從20MB小可愛到100TB巨獸 細(xì)數(shù)固態(tài)硬盤進(jìn)化之路

不知道大伙是否還記得自己的第一個(gè)固態(tài)硬盤有多大？自1991年閃迪發(fā)售第一款商用SSD開始，商用固態(tài)硬盤的發(fā)展已經(jīng)在不知不覺間超過了30年。每次談起固態(tài)硬盤，總難免要說到顆粒、主控的內(nèi)容，我們很容易掉進(jìn)“唯顆粒論”的怪圈，卻忽視了這些年來相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

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實(shí)際上隨著主控與顆粒技術(shù)的不斷進(jìn)化，固態(tài)硬盤產(chǎn)品早已實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化場(chǎng)景分類，下面我們就從閃存、閃存類型、主控這幾個(gè)方面來聊聊固態(tài)硬盤這些年有哪些改變。

閃存顆粒“超進(jìn)化”：從2D NAND到3D NAND

聊起固態(tài)硬盤就有個(gè)無法繞開的話題坎，那就是玩家們經(jīng)常討論到“顆粒”。資深的玩家們應(yīng)該知道，固態(tài)硬盤經(jīng)常被討論到的芯片包括主控、閃存和DRAM，而關(guān)于顆粒的討論恰恰又是最高的那個(gè)。目前被廣泛討論的閃存顆粒其實(shí)屬于NAND閃存，該類型的閃存自2009年出現(xiàn)在固態(tài)硬盤上至今，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到我們?nèi)粘Ｊ褂玫膫€(gè)人電腦上。

右側(cè)兩顆黑色芯片就是閃存顆粒

NAND閃存的工作方式有個(gè)特點(diǎn)，就是如果我們要給已經(jīng)寫入數(shù)據(jù)的閃存再寫入數(shù)據(jù)，需要先把它的數(shù)據(jù)擦除，才能重新寫入。隨著被擦出和寫入的次數(shù)增多，NAND閃存會(huì)有耗損，這也是固態(tài)硬盤壽命用“擦寫次數(shù)”來形容的原因。

早期的NAND閃存都是鋪設(shè)在平面上的，被稱作“2D NAND”。舉個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦樱拖裨蹅冊(cè)O(shè)計(jì)停車場(chǎng)的停車位一樣，地的面積固定的情況下無論路線如何精妙，這個(gè)停車場(chǎng)能容納的車位都是有限的，為了應(yīng)對(duì)越來越大的停車（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）需求，那只好做多層的停車場(chǎng)，一層不夠那就做二層甚至三層。在2D NAND時(shí)代，廠商為了盡量利用好有限的面積只有不斷用新工藝，但隨著串?dāng)_等問題導(dǎo)致閃存顆粒不再能單純依靠工藝進(jìn)步帶來提升，東芝和三星開始押注3D NAND（三星將其稱作V-NAND）。

3D NAND有助于降低成本

NAND閃存也同理，“2D NAND”的容量是有限的，那就做“3D NAND”，目前鎂光已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了176層NAND量產(chǎn)，閃存密度以及成本壓縮達(dá)到了空前高度，在不久的未來，192層NAND也即將量產(chǎn)，屆時(shí)更高容量、成本更低的固態(tài)硬盤有望誕生。

商用閃存類型多樣化在爭(zhēng)議聲中成長(zhǎng)的閃存類型：從SLC到QLC

根據(jù)固態(tài)硬盤的工作原理，其數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在半導(dǎo)體單元內(nèi)，其中已經(jīng)被廣泛商用的類型主要有四種，分別是SLC、MLC、TLC、QLC，其中SLC屬于1bit/cell，MLC屬于2bit/cell，TLC屬于3bit/cell，QLC屬于4bit/cell。這個(gè)數(shù)值的意思是每個(gè)儲(chǔ)存單元的數(shù)據(jù)，比如SLC一個(gè)單元只有一位數(shù)據(jù)，單個(gè)儲(chǔ)存單元內(nèi)的數(shù)據(jù)位數(shù)越多，就要求主控控制的精度越高。

圖片來源wikipedia

因此SLC顆粒的耐用度P/E（壽命）、速度以及成本都是各類型中最高的，這些參數(shù)隨著單元內(nèi)數(shù)據(jù)的增加而減少，從MLC到TCL再到QLC，未來甚至還有5bit/cell的PLC成為商用產(chǎn)品。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以更直觀地知道不同類型的NAND閃存的參數(shù)差異，SLC NAND閃存的擦寫次數(shù)在10000次以上，MLC NAND閃存的擦寫次數(shù)在3000-10000之間，TLC閃存的擦寫次數(shù)在1000-3000之間，QLC NAND閃存的擦寫次數(shù)在1000次以內(nèi)。

在目前固態(tài)硬盤的應(yīng)用場(chǎng)景中，使用純SLC NAND閃存的固態(tài)硬盤基本面向軍用或者商用了，而MLC則大多以高端消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品和商用產(chǎn)品為主，應(yīng)付咱們?nèi)粘Ｊ褂眯枨蟮墓虘B(tài)硬盤，TLC NAND足矣，至于QLC NAND閃存的固態(tài)硬盤嘛，優(yōu)點(diǎn)是容量足夠大，單次完全擦寫周期被延長(zhǎng)了，那壽命的短板也可以被部分彌補(bǔ)。

QLC顆粒讓固態(tài)硬盤容量再上一個(gè)高度

就拿產(chǎn)品類型十分豐富的三星為例，他家的固態(tài)硬盤就涵蓋了這四種閃存類型，各自的代表分別為采用MLC 3D NAND的三星970 Pro、采用TLC 3D NAND的三星980/三星860 EVO以及采用QLC 3D NAND的三星860 QVO。

消費(fèi)級(jí)MLC固態(tài)硬盤銳減成了消費(fèi)者心中的“意難平”，圖片來源unsplash

在聊到閃存類型的時(shí)候，玩家們常常“意難平”于消費(fèi)級(jí)MLC閃存產(chǎn)品逐漸轉(zhuǎn)向商用，TLC閃存和QLC閃存開始成為消費(fèi)級(jí)主流。這個(gè)過程的確一直以來都備受爭(zhēng)議，但不可否認(rèn)的是，消費(fèi)者如今能用更少的錢買到容量更大，性能更高的固態(tài)硬盤產(chǎn)品。

主控芯片大升級(jí)：從技術(shù)完善，讀寫速度暴增幾十倍

廠商們能放心地使用理論壽命更低的TLC和QLC閃存，主要原因是主控芯片愈發(fā)強(qiáng)大，我們能看到的大多數(shù)固態(tài)硬盤參數(shù)都離不開主控，比如讀寫速度快慢、接口協(xié)議、TRIM支持、磨損平衡以及垃圾回收機(jī)制等等。從過去費(fèi)用高昂，讀取速度僅有1、200MB/s的SATA固態(tài)硬盤，到如今順序讀取速度突破7000MB/s的PCIe 4.0固態(tài)硬盤，這些直觀的參數(shù)進(jìn)化離不開固態(tài)硬盤主控的不斷升級(jí)。

來源聯(lián)蕓官網(wǎng)

固態(tài)硬盤的主控屬于整個(gè)產(chǎn)品的“中樞大腦”，一方面他要通過外部接口與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收和處理主機(jī)的明令，另一方面他還要管理“不那么智能”的閃存，更快速妥當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)數(shù)據(jù)，并兼顧閃存芯片的壽命。

我們看到的固態(tài)硬盤參數(shù)更像主控參數(shù)的“復(fù)刻”，圖源聯(lián)蕓官網(wǎng)

生澀抽象的概念不好懂，對(duì)咱們普通消費(fèi)者更重要的是，從固態(tài)硬盤主控誕生至今，這個(gè)芯片已經(jīng)得到了飛速發(fā)展，并支持更多保障數(shù)據(jù)完整和數(shù)據(jù)安全、監(jiān)控硬盤健康、延長(zhǎng)閃存顆粒壽命的技術(shù)，比如TRIM、S.M.A.R.T技術(shù)、壞塊管理、LDPC糾錯(cuò)、斷電保護(hù)等等。

正因?yàn)橛辛擞l(fā)強(qiáng)大的主控，過去長(zhǎng)期被消費(fèi)者鄙夷的TLC固態(tài)硬盤才得以“翻身”成為目前消費(fèi)級(jí)固態(tài)硬盤的主流，甚至催生了一批得到用戶認(rèn)可的高端固態(tài)硬盤。主控芯片如此重要，對(duì)主控的研發(fā)能力也就成為了儲(chǔ)存產(chǎn)品開發(fā)廠商的硬實(shí)力體現(xiàn)。

Elpis主控是目前三星的當(dāng)家旗艦

目前既有自研主控同樣輸出消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的代表，自然是擁有強(qiáng)大供應(yīng)鏈的三星，其自研主控只應(yīng)用在自家產(chǎn)品上，目前被應(yīng)用在三星980 Pro上的Elpis主控，在搭配V-NAND 3-bit MLC閃存（即TLC）以及2GB DDR4 SDRAM時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最高7000MB/s的順序讀取速度和5100MB/s的順序?qū)懭胨俣取?/p>

此外，馬牌、聯(lián)蕓、群聯(lián)、慧榮等主流一二線廠商，也針對(duì)不同定位提供了豐富的主控產(chǎn)品供第三方廠商采購(gòu)，部分廠商還提供一站式的整合方案。市面上的固態(tài)硬盤產(chǎn)品能呈現(xiàn)出百花齊放之勢(shì)，也離不開一眾主控方案提供商的努力。

單盤容量大跨越：從2007年的32GB到2020年的8TB

前面鋪墊的那么多技術(shù)性的概念，但不得不承認(rèn)，對(duì)于咱們普通消費(fèi)者來說，聊起硬盤首先想到的就是容量，畢竟作為影響咱們儲(chǔ)存資料多少最直觀表現(xiàn)，容量的變遷就是上面提到的閃存、主控等因素綜合體現(xiàn)。

回歸到標(biāo)題上，世界上第一個(gè)商用固態(tài)硬盤在1991年由閃迪推出，它的容量只有20MB，到了2018年，由Nimbus Data推出的ExaDrive DC100 SSD具備了正如其名的驚人容量，這個(gè)100不是代表100GB，而是100TB！這27年間商用級(jí)固態(tài)硬盤的容量翻了百萬倍，如果說商用產(chǎn)品距離咱們消費(fèi)者端太遠(yuǎn)，那不妨回到消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。

這個(gè)硬盤能放多少“資料”呢，圖片來源網(wǎng)絡(luò)

從2007年閃迪發(fā)布的2.5寸32GB固態(tài)硬盤，到2020年，消費(fèi)者已經(jīng)能買到8TB容量的固態(tài)硬盤，也怪不得越來越多消費(fèi)者感知到，現(xiàn)在的固態(tài)硬盤的容量已經(jīng)大有趕超機(jī)械硬盤的勢(shì)頭。雖然目前我們能買到的大容量固態(tài)硬盤大概率是“不受待見”的QLC閃存產(chǎn)品，但是固態(tài)硬盤本身隨機(jī)讀寫性能優(yōu)勢(shì)是機(jī)械硬盤難以比擬的，也是在可預(yù)見的未來里，幫助大容量固態(tài)硬盤迅速普及的法寶。

一枚QLC顆粒容量高達(dá)1TB，使用壽命已不是最該關(guān)心的問題

至于玩家么擔(dān)心的“壽命問題”，我們可以將當(dāng)年初次使用TLC閃存的三星840 EVO與初次使用QLC閃存的三星860 QVO做對(duì)比，前者的1TB版本官方耐用值為72TBW，而后者的1TB版本官方耐用值已經(jīng)漲到360TBW，雖然兩者均遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于三星870 EVO 1TB版本的600TBW，但這也說明憑借如今的主控技術(shù)及閃存工藝，QLC固態(tài)盤的壽命沒有想象中糟糕。值得再提一下的是，8TB容量版的三星870 QVO耐用值高達(dá)2880TBW，按每天寫入1TB數(shù)據(jù)來算也能使用將近8年。

緩?fù)鈱懭胨俣炔焕硐胧荙LC“勸退”消費(fèi)者的主要原因

我們真正擔(dān)心的是QLC固態(tài)硬盤的緩?fù)庑阅芩p，以咱們?cè)u(píng)測(cè)過的三星860 QVO為例，其1TB版本的緩?fù)鈱懭胨俣戎挥?0MB/s，這已經(jīng)是低于機(jī)械硬盤的水平了，即便是4TB版本，其緩?fù)鈱懭胨俣纫矁H有160MB/s，所以目前QLC固態(tài)硬盤的定位依舊是儲(chǔ)物盤，不太適宜頻繁讀寫的作業(yè)環(huán)境。

總結(jié)：固態(tài)硬盤早已融入生活

隨著固態(tài)硬盤產(chǎn)品的不斷改進(jìn)和成熟，我們已經(jīng)很久沒有再聽到過它是否會(huì)取代其他類型硬盤的爭(zhēng)論，取而代之的是，我們見到越來越多的消費(fèi)者在討論何種固態(tài)硬盤適合用在何種應(yīng)用場(chǎng)景，這恰恰是固態(tài)硬盤真正融入到我們生活的證明。

目前消費(fèi)級(jí)固態(tài)硬盤市場(chǎng)尚未有真正壟斷級(jí)的巨頭誕生，作為消費(fèi)者的我們還能享受“百花齊放”的紅利。不過隨著PCIe Gen5接口的升級(jí)，以及新型閃存的出現(xiàn)，或許新一輪的更新潮就要到來，就讓我們拭目以待吧。

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