电脑硬件之固态硬盘基础知识科普

网站管理电脑知识 2023-05-31 25513 1

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一、总线、协议、接口

首先来了解一个概念「总线」。电脑的各种硬件都插到主板上，各硬件之间通信的导线，可以简单的理解为总线，更准确一点的定义是汇总起来的导线，即公共通信干线。一般主要有：SATA总线、PCIe总线、SAS总线。假想一下水管，管子粗细决定了水流量大小，只不过在总线这里，叫做「带宽」，它决定了传输数据的速度上限。通常SATA3.0、PCIe3.0、PCIe4.0、SAS3.0的最大理论传输速度依次为：600MB/s，1GB/s，2GB/s，1.2GB/s。

上面说的PCIe3.0单通道传输速度1GB/s，那么4条通道就是4GB/s，即PCIe3.0x4带宽为4GB/s。同理，PCIe4.0x4带宽为8GB/s。PCIe4.0x16那就是32GB/s。目前PCIE第七代都有了，不过常见的为三代和四代。

如果把硬盘看成汽车，总线看成是高速公路，在公路限速的条件下，汽车具有再快的能力，是不是也必须减速。所以总线决定了数据传输速度的上限。

光有总线把设备连接起来可不行，通信还得有「协议」，就是它们之间商量好的一些规定（比如电压、时钟、阻抗......），直白的理解就是，CPU说：天王盖地虎，硬盘回：小鸡炖蘑菇。匹配成功！如果硬盘回：宝塔镇河妖，显然是没对上，即「糗友协议」不匹配，没法交流。所以说，如果这个协议的效率非常高，那么二者交流起来就比较快。目前硬盘常见的协议有：AHCI、NVME协议。SCSI协议主要用于服务器，IDE协议已被淘汰。

有了总线，协议，那我怎么把硬盘接到主板上？那就需要一个插槽，也叫「接口」。主要接口有：PCIe、M.2、SATA、mSATA、SATA-E、U.2、SAS，我们看一下各种接口的物理形状：

总结一句话：总线、协议、接口三者相互配合，才能让硬盘发挥更大的性能。固态硬盘最常见的几种形式，如下表。并不是M.2接口的速度就快...基本上都是取决于总线的带宽。所以还要看主板是否支持...如果主板只支持PCIe3.0，你即使买了支持PCIe4.0的固态，也不能满血发挥。去掉损耗（和做工、用料也有关）之类的，下图中4GB/s的最高速度能达到3500MB左右，8GB/s的最高能达到7500MB/s左右。

二、固态硬盘组成

固态硬盘主要包括三个重要部分：主控芯片、闪存颗粒、缓存（有独立缓存DRAM、模拟缓存SLC Cache）。

写入时，数据经过主控芯片的处理后存放到闪存中，读取时，主控从闪存读取数据，然后通过M.2接口→PCIe总线发送给其他设备。

三、闪存芯片

如果把闪存颗粒拿放大镜观看，就像是一个密度超级大的魔方，每一个小方格（晶体管）里面可以存放不同数量的电子，闪存是通过电子来存储数据。一个小方格如果只能存储1bit数据则为SLC，2bit则为MLC，3bit则为TLC，4bit则为QLC。即闪存颗粒主要有SLC、MLC、TLC、QLC。

SLC速度最快，MLC、TLC、QLC依次递减。原理也容易理解，1bit的数据只有0和1两种可能，2bit数据有00/01/10/11四种可能，每种可能性都代表一定量的电子数量。可能性越多，复杂程度更高，电压的控制就要更精确，因此花费的时间就更长。另外，假设存储20bit的数据，SLC需要20个小方格，MLC则仅需要10个，SLC处理速度虽然快了，但是体积也比较大，价格也美丽。

无论是速度、寿命、还是价格，SLC>MLC>TLC>QLC。QLC寿命较低。目前TLC是主流。尽量避开非主流~要么贵要么寿命低。

可以生产闪存颗粒的厂家有：三星、西部数据（闪迪被西数收购）、海力士、铠侠（原东芝存储，目前与东芝没关系了）、镁光（英睿达）、长江存储（致态）。这些有能力制造原厂闪存颗粒的厂家，制作流程是：晶圆制造→检测→封装，合格产品贴上标签商标即为原厂颗粒（原片）；不经过检测直接卖给其他厂家去封测的，即为原厂第三方封测颗粒，这里面有好的有不好的，理论上说肯定是自己生产自己严格检测封装的效果更好吧？所以这类闪存颗粒品控整体略差一些，不过也还行；还有一些淘汰掉的颗粒会进行技术处理，处理完成后再卖出去，这就是原厂降级片（大S颗粒），也叫白片。不进行技术处理直接卖出去的是黑片。前两种还行，后面这两种的话，白片慎重考虑吧，避开黑片。

电子产品再好的牌子也有一定故障率，概率上来说原厂原封的颗粒肯定要好很多，颗粒不好的坏起来可毫不含糊。颗粒有价，数据无价！

四、主控芯片

主控芯片是固态硬盘的大脑，它好不好，直接决定了整个硬盘好不好。主控芯片并不是谁都会生产，它主要来自两大阵营：原厂（三星、西数、镁光......）和主控厂商（慧荣、群联、英韧、美满、得一微......）。所以选的时候还是选择比较有名的主控厂商比较好，直接影响硬盘的性能、寿命等等。

五、缓存

有外置的独立缓存DRAM和模拟缓存SLC Cache，为了节省成本，并非所有的硬盘都有DRAM...

①DRAM主要有两个作用：

存放FTL表：DRAM（外置的独立缓存）中存放FTL表，可以理解为目录，为了更方便快速的查找芯片中存放的文件。

缓解写放大：写入数据前要擦除整个block区块，写入数据时一页一页的写入，即使数据不满一页，也要写一页。当所有页都沾满后，下次存数据时，就要把不足一页的数据先搬出来合并，再擦除block。这样加速读写，容易降低寿命。所以每次写入数据前，主控芯片会把要写入的数据先放到DRAM中，存满一页后再往闪存中写入。

通常1GB闪存颗粒需要1MB的DRAM，如果控制成本缩减DRAM，那么FTL表就存不全，只能存放一些常用的，剩余的部分FTL表就存放的闪存颗粒中，速度肯定就不如DRAM快。

闪存颗粒的读写速度远远小于DRAM，所以对于无缓存的固态来说，一般会借用内存的一部分空间存放FTL表（每次开机的时候，往内存写入常用的FTL表，即HMB技术），速度同上。

②SLC Cache

对于主流的TLC固态硬盘，一个小方格存放3bit数据，也就是2³个状态（每个状态为不同的电子数量）。因为SLC速度快，如果人为的让一部分硬盘空间，每次一个小方格只写1bit数据，那不就变成SLC了吗？写入数据时，首先往SLC区域写入，等硬盘空闲了再转入TLC区域，所以这种方法叫做模拟缓存。但这个SLC Cache区域设置多大，不同厂家的方案也不同。当SLC空间用完，那么写入速度就会直线降下来（掉速，缓内速度→缓外速度）。

那么掉速掉到什么程度？这就要看主控芯片的控制能力、闪存颗粒自身的能力了，所以不同牌子之间的细微区别就出来了。