上一篇：機械硬盤簡介

本篇内容結構如下：

本篇将介紹固态硬盤的基礎知識

目前，個人電腦中常用的硬盤分為機械硬盤（HDD）和固态硬盤（SSD）兩種。其中固态硬盤，相比機械硬盤讀寫速度更快、體積更小、功耗更低。

固态硬盤（Solid State Disk,SSD)是一種使用固态電子存儲芯片陣列制成的硬盤。其存儲介質分為兩種：一種是采用閃存（NAND Flash芯片）作為存儲介質，另外一種是采用DRAM（内存所使用的芯片）作為存儲介質。目前，主流固态硬盤大多采用NAND Flash芯片作為存儲介質。

固态硬盤的存儲介質

由于固态硬盤依靠其閃存芯片可以準确的訪問驅動器的任何位置，有着機械硬盤無可比拟的極緻速度。它能夠使電腦的啟動、遊戲和軟件的加載等一切涉及數據讀取和寫入的操作變得更快。給人最直觀的感覺就是電腦裝載固态硬盤後Windows系統的啟動速度将從幾十秒變成幾秒。

裝載固态硬盤後，系統和程序啟動速度會大大提升

另外，固态硬盤沒有類似機械硬盤的機械運動部件，不會發生機械故障，也不怕碰撞、沖擊、振動。

在數據存儲領域沒有完美的産品，固态硬盤也不例外。其缺點主要有以下兩個：

• 相比相同價位的機械硬盤固态硬盤的容量較小。
• 損壞後，固态硬盤中存儲的數據難以恢複。

如果我們要為電腦配置固态硬盤，首先就要對固态硬盤的一些重要參數有所了解。這些參數包括接口、總線、4K随機讀寫速度、閃存顆粒、緩存和主控芯片。下面将分别介紹。

市場上常見的固态硬盤一般采用SATA接口、M.2接口和PCI-E接口。

SATA接口

SATA接口的固态硬盤(2.5寸規格)通過SATA硬盤數據線與主闆上的SATA接口相連。

SATA接口的固态硬盤

SATA接口是最常見的固态硬盤接口，也是目前應用最多的硬盤接口。該接口最大的優勢是産品成熟，兼容的設備多，普及程度較高（所有的主闆上都有SATA接口）。

SATA接口的固态硬盤隻能使用AHCI協議，SATA3.0接口将其讀寫速度限制在550MB/s左右。

PCI-E接口

PCI-E接口是一個全能的通信接口，不但可以用于連接顯卡、聲卡、網卡，也可以連接固态硬盤。

PCI-E接口的固态硬盤

主闆上常見的PCI-E插槽又分為x1，x2，x4，x8，x16等幾種。固态硬盤所使用的PCI-E接口主要是插在x2和x4的PCI-E插槽上。由于PCI-E x2插槽基本是以M.2接口的形式出現。因此，我們在主闆上一般隻能找到PCI-E x4插槽。

PCI-E x4插槽

如果主闆上沒有提供PCI-E x4插槽，PIC-E接口的固态硬盤也可以插在PCI-E x8或PCI-E x16插槽上。

M.2接口

M.2接口的固态硬盤是目前市場上的主流，其外觀長度最常見的有2042/2060/2080mm三種。除了長度差異以外，M.2接口固态硬盤還存在通道、協議等方面的差異

M.2接口（固态硬盤金手指形狀）和插槽（主闆上M.2插槽）又被細分為了B Key（Socket2）和M Key（Socket3）兩個模組，二者由于金手指缺口和針腳數量不同而容易産生兼容問題。

• 支持B Key（Socket2）的插槽，短的一段在左邊，采用6pin設計。

• 支持M Key的插槽（Socket3），短的一段在右邊，采用5pin設計。

采用B Key的M.2插槽比隻能走SATA或PCI-E x2通道，而采用M Key的插槽就則走的是PCI-E x4通道。

主闆上M.2插槽共分為兩種設計，但是固态硬盤上的M.2接口卻有3種設計。

• 第一種是與B Key插槽相對應的B Key接口，這種接口隻能插入B Key插槽，采用這種接口的固态硬盤比較少。
• 第二種是與M Key插槽相對應的M Key接口。這種接口隻能插入M Key插槽，采用M Key接口設計的固态硬盤通常較高端。

M Key接口的固态硬盤

• 第三種是最常見的B&M Key接口，這種接口的設計是三段式的，既可以插B Key的插槽，也可以插M Key的插槽，但是這種接口所采用的通道隻能是SATA或PCI-E x2，所以采用B&M Key接口的固态硬盤讀寫速度相比M Key接口固态硬盤的讀寫速度要慢上不少。

總線是電腦主闆上固态硬盤給内存和CPU傳輸數據的通信幹線，它是一條看不見的路。在固态硬盤這裡，這條路分為SATA總線和PCI-E總線兩種：我們可以把SATA總線理解為崎岖的鄉間小路，把PCI-E總結理解為高速公路，SATA總線最快也隻有550MB/s的數據傳輸速度，而PCI-E總線則可以達到3000MB/s左右。

PCI-E總線和SATA總線的區别

造成這種差距的原因是PCI-E和SATA兩種道路上的行駛規則不一樣，SATA總線上用的是AHCI協議，而PCI-E總線則用的是NVME協議，AHCI協議最多隻能同時處理1個隊列上32個指令，而NVME協議能同時處理65000個隊列65000個指令。

NVME協議(Non-Volatile Memory Express)是一種基于非易失性存儲器的傳輸規範，該規範由包含90多家公司在内的工作小組所定制。它的主要作用就是發揮PCI-E x4通道的最大速度。

AHCI協議和NVME協議的區别

此外，走PCI-E總線的固态硬盤，又分走PCI-E x4和PCI-E x2兩個不同的通道，走PCI-E x4通道的固态硬盤速度可以達到1500MB/s以上，甚至可以達到3000MB/s以上，而走PCI-E x2通道的固态硬盤，其速度不會超過1000MB/s。

因此，綜合前面所介紹的接口知識，我們可以得出以下幾個結論：

• 支持NVME協議的PCI-E和M Key接口的固态硬盤，數據傳輸速度可以達到3000MB/s。

• 不支持NVME協議的M Key接口固态硬盤，最高數據傳輸速度能達到1500MB/s。
• 采用B Key接口的固态硬盤，走SATA或PCI-E x2總線，如果走PCI-E x2總線，最高數據傳輸速度能達到1000MB/s，而如果走SATA總線，速度不會超過550MB/s。

• 采用SATA接口的固态硬盤，走SATA總線，其最高數據傳輸速度不會超過550MB/s。

4K随機讀寫速度也叫IOPS值。它是反映固态硬盤根本性能最基礎的指标。其影響的典型應用包括電腦操作系統的基本操作，如開機、系統運行等；商業交易中的數據庫操作，交易的增、删、修改等；以及訪問小文件（數據）的速度等。IOPS，即每秒完成IO訪問的個數。

由于固态硬盤在對小文件的随機訪問中，性能遠高于機械磁盤。所以在測試一款固态硬盤的性能時4K随機讀寫速度指标十分引人關注。這個值越大，也就代表固态硬盤的性能越強。

固态硬盤由主控芯片、緩存芯片和閃存顆粒構成。其中閃存顆粒又稱閃存，是一種非易失性存儲器，即在斷電的情況下依舊可以保存已經寫入的數據，而且是以固定的區塊為單位，而不是以單個的字節為單位保存數據。

固态硬盤的結構

根據用途和規格不同，閃存顆粒有很多不同的變種，用于固态硬盤中最常用的是NAND閃存顆粒（即前面提到的NAND Flash芯片）。

NAND閃存顆粒，最早由日立公司于1989年研制并推向市場，由于其功耗、價格相對較低，性能較高，逐漸發展成為存儲行業最為重要的存儲原料。根據NAND閃存顆粒中電子單元密度的差異，又可以分為SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi Level Cell）、TLC(Trinary-Level Cell)以及QLC(Quad-Level Cell)等幾種。它們在壽命以及造價上有着明顯的差别。

• SLC閃存顆粒每個Cell（基本存儲單元）隻能存放1bit數據，電壓隻有0、1兩種變化。由于結構簡單，使得其可擦寫壽命達到了10萬次，而單Cell讀寫速度也有35/25MB/s。
• MLC閃存顆粒每個Cell可以存放2bit數據，相同面積下可以做出2倍于SLC的容量，有00、01、10、11四種電壓變化，相比SLC閃存顆粒需要更複雜的的電壓控制，加壓過程用時也變長，因此在可靠性上隻有SLC的1/10。MLC産品的可擦寫壽命在3000-10000次之間，讀寫速度也降到了SLC閃存顆粒的1/3的。
• TLC閃存顆粒每Cell可以存放3bits數據，相同面積下，其容量可以比MLC閃存顆粒提高50%，但是卻有8種電壓變化，可擦寫壽命進一步降低，一般在300~1000次之間。單Cell讀取速度雖然有10MB/s，但其寫入速度則大幅度降低，不到SLC閃存顆粒的1/10，僅有1.5MB/s。
• QLC閃存顆粒每Cell可以存放4bits數據，相比TLC閃存顆粒，存儲密度又提高了33%，但是電壓變化卻有16種之多，導緻其可擦寫壽命僅有100~150次。

現在TLC閃存顆粒的壽命已經有了很好的優化，一般用戶正常使用5-10年完全沒有問題。而采用MLC閃存顆粒的固态硬盤已經基本退出市場。

目前，能生産閃存顆粒的顆粒制造商有三星、東芝、閃迪、英特爾、SK海力士、鎂光等6家，它們的閃存産能大概占據了NAND閃存顆粒市場近9成的市場比重，閃存顆粒領域幾乎所有工藝的創造和升級，都是由這幾家廠商所主導。

在電腦系統中，内存就是最常見的緩存硬件，而我們在介紹CPU緩存的作用時，提到的L1、L2、L3就是CPU内置的高速緩存。無論是高速緩存、内存還是硬盤上配帶的緩存芯片，它們全都是電腦系統的緩存。

“緩存”一詞單純從字面上理解可解釋為延緩存放，簡單的說“緩存”是為了平衡高速設備和低速設備之間的速度差異而存在的。作用是讓低速設備盡量的不拖高速設備的後腿。

在固态硬盤中，緩存分為兩種：

• 第一種是DDR緩存（内存條上的内存顆粒)，它的速度非常快，當我們向固态硬盤中寫入數據時數據首先寫入到緩存裡。此時，在操作系統層面，系統就會認為數據已經寫入了硬盤，操作電腦人就可以去執行其他的命令了。随後固态硬盤自己再從緩存将數據寫入到閃存顆粒中，這個過程無需用戶幹預了。但DDR緩存的存儲空間較小，對于固态硬盤的速度提升十分有限，對于機械硬盤提升比較大

固态硬盤DDR緩存

• 第二種緩存叫做SLC緩存，這種緩存在固态硬盤寫入小文件時速度和DDR緩存的速度一樣快。但當我們使用固态硬盤傳輸較大文件時，使用SLC緩存的固态硬盤會發生突然掉速的情況。這是因為絕大部分的固态硬盤采用TLC閃存顆粒,但是廠商在設計時會拿出一部分模拟SLC閃存顆粒工作，而SLC閃存顆粒的讀寫非常快，所以在讀寫一些小文件或者大文件的一小部分時，速度會非常快，但是在這個SLC緩存用完之後，速度又會恢複到固态硬盤的正常速度。

主控芯片在固态硬盤中的作用就如同CPU在電腦中的作用，它相當于固态硬盤的大腦，承擔着指揮、運算以及協調的作用。

三星主控芯片

主控芯片在固态硬盤中具體作用表現為：

• 合理調配數據在各個閃存芯片上的負荷，讓所有的閃存顆粒都能夠在一定負荷下正常工作，協調和維護不同區塊閃存顆粒的協作；
• 承擔了整個數據中轉，連接閃存顆粒和外部接口；
• 負責固态硬盤内部各項指令的完成(如TRIM、CG回收、磨損均衡）。

目前主流的固态硬盤主控芯片有慧榮、群聯、Marvell、三星、瑞昱等品牌。

目前，市場上常見的機械硬盤品牌有三星、Intel、東芝、台電、閃迪、銘瑄、金士頓、西部數據等。

三星公司是半導體存儲産業的領軍企業，在固态硬盤方面，三星能夠自研主控和閃存顆粒，它的市場份額雖然大，但是其産品的價格也相對較高。

Intel公司的固态硬盤産品的售價雖然較高，但其産品性能同時也很高，售後服務也不錯。如果用戶注重數據安全和硬盤工作的穩定性，可以考慮選擇Intel的固态硬盤。

東芝公司雖然是NAND閃存的發明者，但是其很多固态硬盤産品都沒有達到業界的頂尖水平，目前東芝的固态硬盤涵蓋高、中、低端用戶，雖然産品線較全面，但它的産品整體質量卻很一般。

金士頓公司的内存和U盤産品是目前市場上主流的産品，但是金士頓的固态硬盤産品的性價比卻較低，其産品性能一般，但價格确一線品牌的價格。

閃迪公司在固态硬盤方面表現一般，自從其在2015年被西部數據收購以後，少有出色的産品面世。

台電在國内的固态硬盤銷量較高，其設計主要針對入門級和主流産品，對于普通用戶而言性價比較高。

鎂光英文名稱為micron，其品牌下固态硬盤産品國内很少，比較多的是英睿達（Crucial）這個品牌。英睿達是鎂光公司的子品牌。

西部數據是機械硬盤市場兩大巨頭之一。由于近年來機械硬盤市場日漸萎縮，西部數據在2015年以190億美元收購閃迪全部股份轉向固态硬盤市場。目前，西部數據和閃迪這兩個品牌同時都出現在市場上，其中西部數據的綠盤産品性價比較高。

浦科特是光寶旗下的品牌，光寶公司是全球第三大固态硬盤制造商，浦科特的固态硬盤産品定位在中高端品牌。

固态硬盤市場的品牌數量比十多年前的機械硬盤市場品牌數量有過之而無不及，除了上面介紹的那些品牌以外，常見的固态硬盤品牌還有惠普、威剛、創見、建興、宇瞻、金泰克、影馳、七彩虹、銘瑄、聯想、金速、朗科、阿斯加特等等。由于目前能生産固态硬盤閃存顆粒的顆粒制造商隻有三星、東芝、閃迪、英特爾、SK海力士、鎂光等6家，除了這6家以外的其他廠商需要從這些廠商購買内存顆粒生産自己的固态硬盤，因此在購買固态硬盤時建議首選這6家廠商的産品。

在相同的應用環境下，固态硬盤的硬件壽命低于機械硬盤，一般由其閃存顆粒的“寫入次數”決定，即我們常說的可擦寫壽命（P/E數）。每次，當我們在固态硬盤中寫入數據都會消耗P/E數，P/E數一旦用完，固态硬盤的“生命”也就結束了。

前面在介紹閃存顆粒時曾經介紹過。閃存顆粒分為SLC、MLC、TLC及QLC等幾種，它們的P/E數是逐級下降的：

• SLC閃存顆粒：1萬-10萬次
• MLC閃存顆粒：3千-5千次
• TLC閃存顆粒：1千-3千次
• QLC：普遍在1千次以内

不過，影響固态硬盤的硬件壽命除了閃存顆粒的P/E數以外，還有另外很重要的一點，就是固态硬盤自身的容量。

從上表中可以看出，容量越大的固态硬盤其壽命越長。這對于TLC閃存顆粒來說，當使用TLC閃存顆粒的固态硬盤的容量達到了1TB時，其寫入壽命也遠遠超過了128GB采用MLC閃存顆粒的固态硬盤。而當采用QLC閃存顆粒的固态硬盤的容量達到了2TB時，其理論使用年限，也足夠普通用戶使用。

綜上所述，QLC閃存顆粒不适合做小容量固态硬盤産品。當固态硬盤的容量達到2TB甚至更多的時候，我們就不必太在意他到底是用的TLC閃存顆粒，還是QLC閃存顆粒了。考慮到QLC閃存顆粒在成本和容量上優勢，未來大容量的固态硬盤産品将會大量使用QLC閃存顆粒。

在日常的工作和生活中，學會正确的使用固态硬盤并養成良好的使用習慣，可以讓固态硬盤更高效長壽地工作。

固态硬盤和機械硬盤有着很大的區别，其中最影響使用的區别之一就是固态硬盤需要在使用前做好4K對齊。所謂4K對齊指的是符合“4K扇區”定義格式化過的硬盤，并且按照“4K 扇區”的規則寫入數據。

簡單來說，如果把硬盤比作一個車庫，4K對齊是該車庫中車輛停放的規則，數據就是車子，如硬盤沒有做4K對齊，就相當于車子可以随意停在車庫任意位置，這樣就一定會造成車子亂停放，車庫空間浪費的情況，還可能出現因為前面的車子亂停導緻後來的車子停不進車庫情況。

在電腦中為固态硬盤設置4K對齊的方法，大緻有以下幾種。

• 将固态硬盤格式化之後再通過【計算機管理】窗口設置4K對齊。
• 使用電腦啟動内置分區工具軟件為固态硬盤設置4K對齊。
• 使用ParagonAlignmentTool軟件對硬盤設置4K對齊。

具體設置方法非常簡單，這裡不再具體介紹。

對SATA接口的固态硬盤來說，在BIOS中開啟AHCI模式的目的，是為了打開NCQ功能(隻有在AHCI模式下，才能打開NCQ功能)。NCQ 功能簡單來說，就是對讀寫硬盤的指令，在執行前優化排序，減少尋道時間和潛伏期，以便更合理的讀寫硬盤。即對要讀寫的指令、數據，分析排序進行優化，從而達到提升硬盤性能目的。

當我們使用SATA接口的固态硬盤時，當主闆支持AHCI 功能時，BIOS中的OnChip SATA Type 選項中，會顯示AHCI、RAID、SATA等模式供用戶選擇。開啟AHCI後，大約可增加30%的固态硬盤讀寫速度。

我們知道固态硬盤閃存顆粒有P/E擦寫次數限制，因此現在的固态硬盤都有帶有均衡擦寫技術，複制到固态硬盤中的數據不會像機械硬盤那樣連續放在一起。當一塊區塊當前寫入數據之後，馬上删除掉，下次再寫入時，主控會将數據存放在其他區域， 以保持每個區塊的寫入次數處于一個均衡的水準，不會讓一個區塊反複被擦寫提前報廢掉。

日常使用時，電腦每天會向固态硬盤寫入10-50GB的臨時文件數據。如果整個固态硬盤的剩餘空間很小(例如不足5GB)，而每天至少要寫入10GB臨時數據，剩餘空間就會被反複擦寫，固态硬盤閃存顆粒的可擦寫次數（P/E數）很快就會被消耗殆盡，所以固态硬盤一定至少要保留20%的可用空間。

“磁盤碎片整理”工具是Windows系統自帶的功能，該功能的主要作用是将零碎的文件集中一起，方便機械硬盤讀寫時，磁頭可以盡快找到集中的文件，省去尋道時間。

磁盤整理工具不适用于固态硬盤

而固态硬盤則是因為沒有磁頭與碟片，采用閃存顆粒的存儲方式，電荷尋道耗時幾乎為零。所以完全不需要磁盤碎片整理。

不僅如此，由于“磁盤碎片整理”程序的工作機制就是重新讀寫數據并進行排列，相當于增加了固态硬盤閃存顆粒的擦寫次數（P/E數）。而閃存顆粒壽命與擦寫次數是息息相關的，所以使用固态硬盤可以關閉系統的“磁盤碎片整理”功能。

每一個能在民用消費級領域叱咤風雲的存儲品牌，在更高端的企業級市場上一定有更深厚的技術底蘊，這句話放在Intel、三星和東芝等半導體存儲巨頭身上都是成立的。很多時候我們能買到的固态硬盤隻不過是企業級開發的副産品。未來，現在的企業級固态硬盤或許就是我們家用固态硬盤的發展方向。

與很多人想象中企業級應用财大氣粗可能有所不同，企業級存儲體量雖然巨大，但也非常重視采購成本和使用成本，同時還對穩定性有更高的要求。因此，未來固态硬盤總的價格下降趨勢不會改變。

此外，技術上的共通性會讓企業級存儲技術下放到民用領域成為可能，我們未來将可以用更低的價格買到更好用的固态硬盤。

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小白學會自己動手組裝電腦

本篇寫于2019年7月

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