#頭條創作挑戰賽#

作為電腦的磁盤，分固态硬盤和機械硬盤。我們都知道固态硬盤快? 快多少? 為什麼快?本文深入淺出進行講解。

固态硬盤和機械硬盤是什麼？機械硬盤簡稱 HDD，是傳統的普通硬盤。由磁片，磁頭，控制電機組成。固态硬盤簡稱 SSD， 是新型的硬盤，由閃存，閃存控制器，高速緩存組成。

産品

固态硬盤是機械硬盤速度的30 倍，差異懸殊。完全是吊打機械硬盤。固态硬盤開機速度秒開，而機械硬盤開機就要幾十秒。不過這些是發燒級别的，價格太高， 還沒有普及。我更關注常見産品的速度。

上面的速度是指的 PCIE 的固态硬盤, PCIE 一直在發展，速度以倍數再增長。 新一代是上一代速度的兩倍。SATA固态硬盤現在處于一個尴尬的地位，大多數的sata固态硬盤的讀寫速度通常都在500M/S左右， 和最新的機械硬盤速度相差無幾，SATA 協議最後一次更新是 2009 年，久未更新， 一直沒有繼續發展。本文以 PCIE 進行講解。

先從不同角度列一下機械硬盤和固态硬盤和速度有關的差異點， 作為總覽。章節 3 會講解這些差異為何會帶來速度懸殊。

機械硬盤的存儲介質是用磁盤材料，利用磁場的方向不同，表示 0 和 1 的數據。操作的是原子。固态硬盤的存儲介質是用的閃存材料，利用晶體管來儲存電子來表示信息的，晶體管有電子和沒電子兩種狀态，表示 0 和 1 的數據。操作的是電子。

移動一個電子相比移動一個原子需要的能量較少，移動的速度更快。

機械硬盤讀一個數據需要盤片的轉動，還需要磁臂的擺動，這些都是機械運動，速度是比較慢的。

圖 1 機械硬盤内部構造:

固态硬盤讀一個數據，隻要閃存芯片控制器給閃存發一個命令， 閃存就給對應的晶體管給一個電壓，就可以讀出數據。這個速度就像電流一樣飛快。不需要機械運動。

圖2 SSD 内部構造:

機械硬盤同一時刻隻能讀一個數據， 這是因為它的磁頭一次隻能讀 1 個數據。固态硬盤内部其實有很多顆NAND Flash memory 陣列組成，每個閃存片都是可以并行讀出數據的。如圖 2 中有 8 顆 Flash memory， 這樣可以從閃存裡同一時刻可以讀 8 個數據。

閃存是在底層，光閃存内部讀取速度提高，并不能速度就快起來。 還要主機和硬盤之間的帶寬也快才行，主機和硬盤之間如果可以多個通道傳輸數據， 帶寬可以翻倍，帶寬越大， 速度越快。常見的是 4 通道。如果隻是閃存讀速度增加， 而主機和硬盤之間的速度不變快， 瓶頸就卡在和上層傳輸上。

固态硬盤通道數和帶寬的關系

圖3 固态硬盤通道數目:

機械硬盤隻有一個磁頭和主機傳輸數據， 換言之就隻有一個通道。

影響速度還有一個差别是頻率， 頻率就是每秒可以把時間片切成多少個， 每個時間片可以做一次事情。機械硬盤的轉速等效于頻率，轉速 7200 轉每秒， 等效于頻率 7200 Hz

固态硬盤的頻率是主要書閃存讀取頻率， 目前常見的 NV DDR3 是 1066 MHz。頻率越快， 速度越快。

上面提到的都是硬件方面的一些差異，導緻的速度差異。除了硬件， 軟件也是一方面原因。這裡軟件包括底層控制器固件 和 上層協議。

機械硬盤沒有存儲控制器 （ 電機控制器隻是控制電機，不算的啊）。控制器固件除了和上層傳輸命令/數據， 還和底層傳輸命令/數據， 最重要的是控制器固件會進行智能管理, 提高速度。

機械硬盤是SCSI 協議，是一個命令一個命令執行， 需要等上一個命令完成才能發下一個命令， 速度不能優化。固态硬盤是采用 PCIE， 主機有一個隊列可以放入 64000 個命令， 允許固态硬盤自己決定執行的順序，這給控制器進行性能優化提供了很多空間。

本文從不同角度分析機械硬盤和固态硬盤與速度有關的差别， 講解這些差異為何會帶來速度的懸殊。