固態硬盤

固態硬盤，因為台灣的英語裏把固體電容稱為Solid而得名。SSD由控制單元和存儲單元（FLASH芯片、DRAM芯片）組成。

固態硬盤在接口的規範和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產品外形和尺寸上基本與普通硬盤一致（新興的U.2，M.2等形式的固態硬盤尺寸和外形與SATA機械硬盤完全不同）。

被廣泛應用於軍事、車載、工控、視頻監控、網絡監控、網絡終端、電力、醫療、航空、導航設備等諸多領域。

芯片的工作温度範圍很大，商規產品（0~70℃）工規產品（-40~85℃）。雖然成本較高，但是正在普及至DIY市場。

由於固態硬盤的技術與傳統硬盤的技術不同，所以產生了不少新興的存儲器廠商。廠商只需購買NAND顆粒，再配適當的控制芯片，編寫主控制器代碼，就製造了固態硬盤。

新一代的固態硬盤普遍採用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、M.2接口、CFast接口、SFF-8639接口和NVME/AHCI協議。 ^[1] 

固態硬盤的存儲介質分為兩種，一種是採用閃存（FLASH芯片）作為存儲介質，另外一種是採用DRAM作為存儲介質。最新還有英特爾的XPoint顆粒技術。

基於閃存的固態硬盤（IDEFLASH DISK、Serial ATA Flash Disk）：採用FLASH芯片作為存儲介質，這也是通常所説的SSD。它的外觀可以被製作成多種模樣，例如：筆記本硬盤、微硬盤、存儲卡、U盤等樣式。這種SSD固態硬盤最大的優點就是可以移動，而且數據保護不受電源控制，能適應於各種環境，適合於個人用户使用。壽命較長，根據不同的閃存介質有所不同。SLC閃存普遍達到上萬次的PE，MLC可達到3000次以上，TLC也達到了1000次左右，最新的QLC也能確保300次的壽命，普通用户一年的寫入量不超過硬盤的50倍總尺寸，即便最廉價的QLC閃存，也能提供6年的寫入壽命。可靠性很高，高品質的家用固態硬盤可輕鬆達到普通家用機械硬盤十分之一的故障率。

基於DRAM的固態硬盤：採用DRAM作為存儲介質，應用範圍較窄。它仿效傳統硬盤的設計，可被絕大部分操作系統的文件系統工具進行卷設置和管理，並提供工業標準的PCI和FC接口用於連接主機或者服務器。應用方式可分為SSD硬盤和SSD硬盤陣列兩種。它是一種高性能的存儲器，理論上可以無限寫入，美中不足的是需要獨立電源來保護數據安全。DRAM固態硬盤屬於比較非主流的設備。 ^[1] 

基於3D XPoint的固態硬盤：原理上接近DRAM，但是屬於非易失存儲。讀取延時極低，可輕鬆達到現有固態硬盤的百分之一，並且有接近無限的存儲壽命。缺點是密度相對NAND較低，成本極高，多用於發燒級台式機和數據中心。

1956年，IBM公司發明了世界上第一塊硬盤。

1968年，IBM重新提出“温徹斯特”（Winchester）技術的可行性，奠定了硬盤發展方向。

1970年，StorageTek公司(Sun StorageTek)開發了第一個固態硬盤驅動器。

1984年，東芝發明閃存。

1989年，世界上第一款固態硬盤出現。

2006年3月，三星率先發布一款32GB容量的固態硬盤筆記本電腦，

2007年1月，SanDisk公司發佈了1.8寸32GB固態硬盤產品，3月又發佈了2.5寸32GB型號。

2007年6月，東芝推出了其第一款120GB固態硬盤筆記本電腦。

2008年9月，憶正MemoRight SSD的正式發佈，標誌着中國企業加速進軍固態硬盤行業。

2009年，SSD井噴式發展，各大廠商蜂擁而來，存儲虛擬化正式走入新階段。

2010年2月，鎂光發佈了全球首款SATA 6Gbps接口固態硬盤，突破了SATAII接口300MB/s的讀寫速度。

2010年底，瑞耐斯Renice推出全球第一款高性能mSATA固態硬盤並獲取專利權。 ^[1] 

2013年，三星推出VNand 3D閃存。

2022年7月21日，三星電子宣佈，公司成功研製出第二代智能固態硬盤（SmartSSD），今後將以此搶佔未來市場。 ^[8] 

基於閃存的固態硬盤是固態硬盤的主要類別，其內部構造十分簡單，固態硬盤內主體其實就是一塊PCB板，而這塊PCB板上最基本的配件就是控制芯片，緩存芯片（部分低端硬盤無緩存芯片）和用於存儲數據的閃存芯片。

市面上比較常見的固態硬盤有LSISandForce、Indilinx、JMicron、Marvell、Phison、Sandisk、Goldendisk、Samsung以及Intel等多種主控芯片。主控芯片是固態硬盤的大腦，其作用一是合理調配數據在各個閃存芯片上的負荷，二則是承擔了整個數據中轉，連接閃存芯片和外部SATA接口。不同的主控之間能力相差非常大，在數據處理能力、算法，對閃存芯片的讀取寫入控制上會有非常大的不同，直接會導致固態硬盤產品在性能上差距高達數倍。

主控芯片旁邊是緩存顆粒，固態硬盤和傳統硬盤一樣需要高速的緩存芯片輔助主控芯片進行數據處理。這裏需要注意的是，有一些廉價固態硬盤方案為了節省成本，省去了這塊緩存芯片，這樣對於使用時的性能會有一定的影響，尤其是小文件的讀寫性能和使用壽命上。

除了主控芯片和緩存芯片外，PCB板上其餘大部分位置都是NAND Flash閃存芯片。

NAND Flash閃存芯片又分為SLC（Single-Level Cell，單層單元）、MLC（Multi-Level Cell，雙層單元）、TLC（Trinary-Level Cell，三層單元）、QLC（Quad-Level Cell，四層單元）這四種規格。

另還有一種eMLC（Enterprise Multi-Level Cell，企業多層單元）是MLC NAND閃存的一個“增強型”的版本，它在一定程度上彌補了SLC和MLC之間的性能和耐久差距。

固態硬盤的接口規範和定義、功能及使用方法上與普通硬盤幾近相同，外形和尺寸也基本與普通的2.5英寸硬盤一致。

固態硬盤具有傳統機械硬盤不具備的快速讀寫、質量輕、能耗低以及體積小等特點，同時其劣勢也較為明顯。儘管IDC認為SSD已經進入存儲市場的主流行列，但其價格仍較為昂貴，容量較低，一旦硬件損壞，數據較難恢復等；並且亦有人認為固態硬盤的耐用性（壽命）相對較短。

影響固態硬盤性能的幾個因素主要是：主控芯片、NAND閃存介質和固件。在上述條件相同的情況下，採用何種接口也可能會影響SSD的性能。

主流的接口是SATA（包括3Gb/s和6Gb/s兩種）接口，亦有PCIe 3.0接口的SSD問世。

由於SSD與普通磁盤的設計及數據讀寫原理的不同，使得其內部的構造亦有很大的不同。一般而言，固態硬盤（SSD）的構造較為簡單，並且也可拆開；所以我們通常看到的有關SSD性能評測的文章之中大多附有SSD的內部拆卸圖。

而反觀普通的機械磁盤，其數據讀寫是靠盤片的高速旋轉所產生的氣流來托起磁頭，使得磁頭無限接近盤片，而又不接觸，並由步進電機來推動磁頭進行換道數據讀取。所以其內部構造相對較為複雜，也較為精密，一般情況下不允許拆卸。一旦人為拆卸，極有可能造成損害，磁盤無法正常工作。這也是為何在對磁盤進行評測時，我們基本看不到關於磁盤拆卸圖的原因。 ^[3] 

讀寫速度快：採用閃存作為存儲介質，讀取速度相對機械硬盤更快。固態硬盤不用磁頭，尋道時間幾乎為0。持續寫入的速度非常驚人，固態硬盤廠商大多會宣稱自家的固態硬盤持續讀寫速度超過了500MB/s，近年來的NVMe固態硬盤可達到2000MB/s左右，甚至4000MB/s以上。固態硬盤的快絕不僅僅體現於持續讀寫上，隨機讀寫速度快才是固態硬盤的終極奧義，這最直接體現於絕大部分的日常操作中。與之相關的還有極低的存取時間，最常見的7200轉機械硬盤的尋道時間一般為12-14毫秒，而固態硬盤可以輕易達到0.1毫秒甚至更低。 ^[4] 

防震抗摔性：傳統硬盤都是磁碟型的，數據儲存在磁碟扇區裏。而固態硬盤是使用閃存顆粒（即MP3、U盤等存儲介質）製作而成，所以SSD固態硬盤內部不存在任何機械部件，這樣即使在高速移動甚至伴隨翻轉傾斜的情況下也不會影響到正常使用，而且在發生碰撞和震盪時能夠將數據丟失的可能性降到最小。相較傳統硬盤，固態硬盤佔有絕對優勢。 ^[4] 

低功耗：固態硬盤的功耗上要低於傳統硬盤。

無噪音：固態硬盤沒有機械馬達和風扇，工作時噪音值為0分貝。基於閃存的固態硬盤在工作狀態下能耗和發熱量較低（但高端或大容量產品能耗會較高）。內部不存在任何機械活動部件，不會發生機械故障，也不怕碰撞、衝擊、振動。由於固態硬盤採用無機械部件的閃存芯片，所以具有了發熱量小、散熱快等特點。 ^[4] 

工作温度範圍大：典型的硬盤驅動器只能在5到55攝氏度範圍內工作。而大多數固態硬盤可在-10~70攝氏度工作。固態硬盤比同容量機械硬盤體積小、重量輕。固態硬盤的接口規範和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同，在產品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。其芯片的工作温度範圍很寬（-40~85攝氏度）。

輕便：固態硬盤在重量方面更輕，與常規1.8英寸硬盤相比，重量輕20-30克。

容量：隨着MLC、TLC、QLC乃至未來的PLC等多階存儲單元的發展，固態硬盤容量正在迅速增長。截止2021年1月世界上容量最大的固態硬盤是Nimbus Data 推出的 ExaDrive DC100 系列固態硬盤，容量可達100TB。 ^[5] 

壽命限制：固態硬盤閃存具有擦寫次數限制的問題，這也是許多人詬病其壽命短的所在。閃存完全擦寫一次叫做1次P/E，因此閃存的壽命就以P/E作單位。34nm的閃存芯片壽命約是5000次P/E，而25nm的壽命約是3000次P/E。隨着SSD固件算法的提升，新款SSD都能提供更少的不必要寫入量。一款120G的固態硬盤，要寫入120G的文件才算做一次P/E。普通用户正常使用，即使每天寫入50G，平均2天完成一次P/E，3000個P/E能用20年，到那時候，固態硬盤早就被替換成更先進的設備了(在實際使用中，用户更多的操作是隨機寫，而不是連續寫，所以在使用壽命內，出現壞道的機率會更高)。另外，雖然固態硬盤的每個扇區可以重複擦寫100000次(SLC)，但某些應用，如操作系統的LOG記錄等，可能會對某一扇區進行多次反覆讀寫，而這種情況下，固態硬盤的實際壽命還未經考驗。不過通過均衡算法對存儲單元的管理，其預期壽命會延長。SLC有10萬次的寫入壽命，成本較低的MLC，寫入壽命僅有1萬次,而廉價的TLC閃存則更是隻有1000-2000次。此外，使用全盤模擬SLC提升寫入速度的多階存儲固態會面臨寫入放大問題，進一步縮短壽命。

售價高：截止2021年1月市場上採用TLC存儲單元的256GB固態硬盤價格大約為240元人民幣左右（採用SATA接口+TLC顆粒），而1TB固態硬盤產品的價格大約在650元人民幣左右（NVMe接口+TLC顆粒）。計算下來每GB大約0.6-1元。相比每GB僅為0.2元的機械硬盤高了不少。

對於固態硬盤的使用和保養，最重要的一條就是：在機械硬盤時代養成的“良好習慣”，未必適合固態硬盤。

一、不要使用碎片整理

碎片整理是對付機械硬盤變慢的一個好方法，但對於固態硬盤來説這完全就是一種“折磨”。

消費級固態硬盤的擦寫次數是有限制，碎片整理會大大減少固態硬盤的使用壽命。其實，固態硬盤的垃圾回收機制就已經是一種很好的“磁盤整理”，再多的整理完全沒必要。Windows的“磁盤整理”功能是機械硬盤時代的產物，並不適用於SSD。

除此之外，使用固態硬盤最好禁用Win7的預讀(Superfetch)和快速搜索(Windows Search)功能。這兩個功能的實用意義不大，而禁用可以降低硬盤讀寫頻率。（在Windows 10中，這一項優化不需要）

還是由於固態硬盤的“垃圾回收機制”。在固態硬盤上徹底刪除文件，是將無效數據所在的整個區域摧毀，過程是這樣的：先把區域內有效數據集中起來，轉移到空閒的位置，然後把“問題區域”整個清除。

這一機制意味着，分區時不要把SSD的容量都分滿。例如一塊128G的固態硬盤，廠商一般會標稱120G，預留了一部分空間。但如果在分區的時候只分100G，留出更多空間，固態硬盤的性能表現會更好。這些保留空間會被自動用於固態硬盤內部的優化操作，如磨損平衡、垃圾回收和壞塊映射。這種做法被稱之為“小分區”。

“少分區”則是另外一種概念，關係到“4k對齊”對固態硬盤的影響。一方面主流SSD容量都不是很大，分區越多意味着浪費的空間越多，另一方面分區太多容易導致分區錯位，在分區邊界的磁盤區域性能可能受到影響。最簡單地保持“4k對齊”的方法就是用Win7自帶的分區工具進行分區，這樣能保證分出來的區域都是4K對齊的。

固態硬盤存儲越多性能越慢。而如果某個分區長期處於使用量超過90%的狀態，有些固態硬盤崩潰的可能性將大大增加，絕大部分硬盤也會出現性能降低的現象。

所以及時清理無用的文件，設置合適的虛擬內存大小，將電影音樂等大文件存放到機械硬盤非常重要，必須讓固態硬盤分區保留足夠的剩餘空間。

“固件”好比主板上的BIOS，控制固態硬盤一切內部操作，不僅直接影響固態硬盤的性能、穩定性，也會影響到壽命。優秀的固件包含先進的算法能減少固態硬盤不必要的寫入，從而減少閃存芯片的磨損，維持性能的同時也延長了固態硬盤的壽命。因此及時更新官方發佈的最新固件顯得十分重要。不僅能提升性能和穩定性，還可以修復之前出現的bug。

固態硬盤的Trim重置指令可以把性能完全恢復到出廠狀態。 ^[6] 

隨着互聯網的飛速發展，人們對數據信息的存儲需求也在不斷提升，多家存儲廠商推出了自己的便攜式固態硬盤，更有支持Type-C接口的移動固態硬盤和支持指紋識別的固態硬盤推出。

2021年11月15日，銘瑄發佈旗下首款電競之心繫列 SSD，國產主控 + 國產 TLC 顆粒。 ^[7]