聊聊硬件系列—固态硬盘

聊聊硬件系列—固态硬盘

Tans 978 2023-07-19

聊聊硬件这个系列准备记录以下第一次装机过程中的学到的东西以及踩的一些坑,包括CPU、内存、SSD、显卡等内容。希望通过本系列,大家可以组装一台适合自己的生产力工具or快乐源泉!

目录

SSD(Solid-state drive)

主要品牌:三星、西部数据、爱国者、致态、凯侠

购买固态时,应该从固态颗粒、主控固件、有无独缓、接口等方面来筛选。实际使用时,也应掌握工具使用来测量其实际工作的性能。下面将从颗粒、独缓、接口协议以及工具使用几个话题来聊聊日常固态的选购指南。

闪存颗粒

闪存颗粒是存储实际数据的半导体器件,是固态最重要的元件。全球生产固态颗粒的厂商有三星、海力士、东芝(铠侠)、闪迪(西数)、英特尔、美光(英睿达)以及长江存储(致钛)等几家。

如果你想支持国产的话,一定不要忘记国货之光—致钛

闪存颗粒主要根据其存储信息数量的多少进行分类,比较常见的有以下几种:

  • SLC (single-level cell) 每个Cell存储1bit信息,结构简单,各项性能优秀但是价格高
  • MLC (multi-level cell) 每个Cell存储2bit信息,价格稍贵,性能对于SLC稍欠佳。
  • TLC (triple-level cell) 每个Cell存储3bit信息,成本和性能折中的方案,也是现在主流产品
  • QLC (quad-level cell) 每个Cell存储4bit信息,写入速度较慢,价格较便宜。

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固态颗粒按照数据稳定性、速度以及价格排序为SLC>MLC>TLC>QLC。日常购买使用其实不必太多纠结,现在家用级别固态主要是TLC颗粒,当然如果你很壕,可以入手一块SLC固态作为系统盘使用。但是对于一般场景,其体验差距不大(别忘了还有内存这个老大哥呢!)

独立缓存

视频可看硬件茶谈,将固态硬盘看作是计算机系统,固态主控比作是CPU,NAND颗粒比作是“磁盘”,而固态缓存就是内存。当写入数据时,先写入缓存,然后再写入NAND。

关于固态缓存,可以分为DRAM缓存SLC缓存

  1. DRAM缓存 使用DRAM器件作为外置缓存,特点是价格较贵成本高,但是速度较快。
  2. SLC缓存 TLC有三电子态,而SLC是一电子态,因此SLC读写速度比TLC快,可用TLC颗粒模拟SLC做缓存。缺点是会造成写放大,导致缓存区域颗粒损耗加快3倍。也可以使用MLC、QLC模拟成SLC颗粒来提升读取速度。优点是成本低,是目前中低端固态所采用的方案。

当采用模拟SLC方案来实现缓存时,会分配一定容量作为缓存区。当写入数据时,会先写入SLC缓冲区,然后再由后台去缓慢写入TLC,并释放SLC所占用的空间。

而当写速度过大时,SLC缓冲区被写满,此时SSD性能就会下降至直接写TLC水平,这就产生了缓外掉速的说法。

因此,一般推荐使用带缓存的大品牌固态硬盘作为系统盘。而游戏盘可以选用中低端、容量大的无缓盘。

接口分类

购买固态硬盘时,通常商品详情页会看到许多参数,比如PCIe、Nvme、M.2、SATA等字眼。这些参数主要是和固态接口相关的术语。此节将对固态的常用接口做简要说明。对于不同接口,其中区别主要体现在外观尺寸、支持通道以及支持协议,这些都是选购固态硬盘的最重要的参数,这些参数也经常会出现主板支持参数上。

这些参数通常让人眼花缭乱,下面一张图来解释各个参数所代表的含义:

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上图中,物理接口就是规定接口的形状大小、总线就是主板上支持的物理传输通道类型、接口协议规定SSD使用物理数据通道的规则。

SSD的物理接口主要分为:SATA 3、M.2、PCIe、U.2。此部分下面会逐一说明。

SSD的总线类型主要分为:SATA (绝大部分主板都支持)、PCIe3.0/4.0(需要特定主板支持)。我们也称之为总线类型、数据通道类型等。SATA总线理论速度600MB/s、以PCIe 3.0×4总线为例,它的带宽高达32Gbp。因此

SSD的协议类型主要规定数据该怎么走,是串行还是并行等等。主流协议分为:

  • Nvme : 通常是SSD接入PCIe数据通道所使用的软硬件标准,特点主要是使用PCIe总线和数据传输并行性。(流行的m.2接口都是采用此协议)。
  • AHCI : 速度较慢,通常是SSD接入SATA通道所使用的协议。

SATA3.0接口

下图是SATA接口的基本外观,其中金手指包括两部分,左边的短的插槽是数据引脚,右边长插槽是电源引脚。其中数据线通常是购买主板时附带的,电源线通常是购买电源时附带的。所以一般来直接购买的单块固态硬盘是只有硬盘主体的。

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SATA是目前最常用的固态硬盘接口,通常主板上会有多个SATA接口,理论最高数据传输速度是6Gbit/s,实际最速度约为600MB/s600MB/s 具体各个协议见下图。由于SATA固态硬盘的数据传输接口没有供电引脚,所以需要独立供电。一般来说SATA接口的固态硬盘价格比较低。下表显示了不同接口的最高传输速率以及其他指标。

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M.2

M.2是目前最主流的接口。主要优点在于体积小巧,性能出色,在笔记本电脑和台式机上经常用到。也是推荐购买的一类固态。

M.2接口类型分为两种: 支持SATA通道的与Nvme通道的。其中前者的速度只有6Gbps6Gbps带宽,与普通的SATA固态硬盘差别不大,只是外观尺寸不一样。下面两张图是分别支持PCIe通道和SATA通道的固态硬盘:

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除了通道不一样之外,其长度也有不同,分别由2242、2260、2280三种,一般来说PCB越长那么颗粒越多,容量就越大。

U.2接口

作为一款比较先进的接口, 最高传输速率是32Gbps32Gbps,是目前固态硬盘传输速率最快的。虽然它与SATA接口很像,但是它采用Nvme协议并且走PCIe通道,所以速率都是远超一般SATA接口固态的。缺点是这块接口的固态现在还不常见,并且一般主板都没有配备U.2接口,需要用到转接卡来接入主板。

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PCIe接口

PCIe凭借着其天然的接口优势可以直接接入PCIe通道,PCIe3.0 x 4通道速度高达32Gbps32Gbps,带来了极高传输速度。但是该接口的固态硬盘主要用于企业级市场,消费级市场没有多少需求。其价格通常是5000元以上。但是相信在不久的将来,此类硬盘可以下放到中高端消费市场。

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性能测试

性能测试主要是测试固态的实际读写速度,温控以及其他指标。主流测试软件包括AS SSD BenchmarkCrystal DiskMark。在ldtools都提供了下载链接。下面通过测试结果来对参数和指标来进行说明。

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  • 读写方式: 分为顺序(sequences)和随机(random)两种方式。分别反应读取连续大文件和分散小文件时的场景。
  • 数据大小:单次读取读/写的大小。其中$$总读写次数=\frac{测试总量} {单次大小}$$
  • 队列深度:OS先将不同随机读/写 请求加入缓冲请求队列,进行异步的落盘操作。当队列深度为1时,就是单次随机读(每发送一次IO请求,就进行落盘一次)。此参数的具体参考了关于队列深度的解释
  • 线程数:模拟多个线程同时进行IO请求操作。

另外,如果想了解关于固态的其他指标和信息,可以使用CrystalDiskInfo工具来进行查看,例如笔者的一块垃圾固态信息:

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注意大家所说的 0E 错误就是上图中 ID为0E的计数项值,通常来说此项的原始值为0

因此,由于固态硬盘的连续读写速度都比较高,**真正首要评判SSD性能的参数是4K随机读的速度,然后是4K随机写和连续写的速度,其中4K随机读的成绩基本决定了SSD的性能高下。**当然最贴切实际的测试,还是加载PS等一些大型游戏和软件的时长,这部分可以参考产品的具体测评。

热门产品

  • 海力士 P44 pro
  • 三星 980、970 系列
  • 致钛 5000、 7000系列
  • 西部数据 SN570等

总结

总结以下我们学习了那些术语:

  • 闪存颗粒 tlc、qlc、mlc、slc
  • 独立缓存,DRAM缓存、模拟SLC缓存
  • 协议接口
    • 接口类型 M.2、U.2、SATA、PCIe
    • 总线类型 PCIe(3.0、4.0)、SATA
    • 协议类型 AHCI、Nvme
  • 性能测试
    • 随机读写 该指标表示存放在不同在地方的小文件的性能
    • 连续读写 该指标表示读取连续大文件的性能

同时,也提到了跑分的参数解析、0E错误查看等内容,希望此篇文章大家对固态有了一定的基础了解。

参考资料