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从20MB小可爱到100TB巨兽 细数30年固态硬盘进化之路

不知道大伙是否还记得自己的第一个固态硬盘有多大?自1991年闪迪发售第一款商用SSD开始,商用固态硬盘的发展已…

不知道大伙是否还记得自己的第一个固态硬盘有多大?自1991年闪迪发售第一款商用SSD开始,商用固态硬盘的发展已经在不知不觉间超过了30年。

每次谈起固态硬盘,总难免要说到颗粒、主控的内容,我们很容易掉进“唯颗粒论”的怪圈,却忽视了这些年来相关技术的发展。

实际上随着主控与颗粒技术的不断进化,固态硬盘产品早已实现了精细化场景分类,下面我们就从闪存、闪存类型、主控这几个方面来聊聊固态硬盘这些年有哪些改变。

闪存颗粒 “超进化”:从2D NAND到3D NAND

聊起固态硬盘就有个无法绕开的话题坎,那就是玩家们经常讨论到“颗粒”。

资深的玩家们应该知道,固态硬盘经常被讨论到的芯片包括主控、闪存和DRAM,而关于颗粒的讨论恰恰又是最高的那个。

目前被广泛讨论的闪存颗粒其实属于NAND闪存,该类型的闪存自2009年出现在固态硬盘上至今,已经被广泛应用到我们日常使用的个人电脑上。

NAND闪存的工作方式有个特点,就是如果我们要给已经写入数据的闪存再写入数据,需要先把它的数据擦除,才能重新写入。

随着被擦出和写入的次数增多,NAND闪存会有耗损,这也是固态硬盘寿命用“擦写次数”来形容的原因。

早期的NAND闪存都是铺设在平面上的,被称作“2D NAND”。

举个不太恰当的例子,就像咱们设计停车场的停车位一样,这个停车场能容纳的车位都是有限的,为了应对越来越大的停车(数据存储)需求,那只好做多层的停车场,一层不够那就做二层甚至三层。

在2D NAND时代,厂商为了尽量利用好有限的面积只有不断用新工艺,但随着串扰等问题导致闪存颗粒不再能单纯依靠工艺进步带来提升,东芝和三星开始押注3D NAND(三星将其称作V-NAND)。

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NAND闪存也同理,“2D NAND”的容量是有限的,那就做“3D NAND”,目前镁光已经实现了176层NAND量产,闪存密度以及成本压缩达到了空前高度。

在不久的未来,192层NAND也即将量产,届时更高容量、成本更低的固态硬盘有望诞生。

商用闪存类型多样化在争议声中成长的闪存类型:从SLC到QLC

根据工作原理,其数据储存在半导体单元内,其中已经被广泛商用的类型主要有四种,分别是SLC、MLC、TLC、QLC,其中SLC属于1bit/cell,MLC属于2bit/cell,TLC属于3bit/cell,QLC属于4bit/cell。

这个数值的意思是每个储存单元的数据,比如SLC一个单元只有一位数据,单个储存单元内的数据位数越多,就要求主控控制的精度越高。

因此SLC颗粒的耐用度P/E(寿命)、速度以及成本都是各类型中最高的,这些参数随着单元内数据的增加而减少,从MLC到TCL再到QLC,未来甚至还有5bit/cell的PLC成为商用产品。

通过数据对比知道,SLC NAND闪存的擦写次数在10000次以上,MLC NAND闪存的擦写次数在3000-10000之间,TLC闪存的擦写次数在1000-3000之间,QLC NAND闪存的擦写次数在1000次以内。

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在目前固态硬盘的应用场景中,使用纯SLC NAND闪存的固态硬盘基本面向军用或者商用了。

而MLC则大多以高端消费级产品和商用产品为主,应付咱们日常使用需求的固态硬盘,TLC NAND足矣,至于QLC NAND闪存的固态硬盘嘛,优点是容量足够大,寿命的短板也可以被部分弥补。

就拿三星为例,他家的固态硬盘就涵盖了这四种闪存类型,各自的代表分别为采用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。

在聊到闪存类型的时候,玩家们常常“意难平”于消费级MLC闪存产品逐渐转向商用,TLC闪存和QLC闪存开始成为消费级主流。

这个过程的确一直以来都备受争议,但不可否认的是,消费者如今能用更少的钱买到容量更大,性能更高的固态硬盘产品。

主控芯片大升级:从技术完善,读写速度暴增几十倍

厂商能放心地使用理论寿命更低的TLC和QLC闪存,原因是主控芯片愈发强大,我们能看到大多数固态硬盘参数都离不开主控,比如读写速度快慢、接口协议、TRIM支持、磨损平衡以及垃圾回收机制等。

从过去费用高昂,读取速度仅有1、200MB/s的SATA固态硬盘,到如今顺序读取速度突破7000MB/s的PCIe 4.0固态硬盘,这些直观的参数进化离不开固态硬盘主控的不断升级。

固态硬盘的主控属于整个产品的“中枢大脑”,一方面他要通过外部接口与主机进行数据通信,接收和处理主机的明令,另一方面他还要管理“不那么智能”的闪存,更快速妥当地存储数据,并兼顾闪存寿命。

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从固态硬盘主控诞生至今,这个芯片已经得到了飞速发展,并支持更多保障数据完整和数据安全、监控硬盘健康、延长闪存颗粒寿命的技术,比如TRIM、S.M.A.R.T技术、坏块管理、LDPC纠错、断电保护等等。

正因为有了愈发强大的主控,过去长期被消费者鄙夷的TLC固态硬盘才得以“翻身”成为目前消费级固态硬盘的主流,甚至催生了一批得到用户认可的高端固态硬盘。

主控芯片如此重要,对主控的研发能力也就成为了储存产品开发厂商的硬实力体现。

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目前既有自研主控同样输出消费级产品的代表,自然是拥有强大供应链的三星,其自研主控只应用在自家产品上。

目前被应用在三星980 Pro上的Elpis主控,在搭配V-NAND 3-bit MLC闪存(即TLC)以及2GB DDR4 SDRAM时,可实现最高7000MB/s的顺序读取速度和5100MB/s的顺序写入速度。

此外,马牌、联芸、群联、慧荣等主流一二线厂商,也针对不同定位提供了丰富的主控产品供第三方厂商采购,部分厂商还提供一站式的整合方案。

市面上的固态硬盘产品能呈现出百花齐放之势,也离不开一众主控方案提供商的努力。

单盘容量大跨越:从2007年的32GB到2020年的8TB

前面铺垫的那么多技术性的概念,对于咱们普通消费者来说,聊起硬盘首先想到的就是容量,毕竟作为影响咱们储存资料多少最直观表现,容量的变迁就是上面提到的闪存、主控等因素综合体现。

回归到标题上,世界上第一个商用固态硬盘在1991年由闪迪推出,它的容量只有20MB。

到了2018年,由Nimbus Data推出的ExaDrive DC100 SSD具备了正如其名的惊人容量,这个100不是代表100GB,而是100TB!

这27年间商用级固态硬盘的容量翻了百万倍,如果说商用产品距离咱们消费者端太远,那不妨回到消费级产品。

从2007年闪迪发布的2.5寸32GB固态硬盘,到2020年,消费者已经能买到8TB容量的固态硬盘,也怪不得越来越多消费者感知到,现在的固态硬盘的容量已经大有赶超机械硬盘的势头。

虽然目前我们能买到的大容量固态硬盘大概率是“不受待见”的QLC闪存产品,但是固态硬盘本身随机读写性能优势是机械硬盘难以比拟的,也是在可预见的未来里,帮助大容量固态硬盘迅速普及的法宝。

至于玩家么担心的“寿命问题”,我们可以将当年初次使用TLC闪存的三星840 EVO与初次使用QLC闪存的860 QVO做对比,前者的1TB版本官方耐用值为72TBW,而后者1TB版本耐用值已经涨到360TBW。

虽然两者均远远落后于三星870 EVO 1TB版本的600TBW,但这也说明凭借如今的主控技术及闪存工艺,QLC固态盘的寿命没有想象中糟糕。

值得再提一下的是,8TB容量版的三星870 QVO耐用值高达2880TBW,按每天写入1TB数据来算也能使用将近8年。

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我们真正担心的是QLC固态硬盘的缓外性能衰减,以咱们评测过的三星860 QVO为例,其1TB版本的缓外写入速度只有80MB/s,这已经是低于机械硬盘的水平了。

即便是4TB版本,其缓外写入速度也仅有160MB/s,所以目前QLC固态硬盘的定位依旧是储物盘,不太适宜频繁读写的作业环境。

总结:固态硬盘早已融入生活

随着固态硬盘产品的不断改进和成熟,我们已经很久没有再听到过它是否会取代其他类型硬盘的争论。

取而代之的是,我们见到越来越多的消费者在讨论何种固态硬盘适合用在何种应用场景,这恰恰是固态硬盘真正融入到我们生活的证明。

目前消费级固态硬盘市场尚未有真正垄断级的巨头诞生,作为消费者的我们还能享受“百花齐放”的红利。

不过随着PCIe Gen5接口的升级,以及新型闪存的出现,或许新一轮的更新潮就要到来,就让我们拭目以待吧。

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作者: 趣科技号

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