海量数据存储的需求越来越强烈

在今天的智能社会，数据成为了最为重要的资源。根据Statista 的统计和预测，2020年全球数据产生量达到了47ZB，而到2035年这一数字将达到2142ZB，全球数据量的增长呈现爆发之势。面对如此巨量的数据，想要充分地加以利用，就需要有地方好好的“安放”，因此对于海量数据存储的需求也就越来越强烈。

相当长一段时间里，大容量数据存储主要依靠的是机械硬盘（HDD），其原理是将数据存储在磁盘中，靠盘片的高速旋转所产生的气流来托起磁头，并由步进电机来推动磁头进行换道数据读取，内部构造非常精密，也较为复杂。而且经过多年的发展，这种存储方案也越来越接近其性能的“天花板”。

因此作为“颠覆者”的新技术出现了，这就是固态硬盘（SSD）。由于SSD是直接将数据存储在半导体存储器中（主要是NAND闪存），可以享受到半导体工艺技术进步带来的“红利”，不断提升存储密度；而且由于没有机械硬盘那样的机械结构，SSD整个系统也更为简洁、紧凑。具体来讲，SSD的优势主要体现在以下几方面：

读写速度快：由于采用闪存作为存储介质，SSD读取速度相对机械硬盘更快。比如常见的7200转机械硬盘的寻道时间一般为12-14毫秒，而固态硬盘仅为0.1毫秒甚至更低。

防震性能好：机械硬盘由于有精密的机械部件，因此比较“娇气”，而SSD内部不存在任何机械部件，即使在高速移动、翻转倾斜的情况下也能正常使用，在发生碰撞和震动冲击时数据丢失的可能性也更小。

低功耗：机械硬盘95%的时间都消耗在机械部件的动作上，由于无需驱动机械部件，SSD在功耗上的优势也很明显。

无噪音：SSD固态硬盘没有机械马达和风扇，工作时自然也就比机械硬盘更“安静”。

工作温度范围大：与典型机械硬盘5-55℃的工作温度范围相比，大多数固态硬盘可在-10-70℃工作，支持更广泛的应用场景。

重量轻：存储介质和系统结构上的差异，也使得SSD更轻，有利于为总的系统减重。

正是因为有上述诸多好处，所以大家对于SSD的兴趣也越来越浓厚。根据HIS的预测，2020年全球HDD机械硬盘和SSD固态硬盘的出货量分别为3.5亿和3.2亿个，而预计在2021年，SSD的出货量将首次反超HDD，达到3.6亿个。Global Market Insight的研究报告也显示，2019年全球SSD市场规模为550亿美元，到2026年将超过1250亿美元，平均复合增速约为15%。

更高的容量

顺应着市场的需求，SSD也在加快自身技术发展的步伐。不断提升容量，就是SSD技术进步的一个重要主攻方向。

多层单元 （Multi-Level Cell）是SSD增加容量的一个主要技术方法。正常的存储单元一般都只存储1 bit 的数据，而“多层单元”故名思义，就是增加每个存储单元可存储的bit数目，以此来增加单位存储空间内的存储密度。

目前SSD已经发展出了SLC、MLC、TLC和QLC四个不同架构，它们在每存储单元中可以存储的bit数目分别为1-bit、2-bit、3-bit和4-bit，对应的电压状态（可代表的数据）分别为1、4、8和16。

不过随着数据“密度”的增加，在存储器件的耐用性和读取速度上也会有折衷，因此这四种架构的SSD也就逐渐形成了自己典型的应用领域。一般来讲。SLC和MLC价格较高，性能和耐用度也更佳，因此在企业级和一些专业应用中更适合；而TLC和QLC的性价比优势明显，在民用领域人气更高。

在提升SSD存储容量上，另一个重要的技术努力就是3D NAND。传统上，存储单元可以看作是在硅芯片表面上的二维（2D）排列的阵列，就像是一片“平房”；而当数据太多不够“住”的时候，就需要考虑提升单位面积的“容积率”，通过利用3D的空间来解决，也就是通过垂直堆叠数十层甚至数百层的存储单元创建一个3D的存储阵列（好似搭建一个“楼房”），实现更高的存储容量。这也是目前领先的NAND闪存制造商主流的技术方案。

高可靠性的挑战

不过，无论是多层单元也好，3D NAND闪存也罢，随着SSD容量的不断增加，产品可靠性面临的挑战也越来越严峻。环境的任何一个扰动，如电源故障，都可能造成SSD数据读写上的问题，要么会影响数据的完整性，要么为了确保数据的完整性就不得不以牺牲性能为代价去进行纠错。

而且，随着SSD市场渗透率的增加，其在网络基础设施、视频监控、智慧工业等可靠性敏感型领域的应用越来越普遍。因此当我们希望去打造一款高容量、高速度SSD的时候，就必须有相应的机制和技术措施去确保其同样具有“高度可靠”的特性，以满足高耐久性和长期稳定性的要求。

提升SSD可靠性是一个系统工程，除了存储器件本身的素质要过硬，还要在SSD系统级设计的几个关键点上做文章。

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SSD主控制器

首先是SSD主控制器，其具体作用包括合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，协调和维护不同区块存储颗粒的协作；负责数据中转，连接闪存芯片和外部SATA接口；执行固态硬盘内部各项指令，包括实现与提升耐久性和稳定性相关的磨损均衡（Wear Leveling）等功能。一款SSD主控芯片的好坏，直接决定了固态硬盘的可靠性和使用寿命，因此其中往往蕴藏着SSD厂商独门的技术诀窍。

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固件算法

其次是固件算法，也就是驱动SSD主控制器高效工作的软件算法。主控基于优化的固件算法，可以执行自动信号处理、耗损平衡、错误校正码（ECC）、坏块管理、垃圾回收、与主机通信、数据加密等任务，这很大程度上决定了SSD性能的优劣。

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外围电路

此外，在SSD的外围电路中，也需要设置相关的保护机制，以防止过温、电源中断等情况对SSD造成不良影响。

为了满足高容量、高速度、高可靠性的SSD产品的设计要求，特别是支持前沿的3D NAND闪存技术，TDK推出了GBDriver GS2控制器，并在自己的SSD固态硬盘产品中投入使用。TDK GBDriver GS2是一款高度可靠的兼容3D NAND闪存的控制器，专为工业和基础设施应用而开发。TDK专有的硬件和固件算法实现了更快的访问速度，同时通过增强抵御电源中断的能力，可以有效防止数据损坏，并通过一系列的优化设计确保数据的完整性，提升整个SSD的使用寿命。

无惧电源中断

在SSD可靠性的设计中，电源中断是一个绕不开的问题，因为突发的电源故障往往会引发高速读写的闪存中的数据错误。GBDriver GS2通过三个举措，加强了SSD对电源中断的耐受性。

第一，采用GBDriver GS2，可以实现无DRAM缓存的SSD设计，这有利于抵御电源故障的影响，同时降低BOM硬件成本。

第二，GBDriver GS2采用了优化的固件算法，在电源中断发生时保持原始数据直到数据拷贝全部完成，而不会采用任何拷贝不完整的数据。

第三，TDK的SSD还使用了一个内部的备用电源电路，在电源中断发生时，可以让SSD内部供电电压VCC仍然维持一段时间，避免ECC错误的发生。

上述三个手段综合作用，可以说为SSD应对电源中断的威胁提供了一个完整的预案，基于3D NAND的高容量SSD的可靠性也随之显著提升。

全面的数据保护

除了电源中断，基于GBDriver GS2的SSD产品还通过一系列功能和机制，为SSD的数据保护和可靠使用提供全面的保障。

循环自动刷新功能确保数据保持

TDK的SSD配备有循环自动刷新功能，可通过ECC自动检查数据并恢复错误，这种“刷新”操作在每次启动和每24小时执行一次。

数据错误恢复功能

GBDriver GS2具有高级数据错误恢复功能。在从SSD读取数据时，该功能可以依据数据错误的情况，依次按照LDPC Hard Bit、LDPC Soft Bit和RAID的顺序操作以修复错误。特别是在3D NAND的结构中，原有适用于2D NAND技术的纠错能力已经无法满足要求，这种LDPC+RAID的方案可以有效提高可靠性，增强闪存耐久度和数据留存能力。

温度传感器和访问速度限制

在TDK的SSD中，一个板载的温度传感器随时监控SSD的温度，可以在超过温度设置值时限制主机对SSD的访问速度，确保SSD的安全运行。

写保护区设置功能

TDK的SSD还可以配置写保护区，从而减少主机端应对电源中断的需要。

延长使用寿命

为了延长SSD的使用寿命，TDK的产品执行“TDK全局静态磨损均衡（TDK SMART SWAP）”功能，根据NAND闪存单元的P/E次数高效地调度数据的擦写操作，还可以根据需要使用Clipping功能调节用户数据区空间的大小，让SSD的使用寿命最大化，减少存储设备更换频率，降低客户的总体拥有成本。

闪存寿命监测

通过TDK SMART闪存寿命监测和耐久性分析程序，用户可以对一系列关键的闪存性能参数一目了然，以准确预测存储设备的寿命。这些可持续监测参数包括：闪存芯片数量以及存储区块数量；总P/E循环数、区块间最高/最低P/E循环数；所有区块的总P/E周期；内存使用率，寿命指示器等。

基于这些技术和功能，SSD就可以在全生命周期可靠运行，最大限度地确保数据的完整性。

高可靠性SSD产品

作为上面这些高可靠性功能的集大成者，TDK推出了基于3D NAND兼容GBDriver GS2控制器的五个SSD系列产品，这些产品采用最新的MLC类型NAND闪存，速度高达180MB/s，容量范围从8GB到1.6TB。最为重要的是它们都具有增强数据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”固态硬盘，在包括运输、制造、能源、IT/金融、娱乐、科学和医疗在内的广泛应用中，都是理想的数据存储好“伴侣”。

责任编辑：haq