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摘要：硬盘并没像PC的“摩尔定律”一样发展，硬盘成高性能PC发展的绊脚石。新兴的SSD技术日益成熟，这种新技术将改进PC系统结构。本文介绍最新SSD技术的进展，并利用SSD技术对传统的PC存储系统结构进行改进的几种方案及优劣比较。
关键词：SSD；存储系统结构；硬盘；Nand Flash
中图分类号：TP334文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10762-02
1 分析目前PC的存储系统结构的问题
1.1 HDD成了存储系统的瓶颈
PC的存储系统结构[1]分为三级：CACHE→RAM→HDD（指硬盘）。现在PC中的cache都是片内cache，所以它的存取速率随着CPU的频率逐年提高而提高。RAM的存取速率也是提高很快，例如从03年主流内存DDR400到现在的主流内存DDR2 533。而HDD存取速度也在提高，但比起上述的存储器则发展速度较慢甚至停滞不前，例如1999年到现在主流的HDD还是7200转。随着DDR2 667和内存双通道技术的普及，三级存储的上两级与HDD的速度差异将更加明显。根据Amdahl定律[2]：
系统加速比s=1/((1-f)+f/k)，f为可改进比例k为部件加速比。
从上述公式可以得到：如果只针对整个任务的一部分进行优化，整个系统加速比不大于1/(1-f)；一方面，它告诉我们一个好的计算机系统：具有高性价比的计算机系统是一个带宽平衡的系统，而不是看它使用的某些部件的性能。所以整个存储系统结构要均衡发展，而HDD在发展中跟不上整个存储系统，成为了瓶颈。
1.2 HDD的性能未能本质上改善
各级存储的存取时间表：
从上表我们可以得知：HDD的存取速度远跟不上其他两级。可怕的是：所有的程序和数据都要从HDD读入高两级。尽管有学者基于磁盘存取和微动控制技术提出了一个超高密度存储设想，将目标定在100Gbit/in2磁存储密度[3]，利用阵列读写磁头和微动控制技术，以期达到100MB/s的传输率。但是以目前的生产工艺水平还十分困难。尚无迹象表明，包含机械运动部件的磁盘，其原始存取性能会得到本质上的改善。目前已采用的解决方案：一是采用磁盘cache，cache命中时性能还不错，70-100MB/s的传输速度。但命中的概率太小了，因为120GB的HDD只有8MB的cache，可谓杯水车薪；二是采用磁盘阵列，理论上能够成倍提高存取速度，但比起上两级的存储器还是数量级的差异，而且成本也成倍提高。
为此，改善磁盘I/O性能除了从系统的角度来考虑外，还要更多的从磁盘性能受限的根本原因——运动部件带来机械延迟，这一事实来考虑，取消机械运动部件。
2 SSD技术的优势和劣势
固态存储器（Solid State Disk），简称SSD。SSD从构成上分成两种[4]：Flash-based SSD（基于Flash的固态存储器）和DRAM-based SSD（基于DRAM的固态存储器）。研究系统结构的目标是追求较好的性价比。DRAM-based SSD目前的价格太高了，例如GIGABYTE公司生产RAMDISK大约要人民币4000元，够买一台高性能PC了，所以本文的SSD不考虑DRAM-based SSD。本文以下的SSD都是指NAND型的Flash-based SSD[5]。
2.1 SSD技术的优势
2.1.1 存取速度快：一个每分钟15000转的硬盘转一圈需要200毫秒的时间，而在SSD上由于是数据是存放在半导体内存上，能够在低于一毫秒的时间内对任意位置的存储单元完成I/O（输入/输出）操作，因此在对许多应用程序来说最为关键的I/O性能指标——IOPs（即每秒多少次IO动作）上，SSD可以达到硬盘的50~1000倍。三星公司生产的SSD，最大的特色在于采用读取速度涡轮加速的 32GB NAND 内存，读取可达 57MB/s、写入可达32MB/s，開机速度和休眠时间则加快25-50%的速度。
2.1.2 耗电量较低：重量不到普通硬盘的一半，而耗电量不到现有硬盘的5%。
2.1.3 防震性好：可以承受500G的冲击力。
2.1.4 相当高的数据安全性：由于数据单元没有采用磁存储，所以数据删除后没有剩磁问题。SSD每次写入前都必须做擦除，所以SSD删除数据后做一次写入就能彻底清除数据。而传统硬盘删除数据后做10次写入，仍然有15%的概率能够读出该数据。采用SSD有利提高pc的数据安全，特别是个人电脑的超级用户密码、个人网上银行的账户和密码、个人隐私数据等重要个人数据能得到保护。
2.2 SSD的劣势
2.2.1 价格目前较高：4G的NAND Flash价格大约是人民币500元，而500元可以买到120G的硬盘。这对于系统结构而言不具备有很好性价比。
2.2.2 传输带宽与传统硬盘没带来本质的变化。
2.2.3 目前的工艺水平写的速度较慢：最快的NAND Flash写的速度只有12MBps。
2.2.4 擦除次数有限：最多檫写次数只有500万次。
但是，SSD正处于市场上升阶段，由于它的优势还明显，更多的厂商投入研究和生产，更多的技术手段能克服目前的劣势。据市场调研公司In-Stat的报告，近期内，随着基于闪存的固态磁盘(SSD)整装待发，硬盘(HDDD)在移动电脑海量存储市场中的“正统地位”可能面临挑战。实际上，SSD有在7年内取代HDDD、成为笔记本电脑主要存储手段的潜力。In-Stat认为，SSD在移动电脑市场中的份额在2013年可能上升到50%。
3 利用SSD技术解决存储结构问题的3种方案
3.1 直接用SSD取代传统硬盘
利用NAND Flash[6]构成“阵列”，每个“阵列”中采用多芯片组成的流水线[7]，由“阵列”组成的存储器取代传统硬盘。SSD在接口上仍采用传统硬盘的IDE接口和SATA-1接口，本人认为还是应该采用SATA-2的接口，因为：(1)它拥有较宽的带宽（300MB/s），SATA-1只有150MB/s，IDE只有100MB/s，能够满足高速SSD对传输带宽的需求；(2)目前销售的大多数主板都支持。当前已经有三星电子公司、PQI公司、M-System公司、CURTIS公司等成功生产出Flash-based SSD，最快的SSD平均访问时间为0.02MS，最大容量为64GB。
3.2 带有SSD的改进硬盘
目前有三星电子公司和Intel提出类似的方案。三星的方案是：类似汽车混合动力技术，结合硬盘与闪存的混合型硬盘（hybrid），就是在硬盘上安装上4GB容量的快速SSD模块。Intel的方案是：在主机板上插入一张SSD的Memory disk-cache accelerator加速卡，将常用的程序和数据存在SSD中，SSD不命中时再去读硬盘，称为Robson技术。这两种方案都能够支持微软（Microsoft）Vista新操作系统Ready Boost功能，可帮助使用者在Vista环境中快速切换常用的应用程序与加速开机程序。
3.3 把SSD和BIOS芯片二合一
目前，大多数pc主机板上的BIOS芯片采用1M FLASH[8]，这与本文叙述的SSD采用同样的存储介质。SSD的容量单个芯片也只有4G，大小在一个指甲片，合适直接做在主机板上。本人提出：将OS和BIOS信息都存储在这个主机板上的SSD。
4 3种方案的对比
4.1 第一方案优点
性能最好，最省电，抗冲击好，隐秘性好，不用修改任何的存储系统结构和接口。缺点：目前的造价偏高，所以对于PC性价比不高。厚度薄、电池续航能力强、重量轻和0噪音的SSD，更合适于高端笔记本电脑等移动型PC。
4.2 第二方案优点
不改接口就能实现，性能居中，性价比高，较省电，微软下一代操作系统支持该技术。从系统结构角度分析：(1)4G的SSD相比8MB的硬盘cache映射160GB的硬盘可获得更高的命中率；(2)目前PC上安装的操作系统、驱动程序、杀毒软件、Office等常用软件在系统盘占用的磁盘空间大约控制在4G内，也就是说这些软件的读取只在SSD中即可完成，无需读取较慢的磁盘。根据三星电子公司网站的报道，90%的读取可在SSD中完成，磁盘每分钟只读取100次左右；(3)磁盘操作少了，省电；(4)磁盘传输带宽高了，可以充分利用目前的SATA-2的带宽。缺点：(1)要将原来的存储系统结构RAM→HDD变成RAM→SSD→HDD；(2)仍采用传统硬盘，所以继承原来的一些缺点，如：抗冲击性差、不命中时读写时间延迟较长。
4.3 第三方案优点
改变存储系统结构，性能可能更好。这样做的好处有5个：(1)利用SSD的快速IOPS，OS可以快速实现开机；(2)OS不必像传统的操作系统由一样BIOS引导，BIOS的硬件参数不必通过慢速的ISA总线传递给OS，因为它们在同一个芯片上；(3)BIOS程序可以更快地运行，因为SSD比目前BIOS芯片读取速度快；(4)我们可以像BIOS一样在主机板上设计一个只读开关，保证OS被破坏或被计算机病毒感染；(5)就4G的SSD而言只增加了人民币500元的造价，提高了整个系统的存储性能，能获得较好的性价比。缺点：(1)改变了目前PC的系統结构，需要重新界定软件、硬件和固件；(2)操作系统要重新写启动程序；(3)目前技术不成熟。
5 结束语
无论市场上最终选择了哪一种方案，传统的硬盘性能上已经没法跟上快速的发展的PC，高性能的SSD必定有所作为[9]。只有高性能、低价格的存储系统结构，才能为广大用户和厂商接受，成为主流的存储器。
参考文献：
[1] 张昆藏. 计算机系统结构——奔腾PC[M]. 第二版. 北京：科学出版社，2004，p1.
[2] 张晨曦. 计算机体系结构[M]. 北京：高等教育出版社，2003，p25.
[3] 邸海霞. 固态盘缓存设计技术研究. 航天工业总公司第二研究院，1999.
[4] www.bitmicro.com. Taking SSD Technology to the Next Level，2006.
[5] (日)桑田雅彦. 存储器的IC应用技巧. CQ出版株式会社, 2004.
[6] 赵跃龙. 一种Flash固态盘的设计[J]. 电子计算机与外部设备, 1998,22:33.
[7] 李刚. 大容量固态盘设计. 电子测量技术, 2006,29:129.
[8] 谭毓安. 基于PC总线的一种EPROM固态盘. 北京理工大学学报, 1995,(5):68.
[9] 毕文兰. 试论加固微机中的固态盘. 山西电子技术, 2001,1:36.
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关键词：SSD；存储系统结构；硬盘；Nand Flash
中图分类号：TP334文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10762-02
1 分析目前PC的存储系统结构的问题
1.1 HDD成了存储系统的瓶颈
PC的存储系统结构[1]分为三级：CACHE→RAM→HDD（指硬盘）。现在PC中的cache都是片内cache，所以它的存取速率随着CPU的频率逐年提高而提高。RAM的存取速率也是提高很快，例如从03年主流内存DDR400到现在的主流内存DDR2 533。而HDD存取速度也在提高，但比起上述的存储器则发展速度较慢甚至停滞不前，例如1999年到现在主流的HDD还是7200转。随着DDR2 667和内存双通道技术的普及，三级存储的上两级与HDD的速度差异将更加明显。根据Amdahl定律[2]：
系统加速比s=1/((1-f)+f/k)，f为可改进比例k为部件加速比。
从上述公式可以得到：如果只针对整个任务的一部分进行优化，整个系统加速比不大于1/(1-f)；一方面，它告诉我们一个好的计算机系统：具有高性价比的计算机系统是一个带宽平衡的系统，而不是看它使用的某些部件的性能。所以整个存储系统结构要均衡发展，而HDD在发展中跟不上整个存储系统，成为了瓶颈。
1.2 HDD的性能未能本质上改善
各级存储的存取时间表：
从上表我们可以得知：HDD的存取速度远跟不上其他两级。可怕的是：所有的程序和数据都要从HDD读入高两级。尽管有学者基于磁盘存取和微动控制技术提出了一个超高密度存储设想，将目标定在100Gbit/in2磁存储密度[3]，利用阵列读写磁头和微动控制技术，以期达到100MB/s的传输率。但是以目前的生产工艺水平还十分困难。尚无迹象表明，包含机械运动部件的磁盘，其原始存取性能会得到本质上的改善。目前已采用的解决方案：一是采用磁盘cache，cache命中时性能还不错，70-100MB/s的传输速度。但命中的概率太小了，因为120GB的HDD只有8MB的cache，可谓杯水车薪；二是采用磁盘阵列，理论上能够成倍提高存取速度，但比起上两级的存储器还是数量级的差异，而且成本也成倍提高。
为此，改善磁盘I/O性能除了从系统的角度来考虑外，还要更多的从磁盘性能受限的根本原因——运动部件带来机械延迟，这一事实来考虑，取消机械运动部件。
2 SSD技术的优势和劣势
固态存储器（Solid State Disk），简称SSD。SSD从构成上分成两种[4]：Flash-based SSD（基于Flash的固态存储器）和DRAM-based SSD（基于DRAM的固态存储器）。研究系统结构的目标是追求较好的性价比。DRAM-based SSD目前的价格太高了，例如GIGABYTE公司生产RAMDISK大约要人民币4000元，够买一台高性能PC了，所以本文的SSD不考虑DRAM-based SSD。本文以下的SSD都是指NAND型的Flash-based SSD[5]。
2.1 SSD技术的优势
2.1.1 存取速度快：一个每分钟15000转的硬盘转一圈需要200毫秒的时间，而在SSD上由于是数据是存放在半导体内存上，能够在低于一毫秒的时间内对任意位置的存储单元完成I/O（输入/输出）操作，因此在对许多应用程序来说最为关键的I/O性能指标——IOPs（即每秒多少次IO动作）上，SSD可以达到硬盘的50~1000倍。三星公司生产的SSD，最大的特色在于采用读取速度涡轮加速的 32GB NAND 内存，读取可达 57MB/s、写入可达32MB/s，開机速度和休眠时间则加快25-50%的速度。
2.1.2 耗电量较低：重量不到普通硬盘的一半，而耗电量不到现有硬盘的5%。
2.1.3 防震性好：可以承受500G的冲击力。
2.1.4 相当高的数据安全性：由于数据单元没有采用磁存储，所以数据删除后没有剩磁问题。SSD每次写入前都必须做擦除，所以SSD删除数据后做一次写入就能彻底清除数据。而传统硬盘删除数据后做10次写入，仍然有15%的概率能够读出该数据。采用SSD有利提高pc的数据安全，特别是个人电脑的超级用户密码、个人网上银行的账户和密码、个人隐私数据等重要个人数据能得到保护。
2.2 SSD的劣势
2.2.1 价格目前较高：4G的NAND Flash价格大约是人民币500元，而500元可以买到120G的硬盘。这对于系统结构而言不具备有很好性价比。
2.2.2 传输带宽与传统硬盘没带来本质的变化。
2.2.3 目前的工艺水平写的速度较慢：最快的NAND Flash写的速度只有12MBps。
2.2.4 擦除次数有限：最多檫写次数只有500万次。
但是，SSD正处于市场上升阶段，由于它的优势还明显，更多的厂商投入研究和生产，更多的技术手段能克服目前的劣势。据市场调研公司In-Stat的报告，近期内，随着基于闪存的固态磁盘(SSD)整装待发，硬盘(HDDD)在移动电脑海量存储市场中的“正统地位”可能面临挑战。实际上，SSD有在7年内取代HDDD、成为笔记本电脑主要存储手段的潜力。In-Stat认为，SSD在移动电脑市场中的份额在2013年可能上升到50%。
3 利用SSD技术解决存储结构问题的3种方案
3.1 直接用SSD取代传统硬盘
利用NAND Flash[6]构成“阵列”，每个“阵列”中采用多芯片组成的流水线[7]，由“阵列”组成的存储器取代传统硬盘。SSD在接口上仍采用传统硬盘的IDE接口和SATA-1接口，本人认为还是应该采用SATA-2的接口，因为：(1)它拥有较宽的带宽（300MB/s），SATA-1只有150MB/s，IDE只有100MB/s，能够满足高速SSD对传输带宽的需求；(2)目前销售的大多数主板都支持。当前已经有三星电子公司、PQI公司、M-System公司、CURTIS公司等成功生产出Flash-based SSD，最快的SSD平均访问时间为0.02MS，最大容量为64GB。
3.2 带有SSD的改进硬盘
目前有三星电子公司和Intel提出类似的方案。三星的方案是：类似汽车混合动力技术，结合硬盘与闪存的混合型硬盘（hybrid），就是在硬盘上安装上4GB容量的快速SSD模块。Intel的方案是：在主机板上插入一张SSD的Memory disk-cache accelerator加速卡，将常用的程序和数据存在SSD中，SSD不命中时再去读硬盘，称为Robson技术。这两种方案都能够支持微软（Microsoft）Vista新操作系统Ready Boost功能，可帮助使用者在Vista环境中快速切换常用的应用程序与加速开机程序。
3.3 把SSD和BIOS芯片二合一
目前，大多数pc主机板上的BIOS芯片采用1M FLASH[8]，这与本文叙述的SSD采用同样的存储介质。SSD的容量单个芯片也只有4G，大小在一个指甲片，合适直接做在主机板上。本人提出：将OS和BIOS信息都存储在这个主机板上的SSD。
4 3种方案的对比
4.1 第一方案优点
性能最好，最省电，抗冲击好，隐秘性好，不用修改任何的存储系统结构和接口。缺点：目前的造价偏高，所以对于PC性价比不高。厚度薄、电池续航能力强、重量轻和0噪音的SSD，更合适于高端笔记本电脑等移动型PC。
4.2 第二方案优点
不改接口就能实现，性能居中，性价比高，较省电，微软下一代操作系统支持该技术。从系统结构角度分析：(1)4G的SSD相比8MB的硬盘cache映射160GB的硬盘可获得更高的命中率；(2)目前PC上安装的操作系统、驱动程序、杀毒软件、Office等常用软件在系统盘占用的磁盘空间大约控制在4G内，也就是说这些软件的读取只在SSD中即可完成，无需读取较慢的磁盘。根据三星电子公司网站的报道，90%的读取可在SSD中完成，磁盘每分钟只读取100次左右；(3)磁盘操作少了，省电；(4)磁盘传输带宽高了，可以充分利用目前的SATA-2的带宽。缺点：(1)要将原来的存储系统结构RAM→HDD变成RAM→SSD→HDD；(2)仍采用传统硬盘，所以继承原来的一些缺点，如：抗冲击性差、不命中时读写时间延迟较长。
4.3 第三方案优点
改变存储系统结构，性能可能更好。这样做的好处有5个：(1)利用SSD的快速IOPS，OS可以快速实现开机；(2)OS不必像传统的操作系统由一样BIOS引导，BIOS的硬件参数不必通过慢速的ISA总线传递给OS，因为它们在同一个芯片上；(3)BIOS程序可以更快地运行，因为SSD比目前BIOS芯片读取速度快；(4)我们可以像BIOS一样在主机板上设计一个只读开关，保证OS被破坏或被计算机病毒感染；(5)就4G的SSD而言只增加了人民币500元的造价，提高了整个系统的存储性能，能获得较好的性价比。缺点：(1)改变了目前PC的系統结构，需要重新界定软件、硬件和固件；(2)操作系统要重新写启动程序；(3)目前技术不成熟。
5 结束语
无论市场上最终选择了哪一种方案，传统的硬盘性能上已经没法跟上快速的发展的PC，高性能的SSD必定有所作为[9]。只有高性能、低价格的存储系统结构，才能为广大用户和厂商接受，成为主流的存储器。
参考文献：
[1] 张昆藏. 计算机系统结构——奔腾PC[M]. 第二版. 北京：科学出版社，2004，p1.
[2] 张晨曦. 计算机体系结构[M]. 北京：高等教育出版社，2003，p25.
[3] 邸海霞. 固态盘缓存设计技术研究. 航天工业总公司第二研究院，1999.
[4] www.bitmicro.com. Taking SSD Technology to the Next Level，2006.
[5] (日)桑田雅彦. 存储器的IC应用技巧. CQ出版株式会社, 2004.
[6] 赵跃龙. 一种Flash固态盘的设计[J]. 电子计算机与外部设备, 1998,22:33.
[7] 李刚. 大容量固态盘设计. 电子测量技术, 2006,29:129.
[8] 谭毓安. 基于PC总线的一种EPROM固态盘. 北京理工大学学报, 1995,(5):68.
[9] 毕文兰. 试论加固微机中的固态盘. 山西电子技术, 2001,1:36.
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