位里，管理员的工作压力非常大。因此，“管理员”（控制芯片）必须具备优秀的硬件素质和成熟的管理方式（固件）。
一个好的控制芯片+优秀的固件就像是有经过专业训练的警察来管理停车场，而一个糟糕的控制芯片和固件就像是让没有受过教育和培训的、瘦弱的人来管理停车场，造成效率低下和错误。即便停车场本身很坚固，长时间管理不善也会导致停车场无法正常使用。
优秀的控制芯片品牌有Marvell、SandForce、三星、英特尔、东芝 等。近年来，台湾一些领先品牌如SMI和Phison也逐渐赶上。
缓存
当你需要存储大量数据时，也就是当停车场一次性进入许多车辆时，控制芯片（管理员）会感到力不从心。但是，CPU非常强大：“我已经把这么多车（数据）交给你了，你不能让我等待！我还有很多事情要做！”
如果没有缓存，CPU将不得不等待，而用户会觉得“慢”或者“卡顿”。但如果有缓存，管理员就可以说：“我先将剩下的车停在临时停车场，而我可以在忙碌的同时为它们安排合适的停车位。”这样，CPU可以继续执行其他任务，用户就会感觉计算机速度“快”且“流畅”。
然而，缓存的缺点是，如果硬盘没有防止断电的保护，数据可能会丢失。（正规厂商会有防电断保护措施，所以不必太担心。）
3D NAND堆叠技术
这是近年来才开始流行的技术。继续沿用停车场的比喻，这个技术是有道理的。
3D堆叠技术是由于近几年固态硬盘容量的不断增加，存储单元之间的密度变得越来越大，因此我们将普通的单层停车场替换为多层停车场。这样，每个停车位之间的挤压减少，干扰也减少，因此性能更好。对于制造商而言，成本也更低。
接口（Interface）、总线（BUS）、协议（Protocol）
由于固态硬盘近年来的快速发展，新旧产品交替技术，市场上固态硬盘的接口（Interface）和协议有些杂乱，存在不断割裂的情况，但幸运的是，我能帮助你掌握其中的要点。
接口（Interface）
接口（Connector）是由几根不同形状的导电铜线构成的插头。市场上主流的固态硬盘接口有SATA、mSATA、M.2和PCI-E槽。
这些接口除了外观不同之外，在性能上也有很大区别。
总线
总线是我们看不见的东西，可以理解为数据传输的“高速公路”。SATA总线和PCI-E总线是两种主要的总线类型。
如果我们从P城市开车到Y城市，选择PCI-E总线就像是走一条直达的高速公路，而选择SATA总线就像是走一条绕远的城市和乡村道路。
PCI-E总线有多个等级，PCI-E x1、PCI-E x2、PCI-E x4、PCI-E x8、PCI-E x16。数字越大，速度越快。目前的固态硬盘大多为x2或x4等级，速度可达到3000MB/s以上。有些朋友可能会想到，我们使用的显卡通常是x16等级的。
协议
如上所述，PCI-E ×4 是一条平坦的高速公路，但正如我们所知道的，实际上，高速公路上每辆车的速度也是不同的，跑车总是比普通车快。支持 NVMe 协议的 SSD 就相当于专为这条平坦高速公路设计的跑车。在 PCI-E x4 通道中，不支持 NVMe 的硬盘最多只能运行 1500MB/s，而支持 NVMe 的硬盘至少可以运行 3000MB/s。
架构模型
单端口PCIe SSD
双端口PCIe SSD，带SMBus或I2C
NVMe 管理接口用于发送命令消息，这些消息由标准的 NVMe 管理命令组成，目标是 NVM 子系统中的控制器。这些命令用于访问 PCI Express 配置、I/O 和存储空间，以及特定于管理接口的命令，用于计数、配置和监控 NVM 子系统。
与单端口PCIe SSD相关的NVM子系统
上图展示了与图 3 所示 PCIe SSD 对应的示例 NVM 子系统。该 NVM 子系统由一个与 PCIe 端口 0 相关的控制器和两个与 PCIe 端口 1 相关的控制器组成。管理端点和 SMBus/I2C 端口与每个 PCIe 端口相关联。由于 NVM 子系统包含管理端点，因此所有控制器都有相关的控制器管理接口。
与带SMBus/I2C的双端口PCIe SSD相关的NVM子系统
管理接口请求和响应消息作为 MCTP 消息传输，消息类型通过 MCTP 设置为 NVM Express 管理消息（见 MCTP ID 和代码规范）。所有命令消息都源自管理控制器，响应消息由管理端点生成。