计算机科普扫盲——固态硬盘

阳光穿透心脏的1/2处 2022-04-23 10:48 829阅读 0赞

## 一、前言 ##

### 1.1 引言 ###

进入 2019 年，随着国产厂商的杀入，`固态硬盘（SSD）`甚至被杀到了 1 元 1G 的价格，固态硬盘也逐渐在普通用户中普及开来。现在新购一台电脑，无论是笔记本还是台式机，固态硬盘基本上是必备的硬件。

但是固态硬盘和其他计算机硬件一样，参数众多，其中也是有一点门道的。这也是我写这篇文章的动力，希望帮助大家明白固态硬盘的相关知识。

### 1.2 你真的需要 SSD 吗？ ###

固态硬盘的功能通俗点说就是**加快数据传输的速度**。

因此如果你想提升系统的启动速度，或者是让应用打开速度变快，或者是文件读取速度变快，这是 SSD 所能够做到的。

但是如果你原本运行 PS、PR 等专业软件，或者打游戏卡，即使你装上 SSD 也无济于事，因为这取决于你的 CPU、显卡、内存等待因素。

## 二、闪存颗粒与主控 ##

打一个形象的比喻，SSD 就是一个**货物仓库**，在这个仓库中，货物被放在一个个**货架**内。

SSD 最重要的就是`闪存颗粒`和`主控`。按照例子，颗粒类型的不同就决定了**一个货架上放了几件货物**。主控就是这个仓库的**控制中心**，负责如何从仓库中找到某一个货物。

### 2.1 颗粒类别 ###

#### 2.1.1 SLC、MLC、TLC ####

传统的颗粒类别分为 `SLC`、`MLC`、`TLC` 三种。SLC 一般应用于企业级中，对于普通消费级市场，大多是都是 TLC，以及少量的 MLC。

`SLC`(Single-Level Cell，单层单元) 表示一个存储单元存放 1 bit 的数据；`MLC`(Multi-Level Cell，多层单元) 表示一个存储单元存放 2 bit 的数据；`TLC`(Triple-Level Cell，三层单元)表示一个存储单元存放 3 bit 的数据。  
![颗粒类别][20161222161239155]  
在我们一开始的例子中，一个数据单元就是一个货架。在 SLC 中，一个货架就只放 1 个货物，其他的类推。

由于 SLC 货架只放了一个货物，因此找到这个货物的速度就很快，而且不容易出错。而 TLC 由于放了三个货物，想要找到一个货物还要在这个货架中进行查找，相对于 SLC 速度和正确率就下降了。而且由于 TLC 每个货架的使用频率高，负载大，比 SLC 也更容易坏掉。同时 SLC 由于一个货架只放一个货物，那么它的成本就更多。

下面正经说一下为什么 TLC 读取速度慢于 TLC，以及为什么使用寿命比 TLC 低。

我们知道，计算机中通过电压的高低来表示 0,1。对于 SLC，由于一个数据单元只存放 1 bit，因此只需要 2 个电压就能够表示。而 TLC 一个数据单元存放 3 bit，就需要 8 个电压才能够表示过来。施加不同的电压状态、尤其是相对较高的电压，需要更长的时间才能得以实现（电压不断增高的过程，直到合适的电压值被发现才算完成）。所以，在 TLC 中数据所需访问时间更长，因此读取速度更慢。

由于 TLC 采用多个不同的电压状态，加上存储容量多，击穿绝缘层次数也比其他介质多，于是加速了绝缘层的损耗过程。因此 TLC 的寿命要低于 SLC，一般能够达到 1000 ~ 2000 次擦写寿命，而 SLC 能够达到 3000 ~ 10000 次擦写寿命。由于我们买的大多是 TLC，因此 SSD 的使用寿命也就是 3 ~ 5 年左右。

#### 2.1.2 QLC ####

2018 年市场上推出了 `QLC(Quad-Level Cell)`，每个存储单元可以存放 4 bit 数据，但是由于刚出没多久，相关技术仍然不是很成熟，所以还有待观察，暂时不推荐普通用户购买。

### 2.2 颗粒厂商 ###

虽然 SSD 品牌众多，但是能够有能力生产颗粒的却不多。

能够自主生产颗粒的品牌有：**Intel、三星、镁光（英睿达）、东芝、闪迪、海力士**。

还有一些厂商虽然没有能力生产颗粒，但是使用原厂颗粒，这些品牌包括：**建兴、浦科特**。

### 2.3 原片、白片、黑片 ###

颗粒厂商将认定合格的闪存颗粒，经过多重检测后，正规出售，这就是`原片`。

而在成品检测中被认定不合格的瑕疵品，在封装好后被淘汰，被下游工厂买到，做成杂牌 SSD，这就是`白片`。

而`黑片`，就是原厂生产时的边角料，通过不正规手段流出，做成劣质 SSD，读写效果就是个大号 U 盘。

想要避免买到白片或这黑片，认准官方售卖渠道，各电商品牌直营、旗舰店即可。

### 2.4 主控 ###

主控则是 SSD 的大脑，对 SSD 的重要性不言而喻。和颗粒一样，主控也不是任何品牌有能力能够生产的。

顶级的主控厂商包括：**Marvell、三星Phoenix、Intel**。

其他还不错的主控厂商包括：**东芝、慧荣SM、群联Phison**。

## 三、缓存 ##

SSD 的缓存类型主要包括 DDR 缓存和 SLC 缓存两种。

### 3.1 DDR 缓存 ###

和内存缓存同种，速度非常快。**写入数据首先写入缓存**，硬盘自己将数据从缓存读出写入。  
![20190208204413323.png][]

### 3.2 SLC 缓存 ###

SLC 缓存则是比较常见的缓存类型。前面说过消费级市场大多是 TLC 类型的 SSD，SLC 缓存就是**将一定大小的空间其模拟为 TLC 来使用**，读取时优先使用 SLC 缓存。

例如 SLC 缓存为 512MB，当读取文件小于 512MB 时，速度相当于 SLC，超出 512MB 的部分才是 TLC 真实的速度。这也就是为什么在写入大文件时开始非常快，但是随后会掉速。  
![2019020820545215.png][]

## 四、总线与总线协议 ##

继续接着例子，货物存放在货物仓库中，需要将它运输到目的地。可以选择走高速公路，也可以走国道、省道。

计算机中总线就相当于是数据运输的通道，而不同的总线协议就决定了数据传输的速度。

### 4.1 总线类别 ###

SSD 中一般只有两种总线，即 `SATA` 总线和 `PCI-E` 总线。

SATA 总线的读取速度**最大不超过 550 MB/S**。

PCI-E 总线分为 PCI-E x 1、PCI-E x 2、PCI-E x 4、PCI-E x 8、PCI-E x 16。其中 PCI-E x 8 和 PCI-E x 16 用于显卡，对于 SSD 则是 `PCI-E x 2` 和 `PCI-E x 4` 总线。

PCI-E x 2 总线读取速度**最高 1000 MB/S**，PCI-E x 4 总线读取速度在 **1500 MB/S ~ 3000 MB/S**（由总线协议决定）。

### 4.2 总线协议 ###

`AHCI` 协议是适配 SATA 总线的协议，它最多只能同时处理 1 个队列 32 个指令。

`NVMe` 协议是适配 PCI-E 总线的协议，它最多同时处理 65536 个队列 65536个指令。

在 PCI-E x 4 总线上，如果支持 NVMe 协议，其读取速度为 **3000 MB/S**；如果不支持 NVMe 协议，其读取速度为 **1500 MB/S**。

## 五、物理接口 ##

SSD 一般有以下三大类接口：`SATA 接口`、`PCI-E 接口`和 `M.2 接口`。

### 5.1 SATA 接口 ###

如果你购买了 SATA 接口的 SSD，如下图，那么它只能够被插在主板的 SATA 插槽上，一般是硬盘位或者光驱位。

它的总线也就是 `SATA 总线`，因此其最大读取速度不超过 **550 MB/S**。

![SATA 接口固态硬盘][SATA]

### 5.2 PCI-E 接口 ###

如果你购买了 PCI-E 接口的 SSD，一般它是 `PCI-E x 4 总线`的，如下图，你需要将它插在主板的 PCI-E x 4 插槽上，如果主板上没有 PCI-E x 4 的插槽，也可以插在 PCI-E x 16 插槽上。

其速度根据它是否支持 `NVMe` 协议来决定，如果支持，其读取速度能够达到 **3000 MB/S**；如果不支持，其读取速度能够达到 **1500 MB/S**。

![PCI-E 接口固态硬盘][PCI-E]

### 5.3 M.2 接口 ###

#### 5.3.1 大小尺寸 ####

M.2 接口，早期也被叫做 `NGFF` 接口，在一些早期电脑上，对该接口的 SSD 的长度要求不一，因此出现了 `M.2 2242`、`M.2 2260`、`M.2 2280` 这三种主流的大小型号。

![M.2 固态硬盘大小][M.2]

但是随着时间推移，目前基本上都是 `M.2 2280` 大小的 SSD，只有一些早期机型上需要考虑大小问题。

#### 5.3.2 M 型接口 与 M&B 型接口 ####

`M 型`接口只有一个缺口，下方的金手指块部分有 5 个金手指，如下图所示。

![M 型接口][M]

M 型接口它是 **PCI -E 总线**，具体速度根据它的实际总线和协议来决定。

1.  如果是 PCI-E x 2 总线，读取速度为 **1000 MB/S**；
2.  如果是 PCI-E x 4 总线且支持 NVMe 协议，读取速度超过 **2000 MB/S**；
3.  如果是 PCI-E x 4 总线且不支持 NVMe 协议，读取速度将小于 **1500MB/S**。

`M&B 型` 接口有两个缺口，上方的金手指块部分有 6 个金手指，如下图所示。

![M&B 型接口][M_B]

M&B 型接口支持 **SATA 总线** 或 **PCI-E x 2** 总线。

1.  如果是 SATA 总线，读取速度不超过 **550 MB/S**。
2.  如果是 PCI-E x 2 总线，读取速度不超过 **1000 MB/S**。

#### 5.3.3 B key 插槽与 M key 插槽 ####

选购 M.2 接口，除了看接口类型，还要看主板的插槽类型。

由于历史原因，早期的主板采用了 `B Key(Socket 2)` 插槽，缺口朝左。而现在主流的插槽为 `M Key(Socket 3)` 插槽，缺口靠右。

![M.2 主板插槽区别][M.2 1]

#### 5.3.4 接口与插槽的兼容性 ####

由于插槽的引脚数不同，因此要根据实际的插槽来选择不同类型的 M.2 接口的固态硬盘。

1.  对于早期的 B Key 插槽，只能够选择 **M&B 型接口**，也就是有两个缺口的 SSD。
2.  对于 M key 插槽，除了能够选择 **M 型接口** 外，也可以选择 **M&B 型接口**。但是由于 M 型接口速度更快，因此优先选择 M 型接口。

## 六、读写速度 ##

总线与总线协议赋予了一块 SSD 的理论读写速度，但是实际的读写速度各品牌不一，那么如何才能比较一台 SSD 的速度好坏呢。

`AS SSD` 这款软件是常见的 SSD 测速工具，可以帮我们进行读写速度测试。

![20190208221409460.jpg][]

### 6.1 顺序读写速度 与 4K 随机读写速度 ###

在上图中的第一行 `Seq`，即**顺序读写速度**。这是被广大卖家主要吹嘘的一个速度指标，但是它却不是我们主要关心的问题。

顺序读写速度，主要是读写大文件时的速度，例如拷贝1个 10G 的电影。但是我们实际使用中，大文件的拷贝是比较少见的，更多的是多个小文件的拷贝。而多个小文件的拷贝就要看第二行 `4K`的速度，也就是 4**K 随机读写速度**。

比较的好坏也很简单，越大越好。进入商品的评价区即可，许多人都会晒跑分图，多看几个心中有数即可。

### 6.2 4K 对齐 ###

固态硬盘的读写操作与机械硬盘不同，固态硬盘读写的最小单位叫“页”，因为固态硬盘是以闪存作为存储介质的，所以不能像机械硬盘那样覆盖写入。所以每次要写入新数据，就必须先把原有的数据擦除，而擦除的最小单位叫“块”（块大于页，一个块是由很多页组成的）。

因为传统的分区偏移尺寸一直是从63扇区开始（63X512B=31.5KB），那么就会造成用户的第一个数据的前 4KB 会存放在系统逻辑扇区的 31.5 到 35.5KB 之间，这样持续下去的话，后面所有数据都会卡在 2 个物理扇区容量之间，如果卡在2个扇区之间，那么每次写入时就会变成 读-擦-写 的操作，性能就下降了。

因此，如果写入一个 4KB 的数据，实际上是有 2 次写入操作的，4K 对齐就是让操作系统的最小分配单元和闪存的一个页对应起来，这样写入 4KB 数据时就能一次完成。

实现 4K 对齐也很简单，在新买回来，对 SSD 进行格式化分区时，在分区软件上选择 **对齐扇区的整数倍** 即可。在 `AS SSD` 软件中，最上方有两行绿色的 OK ，表示 4K 对齐成功。

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