电脑固态硬盘什么意思(从20MB小可爱到100TB巨兽，细数固态硬盘进化之路)

编辑说：这一次，让我们谈谈近几十年来固态硬盘发生了什么变化。

[hardwarechronicle]你还记得你的第一台SSD有多大吗？自1991年Sandi发布第一款商用SSD以来，商用SSD的发展在不知不觉中已经持续了30多年。每当我们谈论固态驱动器时，不可避免地要谈论粒子和主控。我们很容易陷入“纯粒子理论”的怪圈，但我们忽视了多年来相关技术的发展。事实上，随着主控技术和粒子技术的不断发展，固态驱动产品已经实现了精细场景分类。让我们从闪存开始，从主控方面来看闪存类型，让我们谈谈SSD近年来的变化。

在谈论固态硬盘时，有一个不可避免的话题，即玩家经常谈论“粒子”。资深玩家应该知道，在固态驱动器中经常讨论的芯片包括主控、闪存和DRAM，而对粒子的讨论是最高的。目前，被广泛讨论的闪存颗粒实际上属于NAND闪存。自2009年固态硬盘出现以来，这种类型的闪存已广泛应用于我们日常的个人电脑中。

右边的两个黑色芯片是闪存颗粒

NAND闪存的工作模式有一个特点，即如果我们想将数据写入已写入数据的闪存，我们需要在再次写入之前擦除其数据。随着擦除和写入次数的增加，NAND闪存将被消耗，这就是为什么固态磁盘的使用寿命被描述为“擦除次数”。

早期的NAND闪存被放置在一个平面上，称为“2dnand”。举个不恰当的例子，就像我们在停车场设计的停车位一样，当地面面积固定时，无论路线有多精致，停车场可以容纳的停车位都是有限的。为了满足日益增长的停车（数据存储）需求，我们必须建造一个多层停车场。如果一层还不够，我们可以建二层，甚至三层。在2dnand时代，为了充分利用有限的区域，制造商必须不断使用新工艺。然而，由于串扰等问题，闪存颗粒不能再仅仅依靠工艺进步来改善。东芝和三星开始押注3dnand（三星称之为v-nand）。

3dnand有助于降低成本

NAND闪存也是如此。“2dnand”的容量有限，因此被称为“3dnand”。目前，MgO已经实现了176层NAND的批量生产，闪存的密度和成本压缩达到了前所未有的高度。在不久的将来，192层NAND也将大规模生产。届时，容量更大、成本更低的固态硬盘有望问世。

根据固态磁盘的工作原理，其数据存储在半导体单元中。目前广泛使用的有四种类型，即SLC、MLC、TLC和QLC。SLC属于1bit/细胞，MLC属于2bit/细胞，TLC属于3bit/细胞，QLC属于4bit/细胞。该值表示每个存储单元的数据。例如，SLC在一个单元中只有一个数据。单个存储单元中的数据位越多，对主控精度的要求就越高。

资料来源：维基百科

因此，SLC颗粒的耐久性P/E（寿命）、速度和成本是所有类型中最高的。这些参数随着单元中数据的增加而减小。从MLC到TCL再到QLC，未来甚至将有5bit/cellPLC成为商业产品。

通过数据对比，我们可以更直观地了解不同类型NAND闪存的参数差异。SLCN和闪存的擦除次数在10000次以上，MLCN和闪存的擦除次数在3000-10000次之间，TLC闪存的擦除次数在1000-3000次之间，QLCNAND闪存的擦除次数在1000次以内。

在目前的固态驱动器应用场景中，使用纯SLC和闪存的固态驱动器基本上是军用或商用的，而MLC主要专注于高端消费产品和商用产品。Tlcnand足以满足我们的日常使用需求。至于QLCNAND闪存的固态驱动器，其优点是容量足够大，单个完整擦除周期延长，短的使用寿命也可以部分补偿。

QLC颗粒将SSD的容量提升到了一个新的高度

以三星为例，它的产品类型非常像丰富。他家的SSD涵盖了这四种类型的闪存。他们的代表是配备mlc3dnand的三星970pro、配备tlc3dnand的三星980/三星860evo，以及配备QLC3dnand的三星860qvo。

消费级MLC固态硬盘已经成为消费者心中的“难事”。图片来源：unsplash

当谈到闪存的类型时，玩家通常会在消费者层面上“有困难”。MLC闪存产品逐渐转向商用，TLC闪存和QLC闪存开始成为消费者层面的主流。这个过程确实存在争议，但不可否认的是，消费者现在可以用更少的钱购买容量更大、性能更高的SSD产品。

制造商可以安全地使用理论寿命较低的TLC和QLC闪存。主要原因是主控芯片越来越强大。我们所看到的大多数固态磁盘参数都与主控制密不可分，例如读写速度、接口协议、微调支持、磨损平衡和垃圾收集机制。从过去读取速度仅为1或200MB/s的高成本SATA固态磁盘，到顺序读取速度超过7000mb/s的pcie40固态驱动器，这些直观的参数演变与固态驱动器主控的不断升级密不可分。

资料来源：连云官网

固态驱动器的主控属于整个产品的“中央大脑”。一方面，它需要通过外部接口与主机通信，接收和处理主机的指令。另一方面，它还需要管理“不太智能”的闪存，更快、更正确地存储数据，并考虑闪存芯片的使用寿命。

我们看到的SSD参数更像是主控制参数的“再现”。图来源连云官网

这个含蓄抽象的概念很难理解。对我们普通消费者来说更重要的是，自固态硬盘主控制器诞生以来，该芯片发展迅速，支持更多技术来确保数据完整性和数据安全性，监控硬盘健康状况，延长闪存颗粒的寿命，如trim、S.M.A.R.T技术，坏块管理、LDPC纠错、断电保护等。

正是由于越来越强大的主控功能，过去一直被消费者鄙视的TLC固态硬盘才得以“翻身”，成为消费型固态硬盘的主流，甚至催生了一批用户认可的高端固态硬盘。主控芯片的重要性使得主控芯片的研发能力成为存储产品开发厂商硬实力的体现。

Elpis目前是三星的旗舰产品

目前，现有自主研发的主控制器的代表当然是拥有强大供应链的三星，主控制器也输出消费品。其自主研发的主控制器仅适用于自己的产品。目前已应用于三星980pro的elpis主控制器。当与v-nand3位MLC闪存（即TLC）和2gbddr4sdram结合使用时，它可以实现高达7000mb/s的顺序读取速度和5100mb/s的顺序写入速度。

此外，主流一、二线厂商如马排、连云、群联、慧荣等也提供丰富的主控产品，供第三方厂商根据不同定位购买，部分厂商还提供一站式集成解决方案。市场上的固态硬盘产品可以呈现百花齐放的趋势，这也离不开一些主要控制解决方案提供商的努力。

前面有很多技术概念，但我们必须承认，对于我们的普通消费者来说，我们在谈论硬盘时首先想到的是容量。毕竟，作为存储数据量的最直观表达，容量的变化是上述因素（如闪存和主控）的综合体现。

回到标题，世界上第一台商用固态硬盘是由山迪在1991年推出的，容量只有20MB。到2018年，nimbusdata推出的exadrivedc100ssd拥有惊人的容量。这100并不代表100GB，而是100TB！在过去27年中，商用固态驱动器的容量增加了100万倍。如果商业产品离我们的消费者太远，我们还不如回到消费品上来。

这个硬盘能容纳多少“数据”？图片来自互联网

从山迪2007年发布的2.5英寸32GB固态硬盘到2020年，消费者可以购买8tb的固态硬盘。难怪越来越多的消费者意识到，固态硬盘的容量有很大的势头可以赶超机械硬盘。虽然我们目前能买到的大容量固态硬盘可能是“不得人心”的QLC闪存产品，但固态硬盘本身的随机读写性能优势是机械硬盘无法比拟的，它也是在可预见的未来快速普及大容量固态硬盘的法宝。

QLC颗粒的容量高达1TB，使用寿命不是最重要的问题

至于玩家们担心的“生活问题”，我们可以将最早使用TLC闪存的三星840evo与最早使用QLC闪存的三星860qvo进行比较。前者1TB版本的官方耐用性值为72tbw，后者1TB版本的官方耐用性值已上升至72tbw360TBW，虽然两者都远远落后于三星870evo1tb版本的600tbw，但这也表明，凭借今天的主控技术和闪存技术，QLC的固态磁盘的寿命并不像预期的那么糟糕。值得一提的是，8tb容量的三星870qvo版本的耐久性价值高达2880tbw，通过每天写入1TB数据，可以使用近8年。

拙劣的写作速度是QLC“劝阻”消费者的主要原因

我们真正担心的是QLCSSD的外部性能缓慢下降。以我们评估的三星860qvo为例，其1TB版本的外部写入速度仅为80mb/s，低于机械硬盘。即使是4tb版本，外部写入速度也只有160MB/s，所以QLC的SSD仍然定位为存储盘，不适合频繁读写的工作环境。

随着SSD产品的不断改进和成熟，我们很长时间没有听到关于它是否会取代其他类型HDD的辩论。相反，我们看到越来越多的消费者在讨论什么样的SSD适合什么样的应用场景。这只是SSD真正融入我们生活的证据。

目前，消费SSD市场没有真正的垄断巨头。作为消费者，我们也可以享受“百花齐放”的红利。然而，随着pciegen5接口的升级和新型闪存的出现，新一轮的更新浪潮可能即将到来。让我们拭目以待。