硬件学堂：主流固态硬盘主控都有哪些

硬件学堂：主流SSD主控都有哪些

相信很多资深玩家对市面上主流的固态硬盘主控方案已经有比较清楚的了解了，然而对于大票的普通用户，他们理解固态硬盘的优势并愿意接受这样的产品，但是在选购时却面对了大量繁杂的数量和种类，导致无从下手。

很多人首先困惑的就是关于固态硬盘主控方案，不像机械硬盘我们只关注转速、单碟容量等问题，固态硬盘的主控决定了它的档次和理论性能，就和显卡我们要首先关注它采用了什么核心一样重要。

很多老玩家玩CPU显卡可能已经有十多年了，但是固态硬盘可能接触不过三年时间，很多问题一些意见领袖可能都没有搞得透彻，更不用说那些刚刚接触的用户了。

今天，笔者为大家例举一些当前市面上最新的几种固态硬盘主控方案。涉及SandForce、Marvell、Samsung、Indilinx以及LinkAMedia。关于Intel，当前其主流520、330系列已经全面采用SandForce主控，基于自家第二代主控的320系列已经逐渐退市，而第三代主控则主攻企业级产品。所以我们就不再做过多陈述。

介绍这些主控会涉及到很多技术名词，关于其解释我们会在后面的文章中做具体阐述。针对这些主控笔者还会做个特性总结。

SandForce SF-2281主控方案

SandForce是2006年于美国加州成立，由多家风险投资公司所注资，于2009年4月宣布了其第一代SF-1200/1500系列固态硬盘主控方案。SandForce系列主控的最大特点就是其DuraClass技术，可以将写入放大降低至0.5，以此可以让普通MLC闪存芯片的耐久度接近部分SLC闪存芯片的级别。

SandForce SF-2281主控

大体来说DuraClass技术涵盖DuraWrite、ECC&RAISE、Wear Leveling、Read/Program Disturb Management、Recycler。

●DuraWrite将写入放大缩小至0.5

DuraWrite是DuraClass最为重要的一部分，它通过独特的实时压缩/解压缩技术，减少实际写入闪存的数据量，从而减少写入放大。SandForce宣称其主控写入放大为0.5倍。关于这部分会在后面的“写入放大”讲解部分有更多介绍。

DuraClass技术特性

●RAISE提供强大的数据安全性

ECC&RAISE则是类似于RAID5的功效，是一个独立的冗余数组结构。如同组建RAID5需要至少三块硬盘一样，采用SandForce主控的固态硬盘都划分出一段OP（Over Provisioning）预留空间用于RAISE和磨损平衡等机制。

RAISE技术特性，可大幅度增强可靠性

●SF-2000提供更强劲的ECC校验功能

随着NAND闪存密度的上升，数据存储出错的几率也随之上升。SF-2000系列主控支持更强劲的ECC校验功能，从以前的每512字节数据添加24bit校验，升级到每512字节数据55bit校验。拥有更大的预留空间，纠错能力自然也越强。

ECC校验技术对固态硬盘来说是相当重要的，因为主控在对闪存中某一个Block进行擦除操作的时候也会对其他Block产生影响，而这种影响也会随着闪存工艺制成的逐步递增而放大，所以ECC校验对保证固态硬盘的可靠性是非常重要的，否则会出现数据出错甚至是丢失映射表、固件导致无法正常识别的现象。

●Wear Leveling磨损平衡和垃圾回收

Wear Leveling不用多说，但SandForce主控支持静磨损平衡，这点后面会有所提及。

Recycler其实就是垃圾回收，只不过SandForce改用了自己的名字。SandForce主控支持实时垃圾回收操作，即在处理数据的同时来做垃圾回收，性能十分强大，同时保证了颗粒的寿命。

SF-2000系列SSD主控

●针对企业级应用的掉电保护功能

断电保护也是SandForce针对企业级市场推出的主控型号特有的功能。但英特尔在所有第三代固态硬盘中均支持断电保护，不过两者的解决方案不尽相同。SandForce SF-2000的方案是配备有一个0.09F的大容量电容以保证断电之后数据还可以写入到闪存当中，防止丢失。

●内部集成有高速SRAM缓存

有人可能对SandForce主控固态硬盘都没有配备外置缓存从而产生质疑，事实上SandForce主控使用了一家名为Tensilica公司的570T处理器，内部集成了有SRAM缓存，速度比DRAM更快。SandForce主控固态硬盘使用这部分缓冲区作为“写缓冲”。

●SandForce主控方案的二层OP空间

基于SandForce主控的固态硬盘所缺失的那部分容量被称为“Over-Provisioning”预留空间。OP分为三层，一层是由于计算方法的差异是不可抗拒的，而第二层则是SSD厂商预留的，比如SandForce SF-2281方案就预留了7%或者20%的空间。

OP的三个等级

之所以需要二层OP，这是因为SandForce方案没有用于保存全部映射表的外置DRAM缓存，只有芯片内置高速SRAM，但只保存一级映射表。如果数据可以被压缩，那么不需要很详细的映射关系，所以最终体现出来的速度就很快。

但毕竟二级映射表的NAND的速度要比DRAM慢很多，那么如果数据不能被压缩，二级映射表的处理量会大幅增高，这也是为什么SandForce主控固态硬盘在进行无法压缩的文件的拷贝时速度慢很多的原因之一。

总结：SandForce SF-2281主控采用即时压缩机制，提高速度的同时兼顾耐久性，理论最高可以跑到读550MB/s写500MB/s，但是对于不可压缩的数据则慢很多，并且受闪存类型会影响很大，综合来讲其性能居于目前中高端行列。SandForce是真正为了寿命牺牲速度的方案，在接近满盘或者使用一段时间后会限制写入速度，这是正常表现不是掉速。SandForce采用实时垃圾回收尽可能低降低写入放大保证耐久，但随机操作延迟较大所以部分测试数据不太好看。

Marvell 88SS9174/9187主控方案

Marvell是数据存储芯片解决方案的市场领先者，其存储解决方案涉及硬盘驱动器、磁带驱动器、光盘及固态硬盘，还包括主机适配卡与桥接卡等产品。Marvell的控制器我们在硬盘和主板上常常见到，它在存储领域的地位不用多说了。

代号为莫纳Monet 2.0的Marvell 88SS9187主控

●造就多款经典的88SS9174方案

早期的88SS8014-BHP2这里就不谈了，后来的全球首款SATA6Gbps固态硬盘控制器88SS9174-BJP2成就了经典的Crucial RealSSD C300。现在市面上常见的是88SS9174-BKK2，用于大名鼎鼎的Crucial m4、浦科特M2S/P、M3S/P以及M5S等多款产品中，同时还包括英特尔SSD 510。

Marvell 88SS9174-BKK2主控更多采用主动和闲置垃圾回收结合的策略。但是闲置垃圾回收会额外地增加写入放大从而影响颗粒的擦写寿命，因此如何在垃圾回收和性能之间保持一个平衡也是衡量固态硬盘开发团队实力的重要因素。

最新的88SS9187-BLD2内部代号为“莫纳Monet 2.0”，它的特性包含：

●支持SATA 6Gbps Rev 3.1规范

SATA3.1规范拥有者诸多改进，包括硬件控制和电源管理等方面。其中最重要的则是加入了对Queued Trim Command的支持。Trim指令对固态硬盘是非常关键的，但是以往Trim在被执行的时候，即从发送指令到执行完毕这期间，SSD无法做任何IO操作。一旦发送指令必须清空队列中的操作，势必影响性能。支持Queued Trim Command之后，有望可以做到Trim和IO读写操作同时执行，大大增强效率。

●内部硬件RAID数据冗余支持

类似于SandForce方案中的RAISE，依靠特定固件可以在NAND出现问题的情况下恢复数据，增强数据的可靠性。

●每通道200MT/s带宽，每根通道硬件支持4CE

88SS9187对每条通道支持的带宽从88SS9174的166MT/s增加到200MT/s，因此在持续读写和随机读写方面都会有一定提升。每个通道硬件支持4CE，按照20纳米级闪存一个Die为8GB计算，即单通道支持最大32GB，配合8通道则为256GB，超过这个容量则会影响随机性能，不过10纳米级的闪存可以做到512GB不影响性能，这也是为什么浦科特M5P 512GB和256GB依然拥有相同标称性能的原因了。另外每个通道靠外部解码器和内部编码模式可以扩展到支持到最大16CE。

●ECC错误校验引擎能力提高，元数据支持独立ECC

随着闪存工艺制程的进步，更强的ECC校验能力也是必须的，否则数据出错时就会有很大麻烦。而元数据，即是关于数据的数据，也就是存储在缓存中的映射表，主控支持对其独立ECC则可保证映射表的数据可靠性。这在SSD容量越来越大、性能越来越高的发展趋势下十分重要。

●缓存最大支持1GB

支持1GB DDR3缓存意味着映射表可以做得很大很细，随机性能自然也会越高。

●在稳定态下也保证最大约500MB/s的持续写入性能

封顶SATA6Gbps的接口带宽对SandForce不是什么新鲜事了，但是Marvell阵营还有稍许的提升余地。而在稳定态下也能达到持续500MB/s的写入速度，这是理论指标，实际产品还要看固件的性能、闪存颗粒本身的品质等等。

全系列浦科特M5P固态硬盘

总结：目前搭载88SS9187主控的浦科特M5P固态硬盘还使用了Toggle 2.0闪存，配合这种新一代闪存以及更大的缓存，持续读写和随机读写都有显著提升。88SS9187依然采用闲置垃圾回收，并且在轻负载的家用环境下几乎不会出现掉速的问题。Marvell方案不像SandForce一样提供固件打包方案，需要第三方厂商自行研发固件。最新的88SS9187除性能之外还加入了一些安全特性。

Samsung MDX主控方案

三星840（PRO）系列固态硬盘采用的是三星第四代SSD主控MDX，MAX被用于470系列，MBX未用于零售产品，MCX则用于830系列。不过MDX相比MCX在核心架构层面未有本质区别，我们可以从下图中看到840（PRO）和830系列的关系。

三星S4LN021X01-8030（MDX）主控芯片

●三核心ARM Cortex-R4主控

MDX主控内建三个ARM Cortex-R4核心，工作频率300MHz。之所以选择Cortex-R4，三星表示由于三星本身也具备控制器研发能力，因此在经过多层筛选和测试之后挑选出一个具有最佳兼容性的方案作为最终选择。

但更进一步讲，Cortex-R4具有的严格的实时响应限制应该是三星在设计SSD时所看重的，这种特性非常适合用于深层嵌入式系统，硬盘/固态硬盘驱动器就是其中之一，它兼顾高性能、可靠性和低功耗。相较之下Cortex-A系列专用于具有复杂软件操作系统（使用虚拟内存管理）的面向用户的应用。

第四代MDX主控方案

●最大支持1TB、可自行设定OP空间

三星840系列包含120GB、250GB和500GB三种型号，但MDX可以支持到1TB容量，只不过三星认为目前超高密度的NAND（单颗容量128GB）的价格太过昂贵，因此并未推出。此外，用户可以使用Magician软件自行设定OP预留空间，以尽可能地保证寿命。

●对数据安全性的加强

另外MDX终于加入了对256位AES硬件加密的支持，通过使用SYSTEM BIOS密码进行管理，就和其他同级别产品一样，以应对越来越重要的数据安全性问题。同时，840系列还拥有着“更先进的信号处理算法（Advanced Signal Processing Alogrithm）”。

●最高支持512MB LPDDR2缓存

上一代三星830支持最高256MB DDR2-800 DRAM缓存，而在840系列则升级为LPDDR2，频率进一步增加到1066MHz，但仍拥有更低的功耗，最大支持容量也达到了512MB。更大的缓存可以将映射表做得更大更细，以此可以获得更好的随机读写性能，同时可以保证大容量下的性能发挥。

●针对840和840PRO的不同固件支持

这两款产品在MDX主控硬件参数上都是一样的，但840 PRO搭载的固件是针对高负载工作环境而编写的，因此拥有更高的性能表现。而定位更低的840其固件更多是为轻负载应用而设计的。

840 PRO支持WWN全球唯一名称和服务器LED报错显示技术

三星针对840 PRO加入了很多企业级特性，主要是面向对数据存储安全高度敏感的客户，840 PRO支持WWN（World-Wide-Name）全球唯一名称和服务器LED报错显示技术，以兼顾高性能和可靠性，确保数据的安全。据悉三星也有可能为840也加入WWN特性。

总结：三星MDX主控沿袭MCX主控，配合Toggle 2.0闪存，大幅度提升了高队列深度下的IOPS指标，同时持续读写也有显著提升。诸多的新特性也可以让新一代产品保证强有力的竞争性，包括针对840和840PRO两种定位的固件，加入的数据安全特性以及更先进的信号处理算法等。和MCX一样，MDX主控采用类似实时、限制垃圾回收结合的策略，而且在TRIM的执行效率上不像Marvell方案那样立竿见影，应该还有提升的空间。三星的MDX主控只用于自家产品，因此可以保证良好的软硬件兼容性和稳定性。

OCZ Indilinx Barefoot3方案

●基于Marvell方案的Everest主控

Indilinx早期的Barefoot主控十分经典，成就了芝奇Falcon II和OCZ Vertex等产品。后来在2011年3月被OCZ以3200万美元收购的，一年后即去年年底发布了基于Indilinx Everest主控的Octane固态硬盘，今年4月又推出了基于Everest 2主控的Vertex 4固态硬盘。

但据了解，两款主控方案其实分别是基于Marvell 88SS9174和88SS9187的产品，结合OCZ收购了英国PLX研发团队，搭载了自行研发的固件和其他软件系统，并获得许可使用Indilinx品牌，当然最终产品效能表现也十分优秀。

Indillinx Barefoot 3主控

●ARM Cortex处理器+OCZ Aragon协处理器

在昨天OCZ刚刚发布的最新Vector固态硬盘，采用了全新一代的Barefoot 3主控，这是OCZ第一款完全自主研发的方案。Barefoot 3采用双核心ARM Cortex处理器，同时还配置了一个OCZ Aragon协处理器，这意味着整个主控方案将有着更高的处理效率。

Indillinx Barefoot 3主控

Barefoot 3最大支持DDR3L-1600频率的DRAM缓存，并且支持ECC。闪存控制器部分采用8通道架构，支持ONFI以及Toggle标准的闪存。但目前OCZ的Vector只采用IMFT的25纳米ONFI闪存，所以我们估计后面也会添加采用Toggle闪存的版本。

●36.5TB的写入量和限速特性

OCZ表示Vector支持每天20GB的写入量使用5年，即36.5TB的总量，并提供五年质保。据悉这每天20GB的写入量都是4KB随机数据，所以实际应用的话应该会更高，寿命会更长。

此外，当Vector的使用空间在50%以下时将开启全速模式，这比Vertex 4要保守一些，而在使用超过50%的空间之后将会限制写入速度。

总结：采用Barefoot 3+25纳米IMFT ONFI 2.x闪存的OCZ Vector进一步挖掘了持续读写和随机读写的性能，相信在过渡到ONFI 3.0或者Toggle 2.0之后会有更高的表现。Barefoot 3还是采用闲置垃圾回收策略，同时TRIM效果立竿见影。此外，在使用超过50%的空间之后会限制写入速度保证寿命，并非掉速问题。Barefoot 3相信只会出现在OCZ自家的产品中，这也使得OCZ拥有了自己的主控方案。