👏🏻 🏴󠁧󠁢󠁥󠁮󠁧󠁿 🛢️ 驱动器解剖：SSD ⏭️ 🎌 👉🏾

坚如磐石

与晶体管通过提高开关速度和执行数学运算来革新计算机领域的方式一样，将半导体器件用作存储器件也可以得到相同的结果。

东芝朝这个方向迈出的第一步是在1980年提出了闪存的概念。四年后，她创建了NOR存储器，并于1987年创建了NAND存储器。1991年，SunDisk（后来更名为SanDisk）发布了第一个商用闪存驱动器（固态驱动器或SSD）。

大多数人是从所谓的USB记忆棒开始认识SSD的。即使在今天，它们的整体结构仍与大多数SSD相似。

左侧是单个SanDisk NAND存储芯片。与SRAM一样，它也用于CPU和GPU缓存中。它充满了由修改后的浮栅晶体管创建的数百万个“单元” 。他们使用高压来记录和擦除晶体管各个部分中的电荷。读取单元格时，会对该部分施加降低的电压。

如果电池未充电，则当施加低压时，电流流动。这使系统了解该单元格的状态为0；在相反的情况下，其状态为1（即施加电压时没有电流流过）。因此，从NAND存储器读取非常快，但是写入和删除数据却没有那么快。

最好的存储单元称为对等单元（单级单元，SLC），在晶体管位置仅产生一个电荷；但是，有些存储单元可以具有多个电荷水平。通常，所有这些都称为多级单元（multi-level cell，MLC），但行业首字母NAND-MLC存储器4表示生产费用。其他类型具有相似的名称：三级（三级，TLC）和四级（四级，QLC）分别具有8和16种不同的充电水平。

这会影响每个单元中可以存储多少数据：

SLC-1级= 1位
MLC-4级= 2位
TLC-8级= 3位
QLC-16级= 4位

等等。 QLC似乎是最好的细胞，对不对？不幸的是，事实并非如此。电流非常小，并且对电噪声敏感，因此，要确定电池的不同电荷水平，您需要多次读取该值以进行确认。简而言之，SLC是最快的单元，但占用的物理空间最多，而QLC则是最慢的单元，但是用您的钱，您可以获得更多的比特。

与SRAM和DRAM不同，当关闭电源时，闪存中的电荷得以保存，其泄漏非常严重。慢。对于系统内存，单元会在纳秒内放电，因此必须不断更新。不幸的是，电压的使用和电荷的供应会损坏电池单元，因此SSD会随着时间的推移而磨损。为了解决这个问题，使用了棘手的程序来最大程度地减少磨损率。它们通常使单元格的使用最统一。

该功能由右侧所示的控制芯片控制。它还执行与HDD中使用的LSI芯片相同的任务。但是，带有旋转磁盘的驱动器具有用于DRAM缓存和串行闪存固件的单独芯片，并且两个控制器都集成在USB闪存驱动器中。而且由于它们的设计价格便宜，因此您不会从中获得太多功能。

但是由于缺少活动部件，我们可以放心地期望闪存的性能将比HDD高。我们来看一下使用CrystalDiskMark的指标：

首先，结果令人失望。顺序读/写和随机写速度比测试的硬盘差很多。但是，随机读取要好得多，这就是flash提供的优势。写入和删除数据的速度很慢，但是读取通常是立即完成的。

但是，此测试还有另一个难以察觉的功能。 USB存储器测试仅根据USB 2.0标准提供连接性，其最大传输速度仅为60 MB / s，而HDD使用SATA 3.3端口，其吞吐量提高了10倍以上。另外，所使用的闪存技术非常简单：单元是TLC类型的，并以长条状平行条纹排列；这种安排叫平（平面）或二维（2D）。

最好的现代SSD中使用的闪存是SLC或MLC类型的，也就是说，它的工作速度更快一些，而磨损速度稍慢一些，并且条带弯曲成两半并垂直排列，形成垂直或三维单元结构。他们也使用SATA 3.0接口，尽管他们越来越多地通过NVMe接口使用更快的PCI Express系统。

让我们看一个这样的例子：Samsung 850 Pro，它以垂直布局使用这些技巧。

与沉重的3.5英寸希捷驱动器不同，此SSD的大小仅为2.5英寸，并且更薄，更轻。

让我们打开它（感谢三星使用如此便宜的Torx螺栓，它们在拆卸时几乎会破裂……），然后看看原因：

里面几乎没有任何东西！

没有磁盘，没有杠杆，没有磁铁-只是一块由几块芯片组成的印刷电路板。

那我们在这里看到什么？黑色的小芯片是稳压器，其余的则具有以下功能：

三星S4LN045X01-8030：基于ARM Cortex R4的三核处理器，用于处理指令，数据，纠错，加密和磨损管理
三星K4P4G324EQ-FGC2：512 MB DDR2 SDRAM用于缓存
三星K9PRGY8S7M：每个芯片是64 GB的32层NAND型MLC闪存（总共4个芯片，其中两个位于板的另一侧）

我们有2位闪存单元，几个存储芯片和许多高速缓存，它们应该提供更高的性能。为什么？回想一下，将数据写入闪存是一个相当缓慢的过程，但是拥有多个闪存芯片可以使您并行记录。USB记忆棒没有太多的DRAM用于存储准备记录的数据，因此使用单独的芯片也将有所帮助。返回CrystalDiskMark ...

事实证明，这种改进是巨大的。读取和写入的速度已经变得更高，并且延迟也大大减少。幸福还需要什么？体积更小，更轻，没有运动部件；与机械磁盘驱动器相比，SSD消耗的功率也更少。

当然，所有这些优势都是有代价的，这里用“价格”一词直译：您还记得花350美元可以买到一个14 TB HDD吗？如果您使用SSD，那么您只能购买1或2 TB的固态硬盘。如果您想要相同级别的驱动器，那么到目前为止，您可以做的最好的事情是在一个容量为15.36 TB的企业级SSD上花费4,300美元！

一些制造商提出混合硬盘 -电路板上带有少量闪存的标准硬盘驱动器；它用于将数据存储在经常访问的磁盘上。下面是三星1TB混合驱动器（有时称为SSHD）的板。

板的右上角是NAND芯片及其控制器。其他所有内容都与我们在上一篇文章中检查过的Seagate模型相同。

我们可以最后一次使用CrystalDiskMark来查看将闪存用作高速缓存是否有任何明显的好处，但是这种比较是不公平的，因为该驱动器的磁盘以7200 rpm的速度旋转（而HDD WD用于尸检-仅从5400 rpm起）：

性能稍好一些，但是这样做的原因可能是转速提高了-磁盘在读/写磁头下移动的速度越快，数据传输的速度就越快。还要注意的是，基准测试生成的文件不会被算法识别为主动可读的文件，这意味着控制器很可能将无法正确使用闪存。

尽管如此，更好的测试表明，集成SSD 可以改善 HDD性能。但是，廉价闪存的故障速度可能比高质量HDD快得多，因此混合驱动器可能不值得我们关注-驱动器行业对SSD更加感兴趣。

在继续进行之前，值得一提的是，闪存并不是固态驱动器中使用的唯一技术。英特尔和美光公司共同发明了一种称为3D XPoint的系统。单元改变其电阻，而不是写入和擦除单元中的电荷以创建状态0和1，以在该系统中生成位，而是改变它们的电阻。

英特尔以Optane品牌宣传这种新内存，当我们对其进行测试时，性能非常出色。就像系统的价格一样，但是意义不大。如今，容量仅为1 TB的Optane驱动器的价格超过1200美元，是基于闪存的相同大小SSD的四倍。

我们将在下一篇文章中探讨的第三个也是最后一个驱动器将是光盘驱动器。

驱动器解剖：SSD

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