最全的机械硬盘和固态硬盘知识

机械硬盘和固态硬盘

硬盘分类

硬盘分为固态硬盘（SSD）和机械硬盘（HDD）；
SSD采用闪存颗粒来存储，HDD采用磁性碟片来存储。

固态硬盘对比机械硬盘

1、防震抗摔性：目前的机械硬盘都是磁碟型的，数据储存在磁碟扇区里。而固态硬盘是使用闪存颗粒（即目前内存、MP3、U 盘等存储介质）制作而成，所以 SSD 固态硬盘内部不存在任何机械部件，这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用，而且在发生碰撞和震荡时能够将数据丢失的可能性降到最小。相较机械硬盘，固硬占有绝对优势。
2、数据存储速度：从 PConline 评测室的评测数据来看，固态硬盘相对机械硬盘性能提升 2 倍多。
3、功耗：固态硬盘的功耗上也要高于机械硬盘。
4、重量：固态硬盘在重量方面更轻，与常规 1.8 英寸硬盘相比，重量轻 20-30 克。
5、噪音：由于固硬属于无机械部件及闪存芯片，所以具有了发热量小、散热快等特点，而且没有机械马达和风扇，工作噪音值为 0 分贝。机械硬盘就要逊色很多。
6、价格：目前市场上 80G Intel 固态硬盘，价格为 4000 元左右。而这个价钱足够买几个容量为 1TB 的机械硬盘了。
7、容量：固态硬盘目前最大容量仅为 256G(目前 IBM 公司已经开始测试容量为 4TB 的高速固态硬盘组)，和机械硬盘最大按 TB 容量衡量相比差距很大。
8、使用寿命：SLC 只有 10 万次的读写寿命，成本低廉的 MLC，读写寿命仅有 1 万次；比起机械硬盘毫无优势可言。

机械硬盘

即是传统普通硬盘，主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。

机械硬盘，英文名Hard Disk Drive，是电脑上使用坚硬的旋转盘片为基础的非挥发性存储设备，它在平整的磁性表面存储和检索数字数据，信息通过离磁性表面很近的磁头，由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，同时信息可以通过相反的方式读取，例如读头经过纪录数据的上方时磁场导致线圈中电气信号的改变。

其读写是采用随机存取的方式，因此可以以任意顺序读取硬盘中的数据。机械硬盘内部包括一至数片高速转动的磁盘以及放在执行器悬臂上的磁头。根据其实现原理，我们不难发现现代机械硬盘的工作方式就如同其名称一般，是通过机械方式来实现，即电动马达驱动盘片高速旋转，再辅以磁头的操作来存取数据。

机械硬盘外部插口：

SATA数据线插口：与主板连接，用来传输数据。

SATA分别有SATA 1.5Gbit/s、SATA 3Gbit/s和SATA 6Gbit/s三种规格传输速率也不同。

SATA供电插口：与电源连接，用来给硬盘供电。台式机硬盘5V/12V,笔记本硬盘5V

机械硬盘的常见故障：

上图我们可以看到，只要硬盘内进入任何灰尘，都会导致磁头损坏，盘片划伤，所以为什么硬盘内部是半真空状态，当我们硬盘需要开盘做数据恢复的时候，也需要无尘的工作室。我们在硬盘工作时突然断电，震动，跌落，磕碰，就容易导致在盘片上读取和工作的磁头晃动，然后划伤磁盘，或者磁头损坏。

电源质量差也是硬盘的一大杀手，由于电源输出不稳定，会影响硬盘工作时磁头的异常抖动，从而导致磁头与盘片的接触面发生摩擦和碰撞。加速硬盘老化，增加故障率。

所以机械硬盘的使用寿命，与正常的保养和使用，有很大的关系，虽然机械硬盘存在老化现象，但只要不是高强度运行下，普通消费者的机械硬盘保养得当，基本都能达到7-10年以上的寿命。

常见普通机械硬盘型号：

我们以WD为例。红盘，紫盘，蓝盘，黑盘，金盘，大致的工作和制造原理基本相同。

只是在厂商制造的时候，加入了一些特殊工艺和运行特点，让某一种型号的硬盘更适合某些特殊的工作环境要求，比如常见的WD蓝盘，就是我们日常使用常见硬盘，特点就是性能，价格，耐久性方面找到一个均衡。WD黑盘，属于高性能硬盘。紫盘应用于监控。金盘应用于企业等等。大家按照实际需求采购就可以。

机械硬盘的主要制造商

希捷Seagate 西部数据Western Digital 东芝Toshiba 日立HITACHI

而IBM个人硬盘部门在2003年被日立收购，迈拓2006年被希捷收购，富士通2009年被东芝收购，日立2011年被西部数据收购改名HGST，三星2013年被希捷收购
在服务器硬盘上大家或许还能看到DELL，Lenovo，HP等厂商标识的服务器硬盘，基本也是上面4家硬盘厂商代工

固态硬盘

固态硬盘（Solid State Disk或Solid State Drive），也称作电子硬盘或者固态电子盘，是由控制单元和固态存储单元（DRAM或FLASH芯片）组成的硬盘。

固态硬盘分易失性与非易失性两种，这里我们着重研究更适合作为传统硬盘替代品的非易失性固态硬盘。非易失性固态硬盘中数据的存取主要由NAND Flash及其主控芯片来实现，没有活动的机械部件，为纯芯片结构。

固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与机械硬盘的相同，在产品外形和尺寸上也与机械硬盘一致。

由于固态硬盘没有机械硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳。其芯片的工作温度范围很宽（-40~85摄氏度）

SSD发展历程

SSD发展主要围绕颗粒类型、容量大小、封装缓存技术等进行。

SSD内部结构：主控芯片、闪存芯片、固件算法

主控

SSD主控本质是一颗处理器，类似于电脑CPU，主要基于ARM架构，也有部分SSD厂家的主控采用RISC架构，使其具备CPU级别的运算能力。

其具体作用表现在：一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，让所有的闪存颗粒都能够在一定负荷下正常工作，协调和维护不同区块颗粒的协作，
二是承担了整个数据中转，连接闪存芯片和外部SATA接口，三是负责固态硬盘内部各项指令的完成，诸如trim、CG回收、磨损均衡。

一款主控芯片的好坏直接决定了固态硬盘的实际体验和使用寿命。主控芯片的技术门槛较高，所以主控品牌比较少，目前主流主控品牌有慧荣、群联、Marvell、三星。

慧荣/群联：慧荣和群联是两家台湾主控公司，其主控成本低廉，受到很多国产SSD的欢迎，涉及厂家包括但不限于：浦科特、七彩虹、影驰、台电、光威、铭瑄等。
Marvell主控： Marvell隶属于高端系列，早期产品只用于企业级，现在应用在浦科特、闪迪、英睿达固态硬盘中。技术实力雄厚，主控质量稳定，但是相应的固态硬盘的价格也比较昂贵。
三星主控：三星主控只用在自家的SSD产品中，技术实力强悍。可以这么说，在SATA接口SSD中，三星860PRO读写速度最快，在NVMe固态硬盘中，三星960PRO读写速度最快。
瑞昱主控：同样是台系品牌，是一家新晋主控品牌，七彩虹部分SSD采用瑞昱主控方案。

固件算法

SSD固件是确保SSD性能的非常重要的一部分，主要用于驱动控制器。固件冗余存储至NAND闪存中，主控使用固件算法中的控制程序，去执行自动信号处理，耗损平衡，错误校正码(ECC)，坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备(如电脑)通信，以及执行数据加密等任务。当SSD制造商发布一个固件更新时，需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。

一款固态硬盘中颗粒对性能的影响约为60%，而固件的影响就会占到20%以上。高品质算法优秀的固件不仅仅是一项非常艰难的工作，而且也需要让闪存和主控之间达到完美的兼容，需要掌握闪存颗粒和主控等多项先进的技术。固件的品质越好，整个SSD的品质也就越出色。

能够独立开发固件的SSD厂商少，仅有三星、Intel、闪迪、英睿达、浦科特、东芝等，这是大厂带来的技术优势。

NAND闪存颗粒

闪存颗粒有很多不同的变种，固态硬盘最为常用的是NAND闪存颗粒。
NAND闪存分类（根据电子单元密度大小划分）：

SLC（单层次存储单元）

MLC（双层存储单元）、

TLC(三层存储单元)

QLC（四阶存储单元）

通过对闪存内最小的物理存储单元的电位划分不同的阶数，可以在一个存储单元内存储一至多个二进制位数。
即SLC一个单元只有两种状态（0或1）储存一位信息；
MLC中一个单元有四种状态（00/01/10/11）储存两位信息。
每个存储单元存储的二进制位数越多，寿命越短。（电压阈值较低可靠性差）

SLC模拟缓存

应对突发IO，主要是应对突发写入、免除等待。是无独立缓存时代的解决方案，牺牲一定的容量换取短暂的高性能；缓存大小可通过主控动态分配

TRIM

微软提出，因FLASH不支持实时覆盖写入而生，必须清空后才能使用。操作系统删除文件，发送指令给主控，相关数据区域被标记，后台根据实际情况进行数据清理（由固件决定实时清理还是延迟清理），TRIM指令默认都打开，打开后能一定程度保证写入性能。TRIM指令导致SSD数据误删除后难以恢复。

磨损平衡

减缓区域性的过度重复磨损；擦除次数实时预警
动态WL、静态WL、全局WL

3D-NAND

随着NAND制程越来越小，缩短制程提高存储密度已经非常困难。最新的NAND技术被称为3D-NAND，这种材料改变了2D-NAND单层的设计，将32层、64层NAND进行堆叠，从而提高存储密度。

固态硬盘的主要制造商

目前具备独立固件研发的SSD厂商并不多，仅有Intel、闪迪、英睿达、浦科特、OCZ、三星等厂商。

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