固态硬盘（SSD）选型与测试方法
- 固态硬盘简介
固态硬盘（Solid State Drives）又称固盘，是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元、存储单元和缓存芯片组成。在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、 视频监控、 网络监控、 网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。
图1 固态硬盘示例
如图1所示，固态硬盘采用“介质+主控”的半导体存储芯片结构。存储介质，这里是指NAND闪存芯片，负责数据的存储。主控包括主控芯片（微处理器）和运行相关固件程序，实现主机接口到存储介质之间的数据访问。选购固态硬盘是个综合的过程，一般从四个方面，即容量、接口类型、品质、性能参数，来考虑。
容量
随着存储技术的发展，目前常用的固态硬盘容量主要有：32GB、64GB、128GB、256GB、512GB、1TB、2TB、4TB、8TB，一般需要根据实际需求选择合适的容量，当然容量越大，价格会越高，了解实际项目需求，并评估合适的容量是选取SSD的第一步。
接口类型
接口类型一般指的是物理接口，是固态硬盘与主板连接的端口，常见的接口主要有SATA接口、M.2接口和PCIe接口。
- SATA接口
如图2所示，SATA接口是目前应用最多的硬盘接口，SATA 3.0接口最大的优势就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盘都使用这种接口。SATA于2000年作为1.0版（SATA I）首次推出，传输速度高达1.5Gbit/sSATA标准于2004年修订为2.0（SATA II），支持高达3.0Gbit/s的速度。现在能看到的笔记本电脑和台式机大都采用SATA 3.0端口（SATA III），支持高达6Gbit/s（600MB/s）的传输速度。它们用于将HDD、DVD驱动器和SSD连接到台式机或笔记本电脑。SATA SSD使用SATA III接口连接到计算机或笔记本电脑。这些SSD的读写速度一般在450-550 MB/s之间，这比SATA III HDD的读写速度在70-200 MB/s之间快得多。SATA 3 SSD具有与2.5英寸硬盘相同的外形尺寸，可以轻松地安装在大多数老式的笔记本电脑或者台式机，用来替换内部HDD以提高其性能。
mSATA或mini-SATA SSD在性能上与SATA3 SSD相似，但其连接器略有不同，称为mSATA。他们使用的是2009年9月发布的mSATA连接器，比标准的SATA连接器小。它的设计是为了方便安装固态硬盘的设备有一个小的形状因素。mSATA SSD比SATA SSD小，适合占用空间小的计算设备。如图3所示的硬盘即为mSATA,需要注意的是，mSATA SSD根据外形尺寸又分为（全高）mSATA和mSATA mini（半高）,且半高由于集成度更高，相同容量下，其价格会比全高尺寸高很多，所以我们在选型主板的时候，满足需求情况下，要优先选用具有全高尺寸接口的主板，这会为SSD选型节约不少成本，并且由于空间原因，全高尺寸更容易做掉电保护电路，使得SSD性能更为稳定。
- M.2接口
NGFF M.2 SSD通常被称为M.2 SSD，尽管M.2是所用连接器的名称。NGFF（Next Generation Form Factor）是mSATA标准的替代规范。它是对mSATA标准的改进，使用了一种新的连接器M.2，它支持多种设备。M.2连接器与mSATA设备不兼容。如图4所示，在选择NGFF或NVME PCIE SSD时要考虑的另一个重要方面是设备的主板支持的长度。M.2和NVMe SSD宽22毫米，但长度不同。根据制造商的不同，其长度可能为30、42、60、80或110mm。
- PCIe接口
M.2 NVMe PCIe SSD（简称NVMe SSD）比前面提到的所有SSD都快，读写速度平均高达3500和3000 MB/s。他们也使用M.2连接器就像NGFF固态硬盘。M.2是一个连接器，它可以同时支持NGFF和NVMe SSD，具体取决于主板的配置。旧主板上的M.2插槽仅支持NGFF SSD，而最新主板上的M.2插槽可以与NVMe SSD一起使用。
品质
1.存储颗粒
NAND闪存颗粒是存储数据的媒介，NAND闪存颗粒的优劣对固态硬盘的性能起着决定性的作用。NAND闪存颗粒这种半导体介质尤其自身的物理参数，例如寿命（P/E cycles，编程/擦除次数）、program（写程序）、Erase（擦除）、Read（读）时间、温度对读写的影响、闪存页的大小、闪存块的大小等，这些都是介质的参数。
图6 固态颗粒
如图6所示，固态颗粒根据存储单元密度差异可以分为SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）、TLC（Triple-Level Cell）和QLC（Quali-Level Cell）四大类，性能从高到低依次为SLC＞MLC＞TLC＞QLC，目前TLC是应用最广泛的存储颗粒类型，MLC主要面向工业级市场，随着技术的发展，高端TLC颗粒也逐渐的被应用于工业级市场。
2.掉电保护
由于 NAND 编写程序时间很长，有时候在数据写到 NAND 时, 因为突然停电以 致数据流失。它可能在记忆装置移动，脱落或电源不稳定的环境下发生。 大多数控制器可以提供电源保护方案，以确保记忆装置在电源突然关闭之后仍可以动作, 但是，最后一笔数据还是会遗失。然而，对于一些嵌入式或工业应用上，它需要确保所有的数据，即使是最后一笔数据，都要被安全地写到NAND 内存。因此，强烈建议在重要的军事系统，医疗和工业应用上需采用具有 PLP 断电保护 的 SSD 记忆装置。
如图7所示，在 PCBA 上加上钽电容，如果突然断电，主机会停止发送数据,钽电容会维持一段时间电压，使得主控有足够的时间将数据安全的存储到 NAND。
- 性能
4K IOPS指数影响的是日常使用电脑的流畅度，具体指的是存储每秒可接受多少次主机发出的访问，IOPS越高表示硬盘读（写）数据越快，是最能直观反映一个固态硬盘传输速度和性能的参数，如日常应用中网页缓存的写入、系统文件更新，包括程序、游戏的加载、响应等等都与随机4K IOPS
数值息息相关，如图8所示我们一般通过CrystalDiskMark软件工具来测试SSD的读写性能。
- 测试方法
目前固态硬盘的测试有一套自己的测试标准GB/T 36355-2018，其主要规定了固态硬盘的功能性能、数据一致性和数据保存实效的测试方法，其具体测试方法请参考showdoc链接。除了国家标准外，每家生产厂商也有自己的测试方法，以innoDisk 为例，其对mSATA 3TE7 Kioxia 112 Layers产品的主要测试项如表1所示：
表1 测试结果
由上表可知，其主要分为性能测试、可靠性测试、兼容性测试、掉电测试和功能测试。其测试方法可供我们内部选型测试时参考。