固态硬盘

用DIMM記憶體製成固態硬碟

由易失性記憶體製成的RAM主要用於臨時性存儲。因為這類記憶體需要靠外界電力維持其記憶，所以由此製成的RAM還需要配合電池才能使用。揮發性記憶體，例如SDRAM，具有存取速度快的特點。利用這一特點，可以將需要運行的程式從傳統硬碟複製到揮發性記憶體中，然後再交由電腦執行，這樣可以避免由於傳統硬碟的啟動延遲、搜尋延遲等對程式以及系統造成的影響。

由揮發性記憶體製成的RAM通常会依靠电池来保证完成應急備份：當電源意外中斷時，靠電池驅動的這類固態硬碟可以有足夠的時間將資料轉移到傳統硬碟中。當電力恢復後，再從傳統硬碟中恢復資料。

非揮發性記憶體的資料存取速度介於揮發性記憶體和傳統硬碟之間。和揮發性記憶體相比，非揮發性記憶體一經寫入資料，就不需要外界電力來維持其記憶。因此更適於作為傳統硬碟的替代品。

快閃記憶體當中的NAND Flash是最常見的非揮發性記憶體。小容量的NAND快閃記憶體可被製作成帶有USB介面的移動存儲裝置，亦即人們常說的“隨身碟”。隨著生產成本的下降，將多個大容量快閃記憶體模組集成在一起，製成以快閃記憶體為存儲介質的固態硬碟已經是目前的趨勢。

目前用來生產固態硬碟的NAND Flash有四種，分別是單層式儲存（SLC）、多層式儲存（MLC，通常用來指稱雙層式儲存）、三層式儲存（TLC）、四层式存储（QLC）。有些廠商亦稱TLC為3-bit MLC。[1]SLC、MLC、TLC的讀寫速度依序從快至慢（約4:2:1），使用壽命依序從長至短（約6:3:2），成本依序從高至低，需要糾錯位元數（ECC）則是相反地從低至高（同一製程下1:2:4。不過ECC也受製程的影響，同一種晶片，越小尺度的製程需要越多的糾錯位元）。[2][3]固態硬碟的主流從SLC晶片轉到MLC晶片，促成了2011年的大降價，固態硬碟因此普及。

由於SLC的速度較快但成本過高，用於伺服器的企業級SSD都改用了MLC。[4]TLC因為速度較慢但成本低，原本只用來做隨身碟；不過2012下半年，SAMSUNG首先推出使用TLC的消費級固態硬碟（型號840系列），固態硬碟名牌Plextor也打算於2013年量產TLC產品作為低階廉價市場的主力，[5][6]然而TLC的壽命、速度和可靠性（錯誤率）成為消費者的最大疑慮（見下文：缺點）。生產商會在TLC SSD使用更先進的主控及更多預留空間（OP）來處理這些問題。

3-bit的TLC錯誤率较高，需要使用先進的主控及大量的空間進行糾錯。4-bit的QLC错误率更高，因而壽命更短。三星已量产两代3D垂直閃存，利用3D堆疊增加儲存密度。[7]东芝已于2017年发布QLC(四比特单元) BiCS架构的3D NAND闪存芯片。[8]

原先固態硬碟價格非常高昂，只用於軍事及工業用途上；無論是揮發性記憶體還是非揮發性記憶體，其每百萬位元組（MB）成本都遠高於傳統硬碟。因此只有小容量的固態硬碟的價格能夠被大多數人所承受。

不過技術更新隨著NAND Flash的19nm製程於2012年初進入量產，使得能夠在同樣大小的快閃記憶體空間內塞入倍增的容量；隨著NAND Flash從SLC架構到MLC，到最近開始改用TLC；這兩項技術都進一步降低每百萬位元組的成本[10][11]。

随着价格逐渐降低，固態硬碟已經广泛使用在一般的筆記型電腦上做為主系統碟。预计2018年有过半笔记本电脑搭配固态硬盘出厂。[12]而由於價格與儲存空間之比和機械碟仍有较大差距，固態硬碟短时间内依旧無法在容量用途上取代機械硬碟，更多人的電腦上處於兩者並存的狀態。對於桌上型電腦及大型筆記型電腦的使用者來說，使用兩台硬碟是成本效益比最佳的方法：小容量SSD安裝作業系統及常用資料，大容量機械碟安裝資料。但是對於薄型筆電、Ultra book及平板電腦的使用者來說，SSD的高成本仍是問題：容量夠大的SSD很貴而且緊湊的電腦通常無法自行更換SSD而需專業拆機。

固態硬碟數據損壞後是難以修復救回資料的。當負責儲存資料的快閃記憶體顆粒有毀損時，現在的數據修復技術很難在損壞的半導體晶片中救回資料，相反傳統機械硬碟還能通过磁區恢复技术挽回許多資料，當然機械硬碟的數據救回服務收費極度高昂，通常只有企業在挽救重要價值資料時會使用。

雖然逐漸有廠商開發SSD輕度損壞時的救援方法，但傳統的多儲存媒介備份習慣還是萬全之法，不論是機械碟或SSD只要無備份習慣都將承受資料損失的風險。[13]

壽命方面，由於快閃記憶體上每一個電閘都有一定的寫入次數限制，寿命结束后会无法寫入变成唯讀状态；而且隨著使用的快閃記憶體從SLC架構到MLC、TLC，若電閘的品質不變，理論上電閘壽命呈現6:3:2的衰退（因為其原理是在同一個電閘上記錄1、2或3個位元，記錄越多位元，被寫入的機會就越高），[14]因此成為大眾接受固態硬碟的另一個障礙。

而壽命方面，隨著固態硬碟主控晶片的改進，能將寫入位址依照電閘使用率更平均地分散，使唯讀狀態不會太快到來；而固態硬碟容量的增大也有助於拉低電閘平均使用率，因為一般使用習慣上，會經常改寫的檔案只佔全部資料的一小部分。優秀的廠商通常會用軟體算法進一步延長一倍以上的壽命，使固態硬碟能經歷極大量使用，甚至比電腦其它硬體還長久耐用，給予用戶足夠的緩衝時間將資料轉移和備份。而最新的3D-nand技術則可以在降低成本、增加容量的同時避免寫入次數過低。在2015年技術製造的SSD實測中，即使每天寫入100GB數據到固態硬碟上也要連續19年才會耗盡其壽命，所以物理壽命問題已經遠離一般家用使用者的領域。[15]

JEDEC固態技術協會主席Alvin Cox於2015年的一份報告中探討SSD長期不使用靜置時資料的消失特性，時間長短與氣溫有相關性，根據英特爾（Intel）所提供的溫度與資料保存的研究報告顯示只要存放溫度提高5度，資料保存時間就會縮短一半。在消費級SSD的標準狀況下，於40度的運作溫度中寫入資料後於30度的溫度下靜置不通電可保存資料52周，大約相當於一年時間。溫度越高時保存時間短，實驗執行到55度氣溫的保存情境下，而一般人幾乎不會遇到此溫度。[16]

事實上就較少使用的「冷資料」儲存來說，SSD原本就不符合儲存容量效益，一般的大量資料歸檔保存，還是以機械硬碟機較為適當。同時較新的MLC型SSD已經大幅改善這問題，而基本之道還是儘量將SSD多多使用，作為隨身硬碟時也經常接入使其通電，避免長期靜置。

讀取干擾是容易發生的問題，快閃記憶體隨著多次的讀取，會導致在同一區塊中相近的記憶單元內容改變（變成寫入動作）。這即是所謂的讀取干擾。會導致讀取干擾現象的讀取次數門檻介於區塊被抹除間，通常為10萬次。假如連續從一個記憶單元讀取，此記憶單元將不會受損，而受損卻是接下來被讀取的周圍記憶單元。

為避免讀取干擾問題，快閃記憶體控制器通常會計算從上次抹除動作後的區塊讀取動作總次數。當計數值超過所設定的目標值門檻時，受影響的區塊會被複製到一個新的區塊，然後將原區塊抹除後釋放到區塊回收區中。原區塊在抹除動作後就會像新的一樣。若是快閃記憶體控制器沒有即時介入時讀取干擾錯誤就會發生，如果錯誤太多而無法被ECC機制修復時就會伴隨著可能的資料遺失。[17]目前此物理現象問題透過SSD上控制晶片的演算法解決。[18]

SSD的另一個問題是掉速，SSD的速度會隨著寫入次數而降低，若SSD接近裝滿時速度也會下降，所以使用SSD時儘量讓其保留一定的空閒空間較好，是使用者必須改變的使用習慣。同時厂商設計上会通过OP（冗余资源）、磨损均衡等等技术来解决。

原因包括耗損平均技術的副作用、控制晶片及韌體的優劣等。目前較佳的解決方案是Secure Erase會略微縮短SSD壽命，不過在出現掉速時SSD的剩餘壽命還很長，及提高更換頻率。在量產之前TLC架構的速度相較於SLC和MLC產品，原本也是令人質疑的，因為理論上隨著每一電閘記錄位元數的增加，判讀和寫入的速度在相同的準確度之下都必然更緩慢。不過正式量產之後，TLC固態硬碟的讀寫速度甚至略高於同容量MLC的最高速產品，這歸功於主控晶片的進步以及多通道的使用。[19]