固态硬盘浅谈

发表于 2020-7-27 07:46:59

固态硬盘浅谈
固态硬盘（Solid State Disk、SSD）本身是企业级的技术，十年之内由于各种原因，现已成为中高端PC的标配。

（固态硬盘）
传统的机械硬盘受限于磁盘结构，读写速度多在200MBps以下，已经成为了现代PC的性能瓶颈。而使用闪存芯片作为储存介质的SSD则大幅提高了存储设备的性能，轻松达到数倍于机械硬盘的读写速度。
高4K性能、0寻址时间等这些特点，也非常大地影响了系统的使用体验。
因此，使用一块SSD做系统盘是十分有必要的。
而爆炸发展的SSD产业是一个深不见底的坑，技术参数繁多，质量更是参差不齐。
SSD在电脑配件当中并不特别引人注意，大家都在讨论CPU、显卡，很少有人专门研究SSD。
但其实，这个行业的坑远比传统配件来的多！
笔者在这里总结一些基础知识和多年来所遇到的坑，希望能给予大家一定启发。
Part1：SATA？NVME？M.2？令人懵逼的硬件接口

（支持NVME协议的SSD）
现在最流行的SSD接口，当属M.2，尤其是使用NVME协议的M.2 SSD。
笔者第一次接触NVME型SSD是在2014年，当时NVME固态基本上没有万元以下的产品，民用领域也没有支持NVME的主板，直到一年后，微星等厂商才通过BIOS升级给X99、Z97等高端主板提供了支持。
一转眼，短短4年之后，NVME成为了高端固态硬盘的标配，而主流接口也由SATA转为了M.2。
但是突然转过眼来的我懵逼了：M.2和SATA、NVME和AHCI……到底是个什么关系？
相信懵逼的不止我一人。
好吧我们从头讲起：

（使用SATA接口的固态硬盘）
早期的SSD，都长得和普通的2.5寸机械硬盘差不多，接口也是SATA，接口协议是AHCI。
可以这样理解：SATA像是硬件，是物理上的接口，而AHCI则是这个接口兼容的软件，像操作系统。
我们知道SATA 3的极限带宽速度是6GBps（SATA2只有3GBps），在那个时代，SSD性能还难以达到这个速率。SSD的闪存颗粒和主控是主要瓶颈。
但是，随着生产工艺和程序算法的迭代更新，不难预见，旧的SATA标准很快将成为SSD发展的桎梏。
新技术的研发总是具有令人惊叹的前瞻性——2011年3月，NVME 1.0（NVM Express，非易失性内存主机控制器接口规范）标准正式发布。

NVME协议最大的优势在于它的数据交换不用像SATA一样经过南桥芯片，而是通过CPU内建的PCIE通道直接通讯，绕开南桥，实现高速通讯。（不过，要是走的是南桥拓展出的PCIE通道，就会有很大的性能损失）。
如图是Z170主板的构架：

（Intel Z170 chipsetblock diagram）
除此之外它还有每秒读写次数大、驱动兼容性强，功耗低等优点。
当然，我们体验最直观的还是速度：相比普通SSD读写600MBps的瓶颈，高端NVME固态可以轻松达到2000MBps的读写速度，甚至更高！而且4K性能也有很大提升。

（NVMR SSD的跑分速度）
几年之前，支持NVME的SSD动辄数万元。今天，市面上已经有大量廉价的产品了，比普通的SSD贵不了多少，而且主流新主板大多也都支持NVME协议。
可以预见，虽然SATA接口的SSD至今仍然占据着出货量的大头，但是由于NVME的众多优势，取代传统SSD只是时间问题。
如果你的主板支持NVME，笔者非常推荐加点钱上M.2 NVMe的SSD。
了解完NVMe协议之后，再来说M.2，显然，它是硬件接口，好像SATA接口一样。

（几种不同的硬盘接口，绿色的硬盘是M.2接口，蓝色的是mSATA接口，在下的是标准SATA接口）
支持NVME的硬件接口有两种：一种直接插在PCIE槽上(如Intel 750 PCI-E系列)，更常见的一种是M.2插槽。
但是！M.2插槽不单单只有一种类型，常见的有两种：Socket 2（B key，NGFF）和Socket 3（M key，NVMe）。

（B Key和M Key）
NVMe我知道是什么了，但是NGFF又是什么意思？
M.2接口不单单支持NVMe协议，还支持旧的SATA协议，而且NVMe也分PCIE x2和PCIE x4这两个带宽。
其中的B key，这种在SSD上不太常见的接口，只能走较低端的SATA或PCIE x2通道。要是想用高端的SSD，走PCIE x4带宽的那种，就只能用M key的M.2插槽。而且！这里的M key是指SSD和主板上的接口都要是M key，否则就只能走SATA或者PCIE x2。
所以在购买SSD之前，要先看好主板上的接口类型。
一般而言，SSD是不会采用B key的，但是主板就不一定：很多低端笔记本喜欢用B key。如果你发现你主板上的接口是B key，那么这块主板注定与最高性能的SSD无缘：最大速度不会超过1000MBps。要是它不支持PCIE总线，那就和普通SATA接口没差，最大速度是600MBps。（表面M.2）
SSD为了适配更多的主板，喜欢使用一种混合的插口——B&M，这种设计的SSD可以同时兼容两种接口的主板。

（B&M Key的SSD）
真正的纯M Key模组，一般只出现在高端SSD和酷睿七代以上的笔记本主板上。

（纯M Key的SSD）
当然，SSD也是分SATA、PCIE x2、x4的，凡是支持NVME协议的SSD，肯定是走的PCIE x4总线，但是走x4的SSD，却不一定支持NVMe。
确实，这东西有点折腾人，我们来张图抢救一下。

Part2：SLC？MLC？TLC？谈谈闪存芯片的类型
接下来开始讲SSD的闪存颗粒，放心吧，这一章比较简单。
很简单，现在主流的颗粒分三种：SLC、MLC、TLC。
也很好记，分别是： Single Level Cell,单层存储单元， Multi Level cell,多层存储单元， Trinary Level cell, 三层存储单元。
有趣的是，它们本质上并没有区别，区别在于擦写方式。
SLC每个单元的只存储一个二进制位，状态只有0或1，电气状态“无电势”或“有电势”。MLC每单元2bit数据，编程状态22=4，00，01，10，11，电气状态“无电势”“电势1”“电势2”“电势3”。TLC每单元3bit，编程状态23=8，000、001、010、011、100、101、110、111，电气状态“无电势”“电势1”……“电势7”
所以：越往后的颗粒擦写的控制难度越高，但是相同面积的晶圆写的数据更多
一句话：
“S/M/TLC三种闪存，读取速度依次递减，寿命依次减短，价格也依次降低”
也就是说，SLC是质量最好的颗粒，TLC最次，当然， SLC也是最贵的
因此，常见的颗粒多为MLC，近几年TLC也变得常见。
不过话说回来，SSD掉速、掉盘并不是闪存一个人的锅，主控的作用也至关重要：主控可以靠复杂的数学算法来对颗粒纠错。但是纠错能力是有限的，如果超过了这个限度，主控会屏蔽这个单元，屏蔽的单元越来越多，SSD 开始掉速，甚至丢数据。随着固态的错误率上升，读写纠错对主控性能的占用也会造成掉速。

（群联主控）
所以武断地认为TLC不如MLC是不对的，至少应该考虑到主控和晶圆本身的制作工艺，劣质MLC固态硬盘的寿命，很有可能还不如普通的TLC固态硬盘。
笔者的观点是：现在的TLC的良品率和工艺上去了之后，家用水平绝对够，标准的颗粒再重度使用寿命也在三年以上。只要颗粒品质好即可，最好要原厂正片。三星之流的大厂是最佳。
闪存类型其实并不复杂，大体上也只有这三个类型，SSD质量的大坑还在前面。
Part3：正片？白片？黑片？那些坑爹的劣质SSD
通常，我们习惯把闪存芯片的来源分成三个大的类型：
正片：也就是原厂生产的闪存，比如Intel、三星、镁光，出厂前做好了严格的质量检验，印的是自家的Logo。一般自产自用，质量最佳。

（海力士正片）
白片：次一级的芯片，上游厂家生产之后不经过检测直接发给下游厂商（也有部分是达不到QC标准的），然后由下游厂商封装、测试，质量不如正片，主要看厂家良心。
价格十分诱人，中低端甚至部分高端SSD都喜欢用白片。
在品控可以的情况下质量不会太差。

（东芝TLC白片，第三方封装）
黑片：这个就很有趣了，来源广泛，有的是QC不合格的劣质颗粒，有的是企业SSD拆机的二手颗粒，从报废手机上拆的eMMC颗粒、甚至还有ES的工程样品颗粒。
质量非常堪忧，好则掉速，坏则掉盘，是选购SSD必须要避开的大坑。
(市面上的U盘全部是黑片我会乱说？ )
除了颗粒本身的质量，主控设计也是重要的考量标准。大厂有能力设计或者定制一个合适的主控框架，发挥芯片的最佳性能，和更好的纠错。然后还有缓存，中高端SSD可以拥有512M甚至更大的DDR3 Cache，极大的提升速度。
小厂商多用OEM方案，一般是一个型号的产品用一个方案，不会像大厂一直对一个方案打磨优化。还喜欢缩水缓存，这一点上也是个坑。
更有甚者，同一品牌，甚至同一型号能玩出不同芯片。有些厂甚至测评用正片，铺货用白片。
比如台电新一点的A800把A900（我买过一块，很不错）的MLC+512M缓存缩成了Intel 3D TLC白片（有黑片打磨嫌疑，台电有过拆机TLC打磨伪装MLC的黑历史）+没缓存……性能差距可想而知。

（慧荣SM2258XT主控+疑似Intel 3D TLC白片）
更坑的品牌，比如影驰、七彩虹，被扒出使用报废手机UFS芯片和企业SSD芯片之后恼羞成怒黑了某论坛删库，闹得满城风雨。（点名批评）
好了不扒了，再说挨打。
低端SSD，大概1元1G那种，比机械硬盘强是的肯定的，但是放在SSD里面是个叛徒的角色。
当然，见仁见智，像笔者这样的穷人，几百G的游戏不可能买高端SSD，用机械硬盘又不甘心，这些低端SSD似乎是唯一的选择。
毕竟存游戏等数据，不用考虑安全性，用低端SSD也未尝不可。
低端SSD的选购，靠谱点的方法是选定了一块SSD后，去查阅相关的帖子，拆解的那种，看到了闪存颗粒、缓存和主控，高低立判，造假的打磨片也不难看出来。最好能看到对应的跑分数据。
拿到手，有眼力的也不妨打开来看一看。
如果没有识别的能力，那就尽量跟着论坛大佬的脚步上车销量较大的型号。
有能力的还是建议中高端产品，性能好，而且数据安全有保障。
存储设备不像是显卡什么的，买个花驰、铭瑄的显卡顶多花屏，而储存设备内的数据价值往往远超存储设备本身。
数据无价！数据无价！数据无价！