电脑硬件科普第06课固态硬盘简介_固态_硬盘

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本篇内容构造如下：

本篇将先容固态硬盘的根本知识

电脑硬件科普第06课固态硬盘简介_固态_硬盘电脑硬件科普第06课固态硬盘简介_固态_硬盘通讯

目前，个人电脑中常用的硬盘分为机器硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）两种。
个中固态硬盘，比较机器硬盘读写速率更快、体积更小、功耗更低。

（图片来自网络侵删）

1.概述

固态硬盘（Solid State Disk,SSD)是一种利用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。
其存储介质分为两种：一种是采取闪存（NAND Flash芯片）作为存储介质，其余一种是采取DRAM（内存所利用的芯片）作为存储介质。
目前，主流固态硬盘大多采取NAND Flash芯片作为存储介质。

固态硬盘的存储介质

固态硬盘的优点

由于固态硬盘依赖其闪存芯片可以准确的访问驱动器的任何位置，有着机器硬盘无可比拟的极致速率。
它能够使电脑的启动、游戏和软件的加载等统统涉及数据读取和写入的操作变得更快。
给人最直不雅观的觉得便是电脑装载固态硬盘后Windows系统的启动速率将从几十秒变成几秒。

装载固态硬盘后，系统和程序启动速率会大大提升

其余，固态硬盘没有类似机器硬盘的机器运动部件，不会发生机器故障，也不怕碰撞、冲击、振动。

固态硬盘的缺陷

在数据存储领域没有完美的产品，固态硬盘也不例外。
其缺陷紧张有以下两个：

比较相同价位的机器硬盘固态硬盘的容量较小。
破坏后，固态硬盘中存储的数据难以规复。
2.主要参数

如果我们要为电脑配置固态硬盘，首先就要对固态硬盘的一些主要参数有所理解。
这些参数包括接口、总线、4K随机读写速率、闪存颗粒、缓存和主控芯片。
下面将分别先容。

接口

市场上常见的固态硬盘一样平常采取SATA接口、M.2接口和PCI-E接口。

SATA接口

SATA接口的固态硬盘(2.5寸规格)通过SATA硬盘数据线与主板上的SATA接口相连。

SATA接口的固态硬盘

SATA接口是最常见的固态硬盘接口，也是目前运用最多的硬盘接口。
该接口最大的上风是产品成熟，兼容的设备多，遍及程度较高（所有的主板上都有SATA接口）。

SATA接口的固态硬盘只能利用AHCI协议，SATA3.0接口将其读写速率限定在550MB/s旁边。

PCI-E接口

PCI-E接口是一个全能的通信接口，不但可以用于连接显卡、声卡、网卡，也可以连接固态硬盘。

PCI-E接口的固态硬盘

主板上常见的PCI-E插槽又分为x1，x2，x4，x8，x16等几种。
固态硬盘所利用的PCI-E接口紧张是插在x2和x4的PCI-E插槽上。
由于PCI-E x2插槽基本因此M.2接口的形式涌现。
因此，我们在主板上一样平常只能找到PCI-E x4插槽。

PCI-E x4插槽

如果主板上没有供应PCI-E x4插槽，PIC-E接口的固态硬盘也可以插在PCI-E x8或PCI-E x16插槽上。

M.2接口

M.2接口的固态硬盘是目前市场上的主流，其外不雅观长度最常见的有2042/2060/2080mm三种。
除了长度差异以外，M.2接口固态硬盘还存在通道、协议等方面的差异

M.2接口（固态硬盘金手指形状）和插槽（主板上M.2插槽）又被细分为了B Key（Socket2）和M Key（Socket3）两个模组，二者由于金手指缺口和针脚数量不同而随意马虎产生兼容问题。

支持B Key（Socket2）的插槽，短的一段在左边，采取6pin设计。

支持M Key的插槽（Socket3），短的一段在右边，采取5pin设计。

采取B Key的M.2插槽比只能走SATA或PCI-E x2通道，而采取M Key的插槽就则走的是PCI-E x4通道。

主板上M.2插槽共分为两种设计，但是固态硬盘上的M.2接口却有3种设计。

第一种是与B Key插槽相对应的B Key接口，这种接口只能插入B Key插槽，采取这种接口的固态硬盘比较少。
第二种是与M Key插槽相对应的M Key接口。
这种接口只能插入M Key插槽，采取M Key接口设计的固态硬盘常日较高端。

M Key接口的固态硬盘

第三种是最常见的B&M Key接口，这种接口的设计是三段式的，既可以插B Key的插槽，也可以插M Key的插槽，但是这种接口所采取的通道只能是SATA或PCI-E x2，以是采取B&M Key接口的固态硬盘读写速率比较M Key接口固态硬盘的读写速率要慢上不少。

总线

总线是电脑主板上固态硬盘给内存和CPU传输数据的通信干线，它是一条看不见的路。
在固态硬盘这里，这条路分为SATA总线和PCI-E总线两种：我们可以把SATA总线理解为波折的乡间小路，把PCI-E总结理解为高速公路，SATA总线最快也只有550MB/s的数据传输速率，而PCI-E总线则可以达到3000MB/s旁边。

PCI-E总线和SATA总线的差异

造成这种差距的缘故原由是PCI-E和SATA两种道路上的行驶规则不一样，SATA总线上用的是AHCI协议，而PCI-E总线则用的是NVME协议，AHCI协议最多只能同时处理1个行列步队上32个指令，而NVME协议能同时处理65000个行列步队65000个指令。

NVME协议(Non-Volatile Memory Express)是一种基于非易失落性存储器的传输规范，该规范由包含90多家公司在内的事情小组所定制。
它的紧张浸染便是发挥PCI-E x4通道的最大速率。

AHCI协议和NVME协议的差异

此外，走PCI-E总线的固态硬盘，又分走PCI-E x4和PCI-E x2两个不同的通道，走PCI-E x4通道的固态硬盘速率可以达到1500MB/s以上，乃至可以达到3000MB/s以上，而走PCI-E x2通道的固态硬盘，其速率不会超过1000MB/s。

因此，综合前面所先容的接口知识，我们可以得出以下几个结论：

支持NVME协议的PCI-E和M Key接口的固态硬盘，数据传输速率可以达到3000MB/s。

不支持NVME协议的M Key接口固态硬盘，最高数据传输速率能达到1500MB/s。
采取B Key接口的固态硬盘，走SATA或PCI-E x2总线，如果走PCI-E x2总线，最高数据传输速率能达到1000MB/s，而如果走SATA总线，速率不会超过550MB/s。

采取SATA接口的固态硬盘，走SATA总线，其最高数据传输速率不会超过550MB/s。

4K随机读写速率

4K随机读写速率也叫IOPS值。
它是反响固态硬盘根本性能最根本的指标。
其影响的范例运用包括电脑操作系统的基本操作，如开机、系统运行等；商业交易中的数据库操作，交易的增、删、修正等；以及访问小文件（数据）的速率等。
IOPS，即每秒完成IO访问的个数。

由于固态硬盘在对小文件的随机访问中，性能远高于机器磁盘。
以是在测试一款固态硬盘的性能时4K随机读写速率指标十分引人关注。
这个值越大，也就代表固态硬盘的性能越强。

闪存颗粒

固态硬盘由主控芯片、缓存芯片和闪存颗粒构成。
个中闪存颗粒又称闪存，是一种非易失落性存储器，即在断电的情形下依旧可以保存已经写入的数据，而且因此固定的区块为单位，而不因此单个的字节为单位保存数据。

固态硬盘的构造

根据用场和规格不同，闪存颗粒有很多不同的变种，用于固态硬盘中最常用的是NAND闪存颗粒（即前面提到的NAND Flash芯片）。

NAND闪存颗粒，最早由日立公司于1989年研制并推向市场，由于其功耗、价格相对较低，性能较高，逐渐发展成为存储行业最为主要的存储质料。
根据NAND闪存颗粒中电子单元密度的差异，又可以分为SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi Level Cell）、TLC(Trinary-Level Cell)以及QLC(Quad-Level Cell)等几种。
它们在寿命以及造价上有着明显的差别。

SLC闪存颗粒每个Cell（基本存储单元）只能存放1bit数据，电压只有0、1两种变革。
由于构造大略，使得其可擦写寿命达到了10万次，而单Cell读写速率也有35/25MB/s。
MLC闪存颗粒每个Cell可以存放2bit数据，相同面积下可以做出2倍于SLC的容量，有00、01、10、11四种电压变革，比较SLC闪存颗粒须要更繁芜的的电压掌握，加压过程用时也变长，因此在可靠性上只有SLC的1/10。
MLC产品的可擦写寿命在3000-10000次之间，读写速率也降到了SLC闪存颗粒的1/3的。
TLC闪存颗粒每Cell可以存放3bits数据，相同面积下，其容量可以比MLC闪存颗粒提高50%，但是却有8种电压变革，可擦写寿命进一步降落，一样平常在300~1000次之间。
单Cell读取速率虽然有10MB/s，但其写入速率则大幅度降落，不到SLC闪存颗粒的1/10，仅有1.5MB/s。
QLC闪存颗粒每Cell可以存放4bits数据，比较TLC闪存颗粒，存储密度又提高了33%，但是电压变革却有16种之多，导致其可擦写寿命仅有100~150次。

现在TLC闪存颗粒的寿命已经有了很好的优化，一样平常用户正常利用5-10年完备没有问题。
而采取MLC闪存颗粒的固态硬盘已经基本退出市场。

目前，能生产闪存颗粒的颗粒制造商有三星、东芝、闪迪、英特尔、SK海力士、镁光等6家，它们的闪存产能大概霸占了NAND闪存颗粒市场近9成的市场比重，闪存颗粒领域险些所有工艺的创造和升级，都是由这几家厂商所主导。

缓存

在电脑系统中，内存便是最常见的缓存硬件，而我们在先容CPU缓存的浸染时，提到的L1、L2、L3便是CPU内置的高速缓存。
无论是高速缓存、内存还是硬盘上配带的缓存芯片，它们全都是电脑系统的缓存。

“缓存”一词纯挚从字面上理解可阐明为延缓存放，大略的说“缓存”是为了平衡高速设备和低速设备之间的速率差异而存在的。
浸染是让低速设备只管即便的不拖高速设备的后腿。

在固态硬盘中，缓存分为两种：

第一种是DDR缓存（内存条上的内存颗粒)，它的速率非常快，当我们向固态硬盘中写入数据时数据首先写入到缓存里。
此时，在操作系统层面，系统就会认为数据已经写入了硬盘，操作电脑人就可以去实行其他的命令了。
随后固态硬盘自己再从缓存将数据写入到闪存颗粒中，这个过程无需用户干预了。
但DDR缓存的存储空间较小，对付固态硬盘的速率提升十分有限，对付机器硬盘提升比较大

固态硬盘DDR缓存

第二种缓存叫做SLC缓存，这种缓存在固态硬盘写入小文件时速率和DDR缓存的速率一样快。
但当我们利用固态硬盘传输较大文件时，利用SLC缓存的固态硬盘会发生溘然掉速的情形。
这是由于绝大部分的固态硬盘采取TLC闪存颗粒,但是厂商在设计时会拿出一部分仿照SLC闪存颗粒事情，而SLC闪存颗粒的读写非常快，以是在读写一些小文件或者大文件的一小部分时，速率会非常快，但是在这个SLC缓存用完之后，速率又会规复到固态硬盘的正常速率。
主控芯片

主控芯片在固态硬盘中的浸染就犹如CPU在电脑中的浸染，它相称于固态硬盘的大脑，承担着指挥、运算以及折衷的浸染。

三星主控芯片

主控芯片在固态硬盘中详细浸染表现为：

合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，让所有的闪存颗粒都能够在一定负荷下正常事情，折衷和掩护不同区块闪存颗粒的协作；承担了全体数据中转，连接闪存颗粒和外部接口；卖力固态硬盘内部各项指令的完成(如TRIM、CG回收、磨损均衡）。

目前主流的固态硬盘主控芯片有慧荣、群联、Marvell、三星、瑞昱等品牌。

3.紧张品牌

目前，市场上常见的机器硬盘品牌有三星、Intel、东芝、台电、闪迪、铭瑄、金士顿、西部数据等。

三星

三星公司是半导体存储家当的领军企业，在固态硬盘方面，三星能够自研主控和闪存颗粒，它的市场份额虽然大，但是其产品的价格也相对较高。

Intel

Intel公司的固态硬盘产品的售价虽然较高，但其产品性能同时也很高，售后做事也不错。
如果用户看重数据安全和硬盘事情的稳定性，可以考虑选择Intel的固态硬盘。

东芝

东芝公司虽然是NAND闪存的发明者，但是其很多固态硬盘产品都没有达到业界的顶尖水平，目前东芝的固态硬盘涵盖高、中、低端用户，虽然产品线较全面，但它的产品整体质量却很一样平常。

金士顿

金士顿公司的内存和U盘产品是目前市场上主流的产品，但是金士顿的固态硬盘产品的性价比却较低，其产品性能一样平常，但价格确一线品牌的价格。

闪迪

闪迪公司在固态硬盘方面表现一样平常，自从其在2015年被西部数据收购往后，少有出色的产品面世。

台电

台电在海内的固态硬盘销量较高，其设计紧张针对入门级和主流产品，对付普通用户而言性价比较高。

镁光

镁光英文名称为micron，其品牌下固态硬盘产品海内很少，比较多的是英睿达（Crucial）这个品牌。
英睿达是镁光公司的子品牌。

西部数据

西部数据是机器硬盘市场两大巨子之一。
由于近年来机器硬盘市场日渐萎缩，西部数据在2015年以190亿美元收购闪迪全部股份转向固态硬盘市场。
目前，西部数据和闪迪这两个品牌同时都涌如今市场上，个中西部数据的绿盘产品性价比较高。

浦科特

浦科特是光宝旗下的品牌，光宝公司是环球第三大固态硬盘制造商，浦科特的固态硬盘产品定位在中高端品牌。

固态硬盘市场的品牌数量比十多年前的机器硬盘市场品牌数量有过之而无不及，除了上面先容的那些品牌以外，常见的固态硬盘品牌还有惠普、威刚、创见、建兴、宇瞻、金泰克、影驰、七彩虹、铭瑄、遐想、金速、朗科、阿斯加特等等。
由于目前能生产固态硬盘闪存颗粒的颗粒制造商只有三星、东芝、闪迪、英特尔、SK海力士、镁光等6家，除了这6家以外的其他厂商须要从这些厂商购买内存颗粒生产自己的固态硬盘，因此在购买固态硬盘时建议首选这6家厂商的产品。
4.硬件寿命

在相同的运用环境下，固态硬盘的硬件寿命低于机器硬盘，一样平常由其闪存颗粒的“写入次数”决定，即我们常说的可擦写寿命（P/E数）。
每次，当我们在固态硬盘中写入数据都会花费P/E数，P/E数一旦用完，固态硬盘的“生命”也就结束了。

前面在先容闪存颗粒时曾经先容过。
闪存颗粒分为SLC、MLC、TLC及QLC等几种，它们的P/E数是逐级低落的：

SLC闪存颗粒：1万-10万次MLC闪存颗粒：3千-5千次TLC闪存颗粒：1千-3千次QLC：普遍在1千次以内

不过，影响固态硬盘的硬件寿命除了闪存颗粒的P/E数以外，还有其余很主要的一点，便是固态硬盘自身的容量。

从上表中可以看出，容量越大的固态硬盘其寿命越长。
这对付TLC闪存颗粒来说，当利用TLC闪存颗粒的固态硬盘的容量达到了1TB时，其写入寿命也远远超过了128GB采取MLC闪存颗粒的固态硬盘。
而当采取QLC闪存颗粒的固态硬盘的容量达到了2TB时，其理论利用年限，也足够普通用户利用。

综上所述，QLC闪存颗粒不适宜做小容量固态硬盘产品。
当固态硬盘的容量达到2TB乃至更多的时候，我们就不必太在意他到底是用的TLC闪存颗粒，还是QLC闪存颗粒了。
考虑到QLC闪存颗粒在本钱和容量上上风，未来大容量的固态硬盘产品将会大量利用QLC闪存颗粒。
5.日常掩护

在日常的事情和生活中，学会精确的利用固态硬盘并养成良好的利用习气，可以让固态硬盘更高效龟龄地事情。

设置分区4K对齐

固态硬盘和机器硬盘有着很大的差异，个中最影相应用的差异之一便是固态硬盘须要在利用前做好4K对齐。
所谓4K对齐指的是符合“4K扇区”定义格式化过的硬盘，并且按照“4K 扇区”的规则写入数据。

大略来说，如果把硬盘比作一个车库，4K对齐是该车库中车辆停放的规则，数据便是车子，如硬盘没有做4K对齐，就相称于车子可以随意停在车库任意位置，这样就一定会造成车子乱停放，车库空间摧残浪费蹂躏的情形，还可能涌现由于前面的车子乱停导致后来的车子停不进车库情形。

在电脑中为固态硬盘设置4K对齐的方法，大致有以下几种。

将固态硬盘格式化之后再通过【打算机管理】窗口设置4K对齐。
利用电脑启动内置分区工具软件为固态硬盘设置4K对齐。
利用ParagonAlignmentTool软件对硬盘设置4K对齐。

详细设置方法非常大略，这里不再详细先容。

为SATA接口固态硬盘打开AHCI选项

对SATA接口的固态硬盘来说，在BIOS中开启AHCI模式的目的，是为了打开NCQ功能(只有在AHCI模式下，才能打开NCQ功能)。
NCQ 功能大略来说，便是对读写硬盘的指令，在实行前优化排序，减少寻道韶光和潜伏期，以便更合理的读写硬盘。
即对要读写的指令、数据，剖析排序进行优化，从而达到提升硬盘性能目的。

当我们利用SATA接口的固态硬盘时，当主板支持AHCI 功能时，BIOS中的OnChip SATA Type 选项中，会显示AHCI、RAID、SATA等模式供用户选择。
开启AHCI后，大约可增加30%的固态硬盘读写速率。

担保固态硬盘有20%可用容量

我们知道固态硬盘闪存颗粒有P/E擦写次数限定，因此现在的固态硬盘都有带有均衡擦写技能，复制到固态硬盘中的数据不会像机器硬盘那样连续放在一起。
当一块区块当前写入数据之后，立时删除掉，下次再写入时，主控会将数据存放在其他区域，以保持每个区块的写入次数处于一个均衡的水准，不会让一个区块反复被擦写提前报废掉。

日常利用时，电脑每天会向固态硬盘写入10-50GB的临时文件数据。
如果全体固态硬盘的剩余空间很小(例如不敷5GB)，而每天至少要写入10GB临时数据，剩余空间就会被反复擦写，固态硬盘闪存颗粒的可擦写次数（P/E数）很快就会被花费殆尽，以是固态硬盘一定至少要保留20%的可用空间。

关闭磁盘整理

“磁盘碎片整理”工具是Windows系统自带的功能，该功能的紧张浸染是将零星的文件集中一起，方便机器硬盘读写时，磁头可以尽快找到集中的文件，省去寻道韶光。

磁盘整理工具不适用于固态硬盘

而固态硬盘则是由于没有磁头与碟片，采取闪存颗粒的存储办法，电荷寻道耗时险些为零。
以是完备不须要磁盘碎片整理。

不仅如此，由于“磁盘碎片整理”程序的事情机制便是重新读写数据并进行排列，相称于增加了固态硬盘闪存颗粒的擦写次数（P/E数）。
而闪存颗粒寿命与擦写次数是息息相关的，以是利用固态硬盘可以关闭系统的“磁盘碎片整理”功能。

6.未来之路

每一个能在民用消费级领域气吞山河的存储品牌，在更高真个企业级市场上一定有更深厚的技能秘闻，这句话放在Intel、三星和东芝等半导体存储巨子身上都是成立的。
很多时候我们能买到的固态硬盘只不过是企业级开拓的副产品。
未来，现在的企业级固态硬盘或许便是我们家用固态硬盘的发展方向。

与很多人想象中企业级运用财大气粗可能有所不同，企业级存储体量虽然巨大，但也非常重视采购本钱和利用本钱，同时还对稳定性有更高的哀求。
因此，未来固态硬盘总的价格低落趋势不会改变。

此外，技能上的共通性会让企业级存储技能下放到民用领域成为可能，我们未来将可以用更低的价格买到更好用的固态硬盘。

扩展阅读：

主板简介