关于固态硬盘你必须知道这些

陈东升

随着固态硬盘的崛起，价格也是越来越低，装机搭配一块固态硬盘成为了几乎所有电脑的标配。PC电脑硬件之间的木桶效应，本来机械硬盘时代的短板被固态硬盘弥补了一段，但是固态硬盘的结構简单，制造技术低，如果愿意，自己也能DIY一块固态硬盘，这也间接导致市场鱼龙混杂，如何选购成为了一个难题。

1.内部组成

SSD简单说由五部分构成：主控芯片、闪存、外置缓存颗粒、PCB板以及外壳。

主控：主控类似于CPU进行固态硬盘的内部运算，主控很重要。

闪存：存储内容的地方。

外置缓存：某些型号没有外置缓存，有些集成在主控内部，有些特殊设计不需要很大缓存所以没有，类似于内存。

SLC缓存：大幅提升固态硬盘爆发速度的技术。

PCB板：把主控、闪存颗粒、外置缓存颗粒等其他芯片焊接在上面的的板子，类似于主板。

外壳，铁壳子或者塑料盒子。

2.闪存颗粒

闪存颗粒厂商

最大的就是3家，三星、英特尔（镁光合作建厂）和东芝。其他颗粒也有美光的大S颗粒，还有其他的一些封装厂，例如威刚、群联。能生产颗粒最重要的晶圆的就是那最大的3家，其他厂家要么生产的少，要么就是拿生产的晶圆自己封装成你所能看到的闪存颗粒。

颗粒类型

SLC，MLC，TLC，QLC以及特殊的3D Xpoint闪存颗粒。

颗粒的简单原理

不同的闪存颗粒简单点说就是单位面积储存的数据不同，增加储存的数据量，可以增加单位面积的数据储存上限，但是会造成寿命和性能的降低。

SLC颗粒：NAND闪存的始祖，具有十万次的P/E寿命，（就是十万次擦写寿命，就是相当于把盘写满，然后删除），同时具有很高的速度，但是成本高，单位密度低，民用几乎看不到。

MLC颗粒：具有3 000 ～10 000次的P/E寿命，速度表现尚可，不过主流市场现在很少了，能买到的要么是二手，要么是“大船货”，其已经基本退出了主流市场，但还是可以买到，价格中等。

TLC颗粒：具有500 ～1 000次的P/E寿命，速度较慢，但是有SLC缓存的加持，短时间速度表现也很不错，加上有很多针对TLC的主控芯片，为2TLC普及添砖加瓦。家用主流市场现在几乎都是TLC颗粒，但是商用或者大型数据处理中心还是以MLC和SLC为主。

QLC颗粒：最近出现的颗粒，目前在市场上较少，寿命和速度表现较差，暂时不推荐，如果日后技术成熟了，买来作为仓库还是不错的。

Intel 3D xpoint颗粒：具有极高的寿命，民用可以作为传家宝级别，介于DRAM和NAND之间的速度，第一代约有1 % DRAM的速度，但这样也比NAND强非常多，随机读写性能碾压NAND。

原理：闪存颗粒原理很复杂，简单点说就是闪存颗粒如果要数据读写，需要将电子穿过一个类似电容的场，不然电子乱跑，加电压以后电子顺着场做运动穿过电容中间的二氧化硅，然后读写数据。就像一道水闸，加电压水闸降低，水就流过去了（可能不是很准确，但是这是笔者能想到的最简单的方法）。

SLC闪存有0和1两种状态，可以表示1 bit数据；MLC闪存有11、10、01和00等4种状态，可以表示2 bit数据；TLC闪存有111、110、101、100、011、010、001和000等8种状态，可以表示3 bit数据，说这些和耐用性有什么关系呢？问题在于，闪存单元每次编程或擦除的电子穿越过程都会导致硅氧化物的损耗。这东西本来就只有区区10 nm的厚度，每进行一次电子穿越就会变薄一些。也正因为如此，硅氧化物越来越薄，耐用性自然就更差了。

简单地说，SLC的电压状态最少，可以容忍电压的更大变化，MLC的4种状态也基本可以接受，TLC的8种就太多了，电压可变余地很小。在不清楚确切的所需电压之时，就不得不将同样的电压分成8份（SLC和MLC分别只要2份和4份）。在使用过程中，编程和擦写一个TLC闪存单元所需要的时间也越来越长，最终达到严重影响性能、无法接受的地步，闪存区块也就废了。

颗粒封装

其实颗粒并不是所看到的一个大黑片，里面其实是一个晶圆小块，然后外面是黑色树脂包裹保护以及一些走线。

晶圆第一步挑选完后会有一部分被淘汰，这部分通过某些渠道流出，下游厂商切割，屏蔽坏的部分，成为黑片。

第二步切割以后，将切坏的淘汰，被下游封装厂得到，封装后成为白片，例如大S颗粒，白片比黑片好，不是不能用，但这是好的白片，差的白片一般用去做储存卡、U盘等，但还是有厂商做固态硬盘。差的白片和黑片差不多，白片不能一棒子打死，但是也不能直接武断同意。

第三步再次检测后留下的就是正片，正片厂商封装完成后就成为了我们看到的颗粒。

3.主控

如果将颗粒比作马，那么主控就是鞭子，驱使管理颗粒。没有主控，颗粒只能是“莽夫”。一个好的固态硬盘，一般主控也不会很差。主控厂商有三星、Intel、慧荣、美满（Marvell，也称马牌）、群联（phison）和智威等。

一般三星的主控只用在自家的固态硬盘上，Intel研究出来也是只给自己家企业级固态用。

主控功能

SLC缓存：将TLC变成只储存1 bit的数据，那么这块就成为了SLC缓存，但是毕竟是TLC，缓存用完后便会原形毕露。

TRIM：垃圾回收机制，因为固态硬盘和机械硬盘写入擦除方式不同，固态硬盘写入数据最小是Page页，擦除就是块，类似于写入是可以写入1 KB数据，但是擦除时不能只擦除1 KB，需要擦除100 KB。所以需要把部分没用的数据挪到一起，凑够1个块，然后一次擦除。

磨损均衡：1个块不能一直擦除写入，需要大家“雨露均沾”，不然一直用1个块，容易用坏，这就是磨损均衡。

4.接口以及协议

接口决定了速度的上限，不管固态实际多快。

接口：SATA，mSATA，M.2，PCIE这4个是常见的。

协议：SATA和部分走SATA通道的M.2固态对应AHCI协议。走PCIE通道的M.2就是NVME协议。

SATA和mSATA接口

SATA在台式机上是必定有的一个接口，mSATA在比较老的笔记本上有，不过后来少见了，因为有了M.2接口。SATA现在基本是3.0和2.0的较多，理论上2.0是3 Gbps，3.0速度6 Gbps，能夠达到750 MB/S的速度，实际上大部分都是500 M/S，也有少于这个的。

M.2接口

M.2接口有2种B-key和M-key，后者是走PCIEx4通道，前者PCIEx2通道，速度不太一样，体验差不多。

PCIEx4通道

把PCIEx4固态做到PCIE插卡上，可以增加体积增强散热以及其他功能，例如断电保护等。同时也能获得直通CPU的PCIE通道，获得更快的速度提升，但是较低的平台会和显卡抢占通道，毕竟直通CPU的PCIE通道很珍贵。一般其它的都是南桥提供的，速度比不上直连的。

5. DRAM缓存

SSD的DRAM缓存作用是储存映射表数据，有些固态硬盘没有外置的缓存，但是集成在主控内部，叫做SRAM。映射表数据就像是一个账本，记录着颗粒哪些地方储存着什么数据，哪些是没用的数据，在垃圾回收时可以方便很多。

这部分缓存还有缓冲作用，如果要在510 KB无效空间中存放4 KB数据，需要先擦除512 KB，再写入4 KB，缓存可以存储多个4 KB数据，等到一定量后一次擦除。

6.掉电保护

掉电保护可以保护SSD中正在读写的数据，简单点说就是有一些掉电保护电容。供电时电容充电，意外断电后电容放电，让固态硬盘把未完成的数据完成，在映射表中做好记录，使固态硬盘通电后还能继续使用。一般民用数据没那么重要，考虑到成本原因，也是售价原因，家用的没这个功能，但是PCIE直连CPU的固态硬盘有，这类硬件的有一个通用缺点，那就是贵。一般这个功能企业级SSD都有。

7. OP容量

固态硬盘除了能看到的那部分空间，还有一部分隐藏空间，这部分就是OP容量。当部分SSD原来的空间损坏后，用这些隐藏的空间顶上去来提升SSD寿命。

8.其他

写放大：前面提到过，如果要在512 KB无效空间中存放4 KB数据，需要先擦除512 KB，再写入4 KB，这就是写放大，写入4 KB，却要擦除512 KB，这是128倍的放大，不过一般没有这么极端，写放大造成了不必要的擦除，降低寿命。擦一次是这么久，如果是很多次呢，那么浪费的时间就体现在速度上，降低了性能。所以减小写放大不仅提升性能，还延长寿命。

OP空间：虽然OP空间越大越好，但是高于一定量便没有意义，购买时一般也不会标注出来，所以不必非常在意。

日常使用：如果没什么必要，不要经常擦写固态硬盘，这会降低寿命。所以固态硬盘240 G及以下最好就是别分区了，因为单个分区小了，可能需要重新删除一些东西（但还要看个人喜好，只是建议）。

通过内容可以看出，SSD是有寿命的，尤其TLC寿命和SLC比都不是一个数量级。经常擦写降低寿命、主控不好降低寿命、颗粒不好寿命更低，所以选购时这三方面成考虑是最重要的。