在今天的智能社會(huì)，數(shù)據(jù)成為了最為重要的資源。根據(jù)Statista 的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，2020年全球數(shù)據(jù)產(chǎn)生量達(dá)到了47ZB，而到2035年這一數(shù)字將達(dá)到2142ZB，全球數(shù)據(jù)量的增長呈現(xiàn)爆發(fā)之勢(shì)。面對(duì)如此巨量的數(shù)據(jù)，想要充分地加以利用，就需要有地方好好的“安放”，因此對(duì)于海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求也就越來越強(qiáng)烈。

相當(dāng)長一段時(shí)間里，大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要依靠的是機(jī)械硬盤（HDD），其原理是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤中，靠盤片的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氣流來托起磁頭，并由步進(jìn)電機(jī)來推動(dòng)磁頭進(jìn)行換道數(shù)據(jù)讀取，內(nèi)部構(gòu)造非常精密，也較為復(fù)雜。而且經(jīng)過多年的發(fā)展，這種存儲(chǔ)方案也越來越接近其性能的“天花板”。

因此作為“顛覆者”的新技術(shù)出現(xiàn)了，這就是固態(tài)硬盤（SSD）。由于SSD是直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中（主要是NAND閃存），可以享受到半導(dǎo)體工藝技術(shù)進(jìn)步帶來的“紅利”，不斷提升存儲(chǔ)密度；而且由于沒有機(jī)械硬盤那樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)，SSD整個(gè)系統(tǒng)也更為簡潔、緊湊。具體來講，SSD的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

讀寫速度快：由于采用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，SSD讀取速度相對(duì)機(jī)械硬盤更快。比如常見的7200轉(zhuǎn)機(jī)械硬盤的尋道時(shí)間一般為12-14毫秒，而固態(tài)硬盤僅為0.1毫秒甚至更低。

防震性能好：機(jī)械硬盤由于有精密的機(jī)械部件，因此比較“嬌氣”，而SSD內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，即使在高速移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)傾斜的情況下也能正常使用，在發(fā)生碰撞和震動(dòng)沖擊時(shí)數(shù)據(jù)丟失的可能性也更小。

低功耗：機(jī)械硬盤95%的時(shí)間都消耗在機(jī)械部件的動(dòng)作上，由于無需驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件，SSD在功耗上的優(yōu)勢(shì)也很明顯。

無噪音：SSD固態(tài)硬盤沒有機(jī)械馬達(dá)和風(fēng)扇，工作時(shí)自然也就比機(jī)械硬盤更“安靜”。

工作溫度范圍大：與典型機(jī)械硬盤5-55℃的工作溫度范圍相比，大多數(shù)固態(tài)硬盤可在-10-70℃工作，支持更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

重量輕：存儲(chǔ)介質(zhì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的差異，也使得SSD更輕，有利于為總的系統(tǒng)減重。

正是因?yàn)橛猩鲜鲋T多好處，所以大家對(duì)于SSD的興趣也越來越濃厚。根據(jù)HIS的預(yù)測(cè)，2020年全球HDD機(jī)械硬盤和SSD固態(tài)硬盤的出貨量分別為3.5億和3.2億個(gè)，而預(yù)計(jì)在2021年，SSD的出貨量將首次反超HDD，達(dá)到3.6億個(gè)。Global Market Insight的研究報(bào)告也顯示，2019年全球SSD市場(chǎng)規(guī)模為550億美元，到2026年將超過1250億美元，平均復(fù)合增速約為15%。

更高的容量

順應(yīng)著市場(chǎng)的需求，SSD也在加快自身技術(shù)發(fā)展的步伐。不斷提升容量，就是SSD技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要主攻方向。

多層單元 （Multi-Level Cell）是SSD增加容量的一個(gè)主要技術(shù)方法。正常的存儲(chǔ)單元一般都只存儲(chǔ)1 bit 的數(shù)據(jù)，而“多層單元”故名思義，就是增加每個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)的bit數(shù)目，以此來增加單位存儲(chǔ)空間內(nèi)的存儲(chǔ)密度。

目前SSD已經(jīng)發(fā)展出了SLC、MLC、TLC和QLC四個(gè)不同架構(gòu)，它們?cè)诿看鎯?chǔ)單元中可以存儲(chǔ)的bit數(shù)目分別為1-bit、2-bit、3-bit和4-bit，對(duì)應(yīng)的電壓狀態(tài)（可代表的數(shù)據(jù)）分別為1、4、8和16。

不過隨著數(shù)據(jù)“密度”的增加，在存儲(chǔ)器件的耐用性和讀取速度上也會(huì)有折衷，因此這四種架構(gòu)的SSD也就逐漸形成了自己典型的應(yīng)用領(lǐng)域。一般來講。SLC和MLC價(jià)格較高，性能和耐用度也更佳，因此在企業(yè)級(jí)和一些專業(yè)應(yīng)用中更適合；而TLC和QLC的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯，在民用領(lǐng)域人氣更高。

在提升SSD存儲(chǔ)容量上，另一個(gè)重要的技術(shù)努力就是3D NAND。傳統(tǒng)上，存儲(chǔ)單元可以看作是在硅芯片表面上的二維（2D）排列的陣列，就像是一片“平房”；而當(dāng)數(shù)據(jù)太多不夠“住”的時(shí)候，就需要考慮提升單位面積的“容積率”，通過利用3D的空間來解決，也就是通過垂直堆疊數(shù)十層甚至數(shù)百層的存儲(chǔ)單元?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)3D的存儲(chǔ)陣列（好似搭建一個(gè)“樓房”），實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)容量。這也是目前領(lǐng)先的NAND閃存制造商主流的技術(shù)方案。

高可靠性的挑戰(zhàn)

不過，無論是多層單元也好，3D NAND閃存也罷，隨著SSD容量的不斷增加，產(chǎn)品可靠性面臨的挑戰(zhàn)也越來越嚴(yán)峻。環(huán)境的任何一個(gè)擾動(dòng)，如電源故障，都可能造成SSD數(shù)據(jù)讀寫上的問題，要么會(huì)影響數(shù)據(jù)的完整性，要么為了確保數(shù)據(jù)的完整性就不得不以犧牲性能為代價(jià)去進(jìn)行糾錯(cuò)。

而且，隨著SSD市場(chǎng)滲透率的增加，其在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、視頻監(jiān)控、智慧工業(yè)等可靠性敏感型領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。因此當(dāng)我們希望去打造一款高容量、高速度SSD的時(shí)候，就必須有相應(yīng)的機(jī)制和技術(shù)措施去確保其同樣具有“高度可靠”的特性，以滿足高耐久性和長期穩(wěn)定性的要求。

提升SSD可靠性是一個(gè)系統(tǒng)工程，除了存儲(chǔ)器件本身的素質(zhì)要過硬，還要在SSD系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上做文章。

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SSD主控制器

首先是SSD主控制器，其具體作用包括合理調(diào)配數(shù)據(jù)在各個(gè)閃存芯片上的負(fù)荷，協(xié)調(diào)和維護(hù)不同區(qū)塊存儲(chǔ)顆粒的協(xié)作；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，連接閃存芯片和外部SATA接口；執(zhí)行固態(tài)硬盤內(nèi)部各項(xiàng)指令，包括實(shí)現(xiàn)與提升耐久性和穩(wěn)定性相關(guān)的磨損均衡（Wear Leveling）等功能。一款SSD主控芯片的好壞，直接決定了固態(tài)硬盤的可靠性和使用壽命，因此其中往往蘊(yùn)藏著SSD廠商獨(dú)門的技術(shù)訣竅。

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固件算法

其次是固件算法，也就是驅(qū)動(dòng)SSD主控制器高效工作的軟件算法。主控基于優(yōu)化的固件算法，可以執(zhí)行自動(dòng)信號(hào)處理、耗損平衡、錯(cuò)誤校正碼（ECC）、壞塊管理、垃圾回收、與主機(jī)通信、數(shù)據(jù)加密等任務(wù)，這很大程度上決定了SSD性能的優(yōu)劣。

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外圍電路

此外，在SSD的外圍電路中，也需要設(shè)置相關(guān)的保護(hù)機(jī)制，以防止過溫、電源中斷等情況對(duì)SSD造成不良影響。

為了滿足高容量、高速度、高可靠性的SSD產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，特別是支持前沿的3D NAND閃存技術(shù)，TDK推出了GBDriver GS2控制器，并在自己的SSD固態(tài)硬盤產(chǎn)品中投入使用。TDK GBDriver GS2是一款高度可靠的兼容3D NAND閃存的控制器，專為工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用而開發(fā)。TDK專有的硬件和固件算法實(shí)現(xiàn)了更快的訪問速度，同時(shí)通過增強(qiáng)抵御電源中斷的能力，可以有效防止數(shù)據(jù)損壞，并通過一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)確保數(shù)據(jù)的完整性，提升整個(gè)SSD的使用壽命。

無懼電源中斷

在SSD可靠性的設(shè)計(jì)中，電源中斷是一個(gè)繞不開的問題，因?yàn)橥话l(fā)的電源故障往往會(huì)引發(fā)高速讀寫的閃存中的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。GBDriver GS2通過三個(gè)舉措，加強(qiáng)了SSD對(duì)電源中斷的耐受性。

第一，采用GBDriver GS2，可以實(shí)現(xiàn)無DRAM緩存的SSD設(shè)計(jì)，這有利于抵御電源故障的影響，同時(shí)降低BOM硬件成本。

第二，GBDriver GS2采用了優(yōu)化的固件算法，在電源中斷發(fā)生時(shí)保持原始數(shù)據(jù)直到數(shù)據(jù)拷貝全部完成，而不會(huì)采用任何拷貝不完整的數(shù)據(jù)。

第三，TDK的SSD還使用了一個(gè)內(nèi)部的備用電源電路，在電源中斷發(fā)生時(shí)，可以讓SSD內(nèi)部供電電壓VCC仍然維持一段時(shí)間，避免ECC錯(cuò)誤的發(fā)生。

上述三個(gè)手段綜合作用，可以說為SSD應(yīng)對(duì)電源中斷的威脅提供了一個(gè)完整的預(yù)案，基于3D NAND的高容量SSD的可靠性也隨之顯著提升。

全面的數(shù)據(jù)保護(hù)

除了電源中斷，基于GBDriver GS2的SSD產(chǎn)品還通過一系列功能和機(jī)制，為SSD的數(shù)據(jù)保護(hù)和可靠使用提供全面的保障。

循環(huán)自動(dòng)刷新功能確保數(shù)據(jù)保持

TDK的SSD配備有循環(huán)自動(dòng)刷新功能，可通過ECC自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)并恢復(fù)錯(cuò)誤，這種“刷新”操作在每次啟動(dòng)和每24小時(shí)執(zhí)行一次。

數(shù)據(jù)錯(cuò)誤恢復(fù)功能

GBDriver GS2具有高級(jí)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤恢復(fù)功能。在從SSD讀取數(shù)據(jù)時(shí)，該功能可以依據(jù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況，依次按照LDPC Hard Bit、LDPC Soft Bit和RAID的順序操作以修復(fù)錯(cuò)誤。特別是在3D NAND的結(jié)構(gòu)中，原有適用于2D NAND技術(shù)的糾錯(cuò)能力已經(jīng)無法滿足要求，這種LDPC+RAID的方案可以有效提高可靠性，增強(qiáng)閃存耐久度和數(shù)據(jù)留存能力。

溫度傳感器和訪問速度限制

在TDK的SSD中，一個(gè)板載的溫度傳感器隨時(shí)監(jiān)控SSD的溫度，可以在超過溫度設(shè)置值時(shí)限制主機(jī)對(duì)SSD的訪問速度，確保SSD的安全運(yùn)行。

寫保護(hù)區(qū)設(shè)置功能

TDK的SSD還可以配置寫保護(hù)區(qū)，從而減少主機(jī)端應(yīng)對(duì)電源中斷的需要。

延長使用壽命

為了延長SSD的使用壽命，TDK的產(chǎn)品執(zhí)行“TDK全局靜態(tài)磨損均衡（TDK SMART SWAP）”功能，根據(jù)NAND閃存單元的P/E次數(shù)高效地調(diào)度數(shù)據(jù)的擦寫操作，還可以根據(jù)需要使用Clipping功能調(diào)節(jié)用戶數(shù)據(jù)區(qū)空間的大小，讓SSD的使用壽命最大化，減少存儲(chǔ)設(shè)備更換頻率，降低客戶的總體擁有成本。

閃存壽命監(jiān)測(cè)

通過TDK SMART閃存壽命監(jiān)測(cè)和耐久性分析程序，用戶可以對(duì)一系列關(guān)鍵的閃存性能參數(shù)一目了然，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)存儲(chǔ)設(shè)備的壽命。這些可持續(xù)監(jiān)測(cè)參數(shù)包括：閃存芯片數(shù)量以及存儲(chǔ)區(qū)塊數(shù)量；總P/E循環(huán)數(shù)、區(qū)塊間最高/最低P/E循環(huán)數(shù)；所有區(qū)塊的總P/E周期；內(nèi)存使用率，壽命指示器等。

基于這些技術(shù)和功能，SSD就可以在全生命周期可靠運(yùn)行，最大限度地確保數(shù)據(jù)的完整性。

高可靠性SSD產(chǎn)品

作為上面這些高可靠性功能的集大成者，TDK推出了基于3D NAND兼容GBDriver GS2控制器的五個(gè)SSD系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品采用最新的MLC類型NAND閃存，速度高達(dá)180MB/s，容量范圍從8GB到1.6TB。最為重要的是它們都具有增強(qiáng)數(shù)據(jù)可靠性所必需的特性，是妥妥的高容量、高速度、高可靠性的“三高”固態(tài)硬盤，在包括運(yùn)輸、制造、能源、IT/金融、娛樂、科學(xué)和醫(yī)療在內(nèi)的廣泛應(yīng)用中，都是理想的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)好“伴侶”。

責(zé)任編輯：haq