科普：说一说SSD固态硬盘

2016-09-14 18:50:31 EETOP

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可能还有不少人不清楚SSD和HDD的具体区别把，常常听到别人问：SSD为什么会比HDD快这么多呢？何为TLC、MLC、SLC？采用相同的NAND FLASH为什么SSD速度比U盘快得多？SSD固态硬盘接口有哪些？好吧那下面就来详细的来回答大家的问题。

　　这张HDD硬盘的具体结构就不细说了，大家都知道HDD硬盘是一种机械结构，影响性能的主要是马达转速、盘片密度、磁头数、缓存容量等，其他因素还有，不过不是重点了。

　　提高HDD硬盘性能主要是靠提高转速，目前主流的是7200RPM，民用级别高的有10000-15000RPM，但是高转速意味着噪音、功耗的增加，对马达的设计非常苛刻，不是想提就能提的。

　　盘片密度也是提高性能的一个方法，从祖宗级的IBM Winchester（温氏）硬盘开始一直用的都是磁阻效应，最新的则是从GMR到垂直记录的PMR变化而已。

　　HDD的机械架构决定了它不可能有质变，事实上除了磁盘密度近年来还有技术进步的空间之外，HDD硬盘的转速停留在7200RPM级别有七八年的时间了。

　　SSD的物理组成基本上就是闪存+主控+缓存+PCB+接口，没有机械部件，数据读写都是电子讯号，不存在马达转速这样的瓶颈因素，性能自然就上来了。

　　在小文件随机性能上，HDD就完全无能为力了，举例来说，SSD的随机读取延迟只有零点几毫秒，而7200RPM的随机读取延迟有7毫秒左右，5400RPM硬盘更是高达9毫秒之多，反应在性能上就是随机读取能力远远不如SSD，这一点在开关机速度上最有体现。

随机读写以及开机速度是HDD永远追不上SSD的地方

　　性能上只举一个随机性能的例子就可以秒杀HDD硬盘了，此外SSD在其他方面也要比HDD有优势，但是在容量与价格上SSD是完全处于劣势的：

　　1. 体积和重量：SSD完胜
　　2. 噪音和震动：SSD再次完胜，绝对静音，而HDD的噪音可高可低，有的足以会让人抓狂，而且震动也是一个要考虑的问题。
　　3. 温度：HDD工作时的最高温度在四五十度左右，SSD要低，不过这个问题影响不大。
　　4. 功耗：HDD最大功耗约为5-10W左右，而SSD通常是3W以内，同样地这个问题影响也不算大，企业级用户就另算了。
　　5. 容量：HDD胜出，民用级SSD普遍没有超过1TB的，而HDD最大已有4TB了。
　　6. 价格：HDD胜，而且容量越大，HDD优势越明显。

何为TLC、MLC、SLC？

一块SSD由主控、DRAM缓存和NAND闪存三种芯片所组成，主控是SSD的大脑，SSD所做的东西全部都是它所控制的；DRAM缓存则是高速缓冲区，具体作用要看主控的算法而定，有些是用来放LBA表的，有些则是拿来做数据缓存的，更有些方案是没有外置DRAM缓存，只在主控内置了小量缓存，这样做的目的有些是为了数据的安全性（如SandForce），有些则是为了降低成本（大多数入门级主控）；NAND闪存则是数据存储的地方，你的数据全部都存放在里面。

NAND闪存的类型有SLC、MLC和TLC这三种，SLC不论性能还是可靠性都是都是最好的，但成本也是最高的；MLC闪存性能、可靠性次之，它的性能、可靠性与成本上是相当均衡的，是目前的绝对主力；TLC则是在2012年之后三星才把它带入SSD市场的，之前主要是用在U盘以及存储卡上面，在三星先行了两年之后今年其他厂商终于跟上了，大量的TLC SSD开始推向市场。

SLC、MLC与TLC的简单区别

SLC = Single-Level Cell，即1 bit per cell，只存在0和1两个充电值，结构简单但是执行效率高。SLC闪存的优点是传输速度更快，功率消耗更低和存储单元的寿命更长。然而，由于每个存储单元包含的信息较少，其每百万字节需花费较高的成本来生产，由于成本过高你基本上只会在高端的企业级SSD上见到它，流入到消费级平台上的基本都是非原封的。

MLC = Multi-Level Cell，即2 bit per cell，有00,01,10,11四个充电值，因此需要比SLC更多的访问时间，不过每个单元可以存放比SLC多一倍的数据。MLC闪存可降低生产成本，但与SLC相比其传输速度较慢，现在大多数消费级SSD都是使用MLC做的。

TLC = Trinary-Level Cell，即3 bit per cell，每个单元可以存放比MLC多1/2的数据，共八个充电值，所需访问时间更长，因此传输速度更慢。TLC优势价格便宜，每百万字节生产成本是最低的，但是寿命短，通常用在U盘或者存储卡这类移动存储设备上。

TLC闪存的优劣势

TLC闪存的优势是容量更大，成本更低，举例来说，同样的晶体管电路做成64Gb的SLC闪存，那么变成MLC、TLC闪存则可以得到128Gb、192Gb的容量，这对厂商来说大大降低了成本。

从结果上来看，各种闪存的物理结构是相同的，但是控制上一个比一个复杂，SLC每个Cell能储存1个数据，有两种电位变化，MLC每个Cell能储存2个数据，有四种电位变化，TLC每个Cell可以储存3个数据，有8种电位变化，MLC和TLC每个Cell单元中有多个信号，是通过控制不同的电压来实现的，施加不同的电压就会有更多的电位变化，NAND闪存单元就可以容纳不同的信号组合。

TLC闪存在P/E寿命、读写速度上要比MLC、SLC差很多

但是，TLC闪存也不是只有光鲜的一面，它带来的考验也更大。容纳的电位多了可以提升容量，但也使得整个过程更复杂，需要更精确的电压控制，Program过程所需时间更多，因此写入性能也会大幅下降，所以现在的TLC SSD都启用了SLC Cache模式提升写入速度，否则那个写入速度是很难让人接受的；读取，特别是随机读取性能也会受影响，因为需要花更多的时间从八种电信号状态中区分所需数据。

最关键的是闪存寿命直线下降，MLC的P/E次数至少还有3000-5000次，而TLC公认的P/E指标是1000次，好点的可能做到1500次，依然比MLC差很多。

3D NAND闪存——TLC未来的出路

说了这么多传统的2D TLC闪存问题确实非常的多，有些问题是可以解决的，比如写入性能差就可以通过SLC Cache的运用，只要制造一个大容量的缓冲区用户很多时候就不会感觉得到写入速度慢，而且SLC Cache玩得好还有延长寿命的作用。

但是有些东西是解决不了的，传统的2D闪存在达到一定密度之后每个电源存储的电荷量会下降，另外相邻的存储单元也会产生电荷干扰，20nm工艺之后，Cell单元之间的干扰现象更加严重，如果数据长时间不刷新的话就会出现像之前三星840 Evo那样的读取旧文件会掉速的现象，三星后来推出了新固件改善算法才解决问题，估计新的固件会定时覆写旧的数据，这样肯定会对闪存的寿命有影响。

而3D NAND是不再追求缩小Cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多Cell单元，这样也可以达到容量增多的目的。

由于已经向垂直方向扩展NAND密度，那就没有继续缩小晶体管的压力了，所以三星、Intel和美光可以使用相对更旧的工艺来生产3D NAND闪存，使用旧工艺的好处就是P/E擦写次数大幅提升，而且电荷干扰的情况也因为使用旧工艺而大幅减少。

还有就是未来的3D NAND可能都会做成可以MLC与TLC工作模式相互切换那种，现在三星已经就这样做了，850 Pro与850 Evo上的闪存本质上都是一样的，只不过前者是以MLC模式运行后者以TLC模式运行，未来Intel与镁光的3D NAND也会这样。

2D的TLC闪存由于各种问题是不会成为主流的，基本上只会有低价入门级的SSD会使用，现在的TLC SSD很多都是试验性产品，但是等到3D TLC大批量产后，它将会成为未来的主力，现在三星又一次成了探路先锋，850 Evo就是第一款采用3D TLC的SSD，目前来说还没有什么大的问题出现，如果稳定性没问题的话它将成为未来的TLC SSD的标杆。

固态硬盘市场趋势：2.5 寸、SATA 机种 TLC 颗粒取代 MLC 成主流

环顾今年新推出的 2.5 寸、SATA 6Gb/s 机种，一时间还真有点令人难以回想起，究竟有几款产品仍然采用 MLC 颗粒，看来看去几乎清一色是 TLC。如同市场调查研究机构前些年的报告，指出 TLC 将会取代 MLC 成为中低价位产品应用主流，这点如实成为不可逆的事实，甚至是连 PCIe NVMe 产品有 Intel 当领头羊导入 TLC 颗粒应用。

2.5 寸、SATA 6Gb/s 机种的转变就现实结果来说，国际一线大厂都已经弃守 MLC 颗粒，现行少数销售中的产品停产之后，以后普遍能见到的只有台湾控制器搭 TLC 颗粒组合。即便少数厂商仍然愿意推出采用 MLC 的产品，其设定也必然为高端机种，只恐怕每 GB 储存成本会令人却步，这是大家横竖都得接受的一个现实问题。

TLC 的种种是个有趣议题，过去可以拿它与 MLC 机种之间价差那么少来说嘴，我们也不否认这点。毕竟先前 TLC 量产规模不大，报价自然无法和 MLC 相比，但近来随着晶圆厂将产能转投 TLC，MLC 价格已上涨并逐渐拉开差距。另外别忘了前面才刚提到，固态硬盘厂商已经不再推行 MLC 机种，这个比较基准点会随着时间拉长，渐渐地消失不复存在。

至于要谈 TLC 有多么不勘、不耐用，我们认为可以更理性点来看待，厂商为产品所提供保固服务期，便是对于设计耐用度的信心。MLC 机种保固以 3 年居多，少数厂商提供较长的 5 年，然而 TLC 产品保固条件几乎都相同，并未因故删减变短。售后服务可是个成本无底洞，厂商得经过推算、实测验证、评估后才制定，若自知不可能那么耐用，理应当不会挖坑给自己跳。

得留意，设计耐用度别过度纠结在部分点上，例如只看颗粒的平均理论抹写次数（Program/Erase Cycle），而忽略厂商的使用条件设定。固态硬盘和硬盘一样有工作负载限制，通常以 TBW（Total Byte Written，总写入位组）当标的，连动参考值为DWPD（Device Write Per Day，设备每日写入量），工作负载和颗粒写入损耗息息相关。

TBW 和 DWPD 如同在反应，超过设计规格的不当使用行为，只会加速颗粒写入损耗而已，这超出什么颗粒比较耐用的正规讨论范畴。当然了，并非每家厂商都会标示 TBW 相关资讯，因此采购前不妨自己多做点功课，针对应用型态来挑选合宜的产品。像是当系统开机碟，挑 TBW 高一点的机种较为合适，至于当外接资料碟大可放宽要求，反向多权衡价位因素。

总而言之，厂商并非公益单位，推出产品销售自然需要获得一定利润回报。然而市场竞争如此激烈，玩家所偏好 MLC设计方案成本，已经逼近压到难以再压的临界点。这时间点恰好 TLC 成熟度已经提升不少，上场救援成为新宠儿，是时势所趋的必然结果。如果你很执着就是要 MLC，建议要嘛赶快去抢末代 MLC产品，再不然就是等着转进中高价位 PCIe NVMe 吧！

采用相同的NAND FLASH为什么SSD速度比U盘快得多？

SSD高速的原因是它内部有多个闪存，在读写时，多个闪存同时读取，就相当于把每个闪存的速度加起来，所以就快了，SSD能有4、8、16、个闪存颗粒，而普通U盘只有1到2个，所以速度是有很多倍的。另外还有接口的问题，如果是USB2.0的U盘，接口就只能达到50M/S的速度，自然快不了再另外还有芯片类型不一样，SLC,MLC,TLC三种闪存类型，容量依次递增，速度依次递减，价格依次递增，目前市面上的主流SSD大部分是用MLC闪存，而又很多低价U盘用的则是TLC闪存，价格低，速度慢。

SSD固态硬盘接口有哪些？

1、SATA固态硬盘普通接口，这种接口也就是和普通硬盘一样的接口，常用的固态硬盘都是这种STAT固态硬盘接口。目前STAT固态硬盘接口主要分为SATA1.0--3.0。一般现在市场上主流的固态硬盘接口就是SATA3.0产品的接口。

SATA接口已经不再是新技术了，从2001年推出SATA 1.0到目前的SATA2.0和SATA3.0，已经让SATA成为目前机械硬盘的接口，当前也是主流固态硬盘的主要接口。就目前的使用率来说，SATA2.0用户仍然最多，这主要受到PC接口的影响，不过目前市场上的SATA3.0产品，大多都可以向下兼容2.0。虽然现阶段SATA接口的SSD以SATA 2.0为主流，SATA 3.0占比较低，但其每秒高达600MB的传输速率，注定将成为SSD未来接口趋势。

2、mSATA接口是迷你版本SATA接口，这种类型的固态硬盘尺寸小巧，单面厚度仅为4.85mm，不会占用太多笔记本内部空间。mSATA接口的固态硬盘在速度上并不逊色，理论上mSATA将提供跟SATA接口一样的速度和可靠度。由于体积小巧等优势，已被越来越多的笔记本所使用。

3、NGFF接口是Intel为超极本量身定做的新一代固态硬盘接口标准，其常规尺寸仅为42mm×22mm，单面布置NAND Flash颗粒的厚度为2.75mm，双面颗粒的厚度是3.85mm，对mSATA来说体积进一步减小，非常适合轻薄的超极本产品。速度方面，采用 PCI-Express x2传输标准的NGFF接口的固态硬盘，最大读取速度可达到700MB/s，写入为550MB/s，4K随机读写IOPS分别可达到100K及90K，相比mSATA来说，传输速度会更快。

与mSATA接口固态硬盘相比，NGFF标准的宽度、厚度都是相同的，只有长度不同，即可通过增加长度来增加容量，应用起来更加灵活。

SSD固态硬盘接口有那些？
苹果版PCLE SSD、NGFF SSD和mSATA SSD对比

除了上述常见的笔记本SSD外，目前还有一种采用特殊定制的苹果版PCLE SSD，这是由一种SATA-IO标准组织制定，并且与PCI-E总线相联，同时采用mSATA接口的特殊SSD，能达到接近800MB/秒的读写速度。

4、PCI-E接口固态硬盘

PCIe 2.0的传输速率由PCIe 1.0的单向250MB/s提升到500MB/s，PCIe 3.0可提升至750MB/s，这比SATA更令人兴奋。若以高阶显示适配器所采的×16规格来看，PCIe 2.0可达单向8GB/s、PCIe 3.0可达单向12GB/s的传输速率。非常适合专业人事使用。

　　这种PCI-E接口固态硬盘的接口要比SATA的接口要大，但是比SATA固态硬盘的带宽要大，在性能和容量上面得到了很大的提升。所以一般用户很少用这种接口，这种固态硬盘更多是用在服务器和大型工业方面。

5、外置接口设备：USB接口usb接口是采用最新的usb3.0接口，可有效提升NAND Flash相关应用的传输速度，例如高速随身碟、记忆卡与SSD等，由于SSD未来亦可能有外接式需求，所以USB接口SSD仍是有其发展空间。

6.其它固态硬盘接口

　　以上那两种接口基本上都满足了工业和一般用户的需求，但是还有一些其他的接口其中包括LIF接口固态硬盘以及mSATA嵌入式接口固态硬盘，这些固态硬盘的接口都应用于一些专门的领域。mSATA接口的固态硬盘(SSD)一般是指超小型的SSD模块，不同于传统2.5吋或1.8吋的SSD产品，架构设计上类似于嵌入式系统的DOM型态。

固态硬盘相比传统硬盘接口更多，不过除了最常见主流的STAT以及工业领域的PCI-E接口外，这两者主要应用于专门的领域，如LIF接口为苹果固态硬盘电脑专用接口，而mSATA嵌入式接口固态硬盘主要应用于内嵌式内存解决方案，主要应用于超薄型的系统产品上，是客户和产品需求来选择应用。简单的说mSATA接口SSD就是一块内置卡，而不是我们平时见到的成型固态硬盘，你可以根据自己的需要进行组装。

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