關(guān)于固態(tài)硬盤你必須知道這些

陳東升

隨著固態(tài)硬盤的崛起，價格也是越來越低，裝機(jī)搭配一塊固態(tài)硬盤成為了幾乎所有電腦的標(biāo)配。PC電腦硬件之間的木桶效應(yīng)，本來機(jī)械硬盤時代的短板被固態(tài)硬盤彌補(bǔ)了一段，但是固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)簡單，制造技術(shù)低，如果愿意，自己也能DIY一塊固態(tài)硬盤，這也間接導(dǎo)致市場魚龍混雜，如何選購成為了一個難題。

1.內(nèi)部組成

SSD簡單說由五部分構(gòu)成：主控芯片、閃存、外置緩存顆粒、PCB板以及外殼。

主控：主控類似于CPU進(jìn)行固態(tài)硬盤的內(nèi)部運(yùn)算，主控很重要。

閃存：存儲內(nèi)容的地方。

外置緩存：某些型號沒有外置緩存，有些集成在主控內(nèi)部，有些特殊設(shè)計不需要很大緩存所以沒有，類似于內(nèi)存。

SLC緩存：大幅提升固態(tài)硬盤爆發(fā)速度的技術(shù)。

PCB板：把主控、閃存顆粒、外置緩存顆粒等其他芯片焊接在上面的的板子，類似于主板。

外殼，鐵殼子或者塑料盒子。

2.閃存顆粒

閃存顆粒廠商

最大的就是3家，三星、英特爾（鎂光合作建廠）和東芝。其他顆粒也有美光的大S顆粒，還有其他的一些封裝廠，例如威剛、群聯(lián)。能生產(chǎn)顆粒最重要的晶圓的就是那最大的3家，其他廠家要么生產(chǎn)的少，要么就是拿生產(chǎn)的晶圓自己封裝成你所能看到的閃存顆粒。

顆粒類型

SLC，MLC，TLC，QLC以及特殊的3D Xpoint閃存顆粒。

顆粒的簡單原理

不同的閃存顆粒簡單點(diǎn)說就是單位面積儲存的數(shù)據(jù)不同，增加儲存的數(shù)據(jù)量，可以增加單位面積的數(shù)據(jù)儲存上限，但是會造成壽命和性能的降低。

SLC顆粒：NAND閃存的始祖，具有十萬次的P/E壽命，（就是十萬次擦寫壽命，就是相當(dāng)于把盤寫滿，然后刪除），同時具有很高的速度，但是成本高，單位密度低，民用幾乎看不到。

MLC顆粒：具有3 000 ～10 000次的P/E壽命，速度表現(xiàn)尚可，不過主流市場現(xiàn)在很少了，能買到的要么是二手，要么是“大船貨”，其已經(jīng)基本退出了主流市場，但還是可以買到，價格中等。

TLC顆粒：具有500 ～1 000次的P/E壽命，速度較慢，但是有SLC緩存的加持，短時間速度表現(xiàn)也很不錯，加上有很多針對TLC的主控芯片，為2TLC普及添磚加瓦。家用主流市場現(xiàn)在幾乎都是TLC顆粒，但是商用或者大型數(shù)據(jù)處理中心還是以MLC和SLC為主。

QLC顆粒：最近出現(xiàn)的顆粒，目前在市場上較少，壽命和速度表現(xiàn)較差，暫時不推薦，如果日后技術(shù)成熟了，買來作為倉庫還是不錯的。

Intel 3D xpoint顆粒：具有極高的壽命，民用可以作為傳家寶級別，介于DRAM和NAND之間的速度，第一代約有1 % DRAM的速度，但這樣也比NAND強(qiáng)非常多，隨機(jī)讀寫性能碾壓NAND。

原理：閃存顆粒原理很復(fù)雜，簡單點(diǎn)說就是閃存顆粒如果要數(shù)據(jù)讀寫，需要將電子穿過一個類似電容的場，不然電子亂跑，加電壓以后電子順著場做運(yùn)動穿過電容中間的二氧化硅，然后讀寫數(shù)據(jù)。就像一道水閘，加電壓水閘降低，水就流過去了（可能不是很準(zhǔn)確，但是這是筆者能想到的最簡單的方法）。

SLC閃存有0和1兩種狀態(tài)，可以表示1 bit數(shù)據(jù)；MLC閃存有11、10、01和00等4種狀態(tài)，可以表示2 bit數(shù)據(jù)；TLC閃存有111、110、101、100、011、010、001和000等8種狀態(tài)，可以表示3 bit數(shù)據(jù)，說這些和耐用性有什么關(guān)系呢？問題在于，閃存單元每次編程或擦除的電子穿越過程都會導(dǎo)致硅氧化物的損耗。這東西本來就只有區(qū)區(qū)10 nm的厚度，每進(jìn)行一次電子穿越就會變薄一些。也正因為如此，硅氧化物越來越薄，耐用性自然就更差了。

簡單地說，SLC的電壓狀態(tài)最少，可以容忍電壓的更大變化，MLC的4種狀態(tài)也基本可以接受，TLC的8種就太多了，電壓可變余地很小。在不清楚確切的所需電壓之時，就不得不將同樣的電壓分成8份（SLC和MLC分別只要2份和4份）。在使用過程中，編程和擦寫一個TLC閃存單元所需要的時間也越來越長，最終達(dá)到嚴(yán)重影響性能、無法接受的地步，閃存區(qū)塊也就廢了。

顆粒封裝

其實顆粒并不是所看到的一個大黑片，里面其實是一個晶圓小塊，然后外面是黑色樹脂包裹保護(hù)以及一些走線。

晶圓第一步挑選完后會有一部分被淘汰，這部分通過某些渠道流出，下游廠商切割，屏蔽壞的部分，成為黑片。

第二步切割以后，將切壞的淘汰，被下游封裝廠得到，封裝后成為白片，例如大S顆粒，白片比黑片好，不是不能用，但這是好的白片，差的白片一般用去做儲存卡、U盤等，但還是有廠商做固態(tài)硬盤。差的白片和黑片差不多，白片不能一棒子打死，但是也不能直接武斷同意。

第三步再次檢測后留下的就是正片，正片廠商封裝完成后就成為了我們看到的顆粒。

3.主控

如果將顆粒比作馬，那么主控就是鞭子，驅(qū)使管理顆粒。沒有主控，顆粒只能是“莽夫”。一個好的固態(tài)硬盤，一般主控也不會很差。主控廠商有三星、Intel、慧榮、美滿（Marvell，也稱馬牌）、群聯(lián)（phison）和智威等。

一般三星的主控只用在自家的固態(tài)硬盤上，Intel研究出來也是只給自己家企業(yè)級固態(tài)用。

主控功能

SLC緩存：將TLC變成只儲存1 bit的數(shù)據(jù)，那么這塊就成為了SLC緩存，但是畢竟是TLC，緩存用完后便會原形畢露。

TRIM：垃圾回收機(jī)制，因為固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤寫入擦除方式不同，固態(tài)硬盤寫入數(shù)據(jù)最小是Page頁，擦除就是塊，類似于寫入是可以寫入1 KB數(shù)據(jù)，但是擦除時不能只擦除1 KB，需要擦除100 KB。所以需要把部分沒用的數(shù)據(jù)挪到一起，湊夠1個塊，然后一次擦除。

磨損均衡：1個塊不能一直擦除寫入，需要大家“雨露均沾”，不然一直用1個塊，容易用壞，這就是磨損均衡。

4.接口以及協(xié)議

接口決定了速度的上限，不管固態(tài)實際多快。

接口：SATA，mSATA，M.2，PCIE這4個是常見的。

協(xié)議：SATA和部分走SATA通道的M.2固態(tài)對應(yīng)AHCI協(xié)議。走PCIE通道的M.2就是NVME協(xié)議。

SATA和mSATA接口

SATA在臺式機(jī)上是必定有的一個接口，mSATA在比較老的筆記本上有，不過后來少見了，因為有了M.2接口。SATA現(xiàn)在基本是3.0和2.0的較多，理論上2.0是3 Gbps，3.0速度6 Gbps，能夠達(dá)到750 MB/S的速度，實際上大部分都是500 M/S，也有少于這個的。

M.2接口

M.2接口有2種B-key和M-key，后者是走PCIEx4通道，前者PCIEx2通道，速度不太一樣，體驗差不多。

PCIEx4通道

把PCIEx4固態(tài)做到PCIE插卡上，可以增加體積增強(qiáng)散熱以及其他功能，例如斷電保護(hù)等。同時也能獲得直通CPU的PCIE通道，獲得更快的速度提升，但是較低的平臺會和顯卡搶占通道，畢竟直通CPU的PCIE通道很珍貴。一般其它的都是南橋提供的，速度比不上直連的。

5. DRAM緩存

SSD的DRAM緩存作用是儲存映射表數(shù)據(jù)，有些固態(tài)硬盤沒有外置的緩存，但是集成在主控內(nèi)部，叫做SRAM。映射表數(shù)據(jù)就像是一個賬本，記錄著顆粒哪些地方儲存著什么數(shù)據(jù)，哪些是沒用的數(shù)據(jù)，在垃圾回收時可以方便很多。

這部分緩存還有緩沖作用，如果要在510 KB無效空間中存放4 KB數(shù)據(jù)，需要先擦除512 KB，再寫入4 KB，緩存可以存儲多個4 KB數(shù)據(jù)，等到一定量后一次擦除。

6.掉電保護(hù)

掉電保護(hù)可以保護(hù)SSD中正在讀寫的數(shù)據(jù)，簡單點(diǎn)說就是有一些掉電保護(hù)電容。供電時電容充電，意外斷電后電容放電，讓固態(tài)硬盤把未完成的數(shù)據(jù)完成，在映射表中做好記錄，使固態(tài)硬盤通電后還能繼續(xù)使用。一般民用數(shù)據(jù)沒那么重要，考慮到成本原因，也是售價原因，家用的沒這個功能，但是PCIE直連CPU的固態(tài)硬盤有，這類硬件的有一個通用缺點(diǎn)，那就是貴。一般這個功能企業(yè)級SSD都有。

7. OP容量

固態(tài)硬盤除了能看到的那部分空間，還有一部分隱藏空間，這部分就是OP容量。當(dāng)部分SSD原來的空間損壞后，用這些隱藏的空間頂上去來提升SSD壽命。

8.其他

寫放大：前面提到過，如果要在512 KB無效空間中存放4 KB數(shù)據(jù)，需要先擦除512 KB，再寫入4 KB，這就是寫放大，寫入4 KB，卻要擦除512 KB，這是128倍的放大，不過一般沒有這么極端，寫放大造成了不必要的擦除，降低壽命。擦一次是這么久，如果是很多次呢，那么浪費(fèi)的時間就體現(xiàn)在速度上，降低了性能。所以減小寫放大不僅提升性能，還延長壽命。

OP空間：雖然OP空間越大越好，但是高于一定量便沒有意義，購買時一般也不會標(biāo)注出來，所以不必非常在意。

日常使用：如果沒什么必要，不要經(jīng)常擦寫固態(tài)硬盤，這會降低壽命。所以固態(tài)硬盤240 G及以下最好就是別分區(qū)了，因為單個分區(qū)小了，可能需要重新刪除一些東西（但還要看個人喜好，只是建議）。

通過內(nèi)容可以看出，SSD是有壽命的，尤其TLC壽命和SLC比都不是一個數(shù)量級。經(jīng)常擦寫降低壽命、主控不好降低壽命、顆粒不好壽命更低，所以選購時這三方面成考慮是最重要的。