很多朋友只知道固態(tài)硬盤比機(jī)械硬盤快，但是卻不知道固態(tài)硬盤為什么快？以及到底快在哪？
這里需要先了解一下機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)，機(jī)械硬盤采用磁性碟片來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這是機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)圖。
儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的地方啊就是這個(gè)磁盤磁片，把數(shù)據(jù)寫到磁盤磁片的結(jié)構(gòu)啊就是這個(gè)磁頭。寫入以及讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候呢，這個(gè)電機(jī)啊就讓這個(gè)磁盤磁片轉(zhuǎn)起來，然后磁頭就會(huì)到達(dá)要寫數(shù)據(jù)的扇區(qū)，把數(shù)據(jù)寫進(jìn)去。工作原理就有點(diǎn)像那種留聲機(jī)工作原理。
機(jī)械硬盤是上下盤面同時(shí)進(jìn)數(shù)據(jù)讀取的。而且機(jī)械硬盤的旋轉(zhuǎn)速度要遠(yuǎn)高于唱片（目前機(jī)械硬盤的常見轉(zhuǎn)速是 7200 r/min），所以機(jī)械硬盤在讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)，非常害怕晃動(dòng)和磕碰。另外，因?yàn)闄C(jī)械硬盤的超高轉(zhuǎn)速，如果內(nèi)部有灰塵，則會(huì)造成磁頭或盤片的損壞，所以機(jī)械硬盤內(nèi)部是封閉的，如果不是在無塵環(huán)境下，則禁止拆開機(jī)械硬盤。
但是到底機(jī)械硬盤到底慢在哪里？其實(shí)慢就慢在它的這種工作方式。雖然看似7200轉(zhuǎn)每分鐘非?？炝?。但是這依舊比不上采用電子方式的固態(tài)硬盤。這就有點(diǎn)像一輛馬車與火車在比賽一樣，完全沒法比的。
但是機(jī)械硬盤的優(yōu)點(diǎn)也是非常明顯的，首先機(jī)械硬盤的儲(chǔ)存的空間非常大而且它的壽命非常的長，關(guān)鍵一點(diǎn)就是突然斷電也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。所以比較適合長時(shí)間保存一些數(shù)據(jù)。
另外還有一個(gè)區(qū)別就是機(jī)械硬盤與固態(tài)硬盤所使用的數(shù)據(jù)接口不一樣，這就像是火車的路只能火車跑，而馬車的路不一樣什么都能跑。這就導(dǎo)致火車的路不會(huì)堵車，而馬車的路就不一樣。
固態(tài)硬盤
固態(tài)硬盤(Solid State Drive)，簡稱SSD（固盤），是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲(chǔ)單元(FLASH芯片、DRAM芯片)以及緩存單元組成。區(qū)別于機(jī)械硬盤由磁盤、磁頭等機(jī)械部件構(gòu)成，整個(gè)固態(tài)硬盤結(jié)構(gòu)無機(jī)械裝置，全部是由電子芯片及電路板組成。
根據(jù)固態(tài)硬盤的定義，我們可以知道固態(tài)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其實(shí)就是由三大塊主控芯片、閃存顆粒、緩存單元構(gòu)成，那么接下來，我們逐一來看。
固態(tài)硬盤大腦：主控芯片
正如同CPU之于PC一樣，主控芯片其實(shí)也和CPU一樣，是整個(gè)固態(tài)硬盤的核心器件，其作用一是合理調(diào)配數(shù)據(jù)在各個(gè)閃存芯片上的負(fù)荷，二則是承擔(dān)了整個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，連接閃存芯片和外部SATA接口。
不同的主控之間能力相差非常大，在數(shù)據(jù)處理能力、算法上，對閃存芯片的讀取寫入控制上會(huì)有非常大的不同，直接會(huì)導(dǎo)致固態(tài)硬盤產(chǎn)品在性能上產(chǎn)生很大的差距。
當(dāng)前主流的主控芯片廠商有 marvell 邁威（俗稱“馬牌”）、SandForce、siliconmotion慧榮、phison群聯(lián)、jmicron智微等。而這幾大主控廠商，又都有著自己的相應(yīng)特點(diǎn)，應(yīng)用于不同層級的固態(tài)產(chǎn)品。
以臺(tái)系廠商siliconmotion慧榮為例，此款主控芯片主要特點(diǎn)在于能夠?yàn)楣虘B(tài)硬盤廠商提供包括軟件和硬件在內(nèi)的一體化主控方案，包括主控芯片、電路板以及存儲(chǔ)單元，能夠極大的提升產(chǎn)品的更新速度和使用壽命，并且不存在兼容等問題。
核心器件：閃存顆粒單元
作為硬盤，存儲(chǔ)單元絕對是核心器件。在固態(tài)硬盤里面，閃存顆粒則替代了機(jī)械磁盤成為了存儲(chǔ)單元。
閃存(Flash Memory)本質(zhì)上是一種長壽命的非易失性(在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息)的存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)刪除不是以單個(gè)的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位。
在固態(tài)硬盤中，NAND閃存因其具有非易失性存儲(chǔ)的特性，即斷電后仍能保存數(shù)據(jù)，被大范圍運(yùn)用。
根據(jù)NAND閃存中電子單元密度的差異，又可以分為SLC（單層次存儲(chǔ)單元）、MLC（雙層存儲(chǔ)單元）以及TLC(三層存儲(chǔ)單元)，此三種存儲(chǔ)單元在壽命以及造價(jià)上有著明顯的區(qū)別。
SLC（單層式存儲(chǔ)），單層電子結(jié)構(gòu)，寫入數(shù)據(jù)時(shí)電壓變化區(qū)間小，壽命長，讀寫次數(shù)在10萬次以上，造價(jià)高，多用于企業(yè)級高端產(chǎn)品。
MLC（多層式存儲(chǔ)），使用高低電壓的而不同構(gòu)建的雙層電子結(jié)構(gòu)，壽命長，造價(jià)可接受，多用民用高端產(chǎn)品，讀寫次數(shù)在5000左右。
TLC（三層式存儲(chǔ)），是MLC閃存延伸，TLC達(dá)到3bit/cell。存儲(chǔ)密度最高，容量是MLC的1.5倍。造價(jià)成本最低， 使命壽命低，讀寫次數(shù)在1000~2000左右，是當(dāng)下主流廠商首選閃存顆粒。
當(dāng)前，固態(tài)硬盤市場中，主流的閃存顆粒廠商主要有toshiba東芝、samsung三星、Intel英特爾、micron美光、skhynix海力士、sandisk閃迪等。
由于閃存顆粒是固態(tài)硬盤中的核心器件，也是主要的存儲(chǔ)單元，因而它的制造成本占據(jù)了整個(gè)產(chǎn)品的70%以上的比重，極端一點(diǎn)說，選擇固態(tài)硬盤實(shí)際上就是在選擇閃存顆粒。
固件算法：
SSD的固件是確保SSD性能的最重要組件，用于驅(qū)動(dòng)控制器。主控將使用SSD中固件算法中的控制程序，去執(zhí)行自動(dòng)信號處理，耗損平衡，錯(cuò)誤校正碼(ECC)，壞塊管理、垃圾回收算法、與主機(jī)設(shè)備(如電腦)通信，以及執(zhí)行數(shù)據(jù)加密等任務(wù)。由于固件冗余存儲(chǔ)至NAND閃存中，因此當(dāng)SSD制造商發(fā)布一個(gè)更新時(shí)，需要手動(dòng)更新固件來改進(jìn)和擴(kuò)大SSD的功能。
開發(fā)高品質(zhì)的固件不僅需要精密的工程技術(shù)，而且需要在NAND閃存、控制器和其他SSD組件間實(shí)現(xiàn)完美整合。此外，還必須掌握NADN特征、半導(dǎo)體工藝和控制器特征等領(lǐng)域的最先進(jìn)的技術(shù)。固件的品質(zhì)越好，整個(gè)SSD就越精確，越高效，目前具備獨(dú)立固件研發(fā)的SSD廠商并不多，僅有Intel/英睿達(dá)/浦科特/OCZ/三星等廠商，希望我國能早日解決。
錦上添花：緩存芯片
緩存芯片，是固態(tài)硬盤三大件中，最容易被人忽視的一塊，也是廠商最不愿意投入的一塊。和主控芯片、閃存顆粒相比，緩存芯片的作用確實(shí)沒有那么明顯，在用戶群體的認(rèn)知度也沒有那么深入，相應(yīng)的就無法以此為噱頭進(jìn)行鼓吹。
實(shí)際上，緩存芯片的存在意義還是有的，特別是在進(jìn)行常用文件的隨機(jī)性讀寫上，以及碎片文件的快速讀寫上。
由于固態(tài)硬盤內(nèi)部的磨損機(jī)制，就導(dǎo)致固態(tài)硬盤在讀寫小文件和常用文件時(shí)，會(huì)不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的整塊的寫入緩存，然而導(dǎo)出到閃存顆粒，這個(gè)過程需要大量緩存維系。特別是在進(jìn)行大數(shù)量級的碎片文件的讀寫進(jìn)程，高緩存的作用更是明顯。
這也解釋了為什么沒有緩存芯片的固態(tài)硬盤在用了一段時(shí)間后，開始掉速。
固態(tài)硬盤的顆粒(重中之重)
閃存顆粒是固態(tài)硬盤用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的東西，分為SLC、MLC、TLC三種，是挑選固態(tài)最重要的參數(shù)。
SLC：S是single，單一的意思，如single dog-單身狗。所以，SLC的每個(gè)存儲(chǔ)單元只存儲(chǔ)1bit的數(shù)據(jù)，這種存儲(chǔ)方式穩(wěn)定性強(qiáng)，讀寫速度很快，而且不會(huì)出錯(cuò)，并且壽命長，因此價(jià)格也是最貴的。
MLC：M是multi，多個(gè)的意思，一般我們說的MLC就是指兩個(gè)，所以，MLC的每個(gè)存儲(chǔ)單元要放2bit的數(shù)據(jù)。
TLC：T是triple，沒錯(cuò)，就是“三殺”的那個(gè) triple kill！
所以，TLC顆粒的每個(gè)存儲(chǔ)單元要擠3bit的數(shù)據(jù)。(由于MLC是多個(gè)bit的意思，多個(gè)包含3個(gè)，所以，有些廠商，如三星，會(huì)把自家使用TLC顆粒的EVO系列固態(tài)硬盤稱為“3bit MLC”）
舉個(gè)很形象的例子:
我們把存儲(chǔ)空間想象成一個(gè)超大的停車場，每一個(gè)存儲(chǔ)單元就是一個(gè)停車位，1bit的數(shù)據(jù)就是一輛汽車。
SLC顆粒：1bit獨(dú)占一個(gè)車位，這輛車來去自如，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，而且速度很快，由于車位使用頻率不高，所以壽命也很長，但是成本很高。
MLC顆粒：2bit占一個(gè)車位，1車2車進(jìn)出需要管理員調(diào)度，效率稍低，所以速度會(huì)慢一些，車位使用頻率高了一倍，所以壽命也會(huì)變短一些。
TLC顆粒：3bit擠一個(gè)車位，進(jìn)出調(diào)度更復(fù)雜，效率較低，所以速度慢，還容易出錯(cuò)，壽命短一些。
現(xiàn)在世界上能自主生產(chǎn)顆粒的廠家有：intel、三星、閃迪、東芝、鎂光（英睿達(dá)）、海力士。所有正規(guī)的固態(tài)硬盤使用的都是這幾家的檢驗(yàn)合格的原廠顆粒。如使用自家顆粒的inter、三星、閃迪、鎂光（英睿達(dá)）、東芝等；還有雖然自己不會(huì)生產(chǎn)顆粒，但是使用從原廠購買顆粒的浦科特、海盜船、建興等，所以購買時(shí)可以優(yōu)選選擇這些品牌。
市面上還有一些使用“白片”、“黑片”顆粒的固態(tài)硬盤的廠家，“白片”是指原廠檢驗(yàn)不合格的瑕疵品，被偷偷賣給下游工廠來制作固態(tài)硬盤?！昂谄笔沁B白片都比不上的廢片，這類硬盤價(jià)格通常會(huì)遠(yuǎn)低于原廠顆粒的硬盤，給人一種“高性價(jià)比”的錯(cuò)覺。
主控
如果說存儲(chǔ)空間是一個(gè)超大的停車場，那么主控就是這個(gè)超大停車場的“管理員”啦，他負(fù)責(zé)指揮每一輛車準(zhǔn)確、合理的進(jìn)出自己的停車位。
對于這么大的一個(gè)停車場，特別是三輛車擠一個(gè)車位的TLC顆粒的停車場來說，管理員是操碎了心，每天都累成狗一樣。所以這個(gè)主控“管理員”必須要有過硬的身體素質(zhì)（硬件要好）和扎實(shí)的管理方法（固件要好）。
好的主控+優(yōu)秀的固件就相當(dāng)于讓受過專業(yè)訓(xùn)練的交警來管理停車場，而渣的主控+渣的固件就相當(dāng)于讓一個(gè)骨瘦如柴，沒有受過教育和訓(xùn)練的人來管理，所以啊，即使你的停車場修的很牢固，但是沒用多久，管理員先累死了，整個(gè)停車場也就不能用了。
接口、總線、協(xié)議
由于近些年固態(tài)硬盤發(fā)展的很快，新老產(chǎn)品技術(shù)交替，所以市面上固態(tài)硬盤的接口、協(xié)議等有些亂七八糟的，他們之間有著剪不斷，理還亂的關(guān)系。
接口：
接口就是把幾條導(dǎo)電的銅線做成不同形狀的插頭。市面上主流的固態(tài)硬盤接口有 SATA、mSATA、m.2、PCI-E插槽這4種。
他們之間除了在外觀上有不同外，性能上也有較大的區(qū)別。
總線：
總線是我們看不到的東西，可以理解為數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹肮贰?，有sata總線和PCI-e總線兩種。
假如我們要從P城開車到Y(jié)城，走PCI-E總線就相當(dāng)于走兩地直達(dá)的高速公路，而走SATA總線的就相當(dāng)于走了比較繞的城鄉(xiāng)公路。
PCI-E總線又有幾個(gè)等級，PCIE×1、PCIE×2、PCIE×4、PCIE×8、PCIE×16，數(shù)字越大，速度就越快。目前的固態(tài)硬盤都是用的×2、×4這個(gè)等級的，其中×4的最大速度已經(jīng)可以達(dá)到 3000 MB/s以上了。說到這，有機(jī)靈的小伙伴可能已經(jīng)想到了我們用的顯卡早就已經(jīng)是 ×16的級別了。
最后是協(xié)議
前面已經(jīng)說了，PCI-E ×4 是一條平坦的高速公路，但是我們都知道，現(xiàn)實(shí)中的高速公路上每輛車的車速也是不同的，跑車總是會(huì)比轎車快。而擁有NVMe協(xié)議的固態(tài)硬盤就相當(dāng)于專門針對這條平坦的高速公路而設(shè)計(jì)的超級跑車。同樣是走的PCI-E ×4 的車道，不支持NVMe協(xié)議的硬盤最大只能跑1500MB/s，而支持NVMe協(xié)議的硬盤就可以跑到3000MB/s甚至以上。
4KB隨機(jī)讀寫
固態(tài)硬盤雖然順序讀寫速度超快，但是那是只有在讀寫一整個(gè)大文件（如一部電影）時(shí)才能體會(huì)到它的優(yōu)勢，而影響我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖怯脖P的4K 隨機(jī)讀寫速度（這里的4K是4KB）。
舉個(gè)例子：
小明去一個(gè)大商場買東西，售貨員問小明：“你要買什么呢？”
小明說：“阿姨，我要買一臺(tái)大電視！”“好的！”雖然電視很大很重，但是售貨員只要跑一趟花點(diǎn)力氣就能把大電視給小明拿過來。這就是大文件的持續(xù)讀寫速度。
小明又說：“阿姨，我要一顆小白兔奶糖、一包辣條、一瓶可樂、一只鉛筆、一個(gè)小豬佩奇、一卷衛(wèi)生紙……”售貨員：“#￥@%……&*”這些東西雖然又輕又小，但是量多，售貨員阿姨就要跑很多地方才能完成小明的請求，速度自然就慢了下來，這就是4kb隨機(jī)讀寫。
很遺憾的是我們?nèi)粘Ｊ褂秒娔X時(shí)大多都是這種小文件的隨機(jī)讀寫。所以，我們在挑選固態(tài)的時(shí)候要重點(diǎn)關(guān)注硬盤的4k隨機(jī)讀寫性能。
NVMe
NVMe是為SSD所生的。NVMe出現(xiàn)之前，SSD絕大多數(shù)走的是AHCI和SATA的協(xié)議，后者其實(shí)是為傳統(tǒng)HDD服務(wù)的。與HDD相比，SSD具有更低的延時(shí)和更高的性能，AHCI已經(jīng)不能跟上SSD性能發(fā)展的步伐了，已經(jīng)成為制約SSD性能的瓶頸。
跟ATA spec中定義的命令相比，NVMe的命令個(gè)數(shù)少了很多，完全是為SSD量身定制的。
NVMe有三寶：Submission Queue （SQ），Completion Queue（CQ）和Doorbell Register （DB）。SQ和CQ位于Host的內(nèi)存中，DB則位于SSD的控制器內(nèi)部。上圖：
SQ和CQ在Host的memory中以及DB在SSD端，上圖中的NVMe Subsystem一般就是SSD。
SQ位于Host內(nèi)存中，Host要發(fā)送命令時(shí)，先把準(zhǔn)備好的命令放在SQ中，然后通知SSD來取；CQ也是位于Host內(nèi)存中，一個(gè)命令執(zhí)行完成，成功或失敗，SSD總會(huì)往CQ中寫入命令完成狀態(tài)。
DB又是干什么用的呢？Host發(fā)送命令時(shí)，不是直接往SSD中發(fā)送命令的，而是把命令準(zhǔn)備好放在自己的內(nèi)存中，那怎么通知SSD來獲取命令執(zhí)行呢？Host就是通過寫SSD端的DB寄存器來告知SSD的。這樣的速度就非?？炝恕?/p>
所以總結(jié)一下如何挑選固態(tài)硬盤？
1：先看儲(chǔ)存顆粒，再看顆粒類型。
2：查看硬盤主控。
3：緩存大小，及所使用的傳輸協(xié)議。
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