從20MB小可愛到100TB巨獸細數固態硬盤進化之路

不知道大夥是否還記得自己的第一個固態硬盤有多大？自1991年閃迪發售第一款商用SSD開始，商用固態硬盤的發展已經在不知不覺間超過了30年。每次談起固態硬盤，總難免要說到顆粒、主控的內容，我們很容易掉進“唯顆粒論”的怪圈，卻忽視了這些年來相關技術的發展。

實際上隨着主控與顆粒技術的不斷進化，固態硬盤產品早已實現了精細化場景分類，下面我們就從閃存、閃存類型、主控這幾個方面來聊聊固態硬盤這些年有哪些改變。

閃存顆粒“超進化”：從2D NAND到3D NAND

聊起固態硬盤就有個無法繞開的話題坎，那就是玩家們經常討論到“顆粒”。資深的玩家們應該知道，固態硬盤經常被討論到的芯片包括主控、閃存和DRAM，而關於顆粒的討論恰恰又是最高的那個。目前被廣泛討論的閃存顆粒其實屬於NAND閃存，該類型的閃存自2009年出現在固態硬盤上至今，已經被廣泛應用到我們日常使用的個人電腦上。

右側兩顆黑色芯片就是閃存顆粒

NAND閃存的工作方式有個特點，就是如果我們要給已經寫入數據的閃存再寫入數據，需要先把它的數據擦除，才能重新寫入。隨着被擦出和寫入的次數增多，NAND閃存會有耗損，這也是固態硬盤壽命用“擦寫次數”來形容的原因。

早期的NAND閃存都是鋪設在平面上的，被稱作“2D NAND”。舉個不太恰當的例子，就像咱們設計停車場的停車位一樣，地的面積固定的情況下無論路線如何精妙，這個停車場能容納的車位都是有限的，為了應對越來越大的停車（數據存儲）需求，那隻好做多層的停車場，一層不夠那就做二層甚至三層。在2D NAND時代，廠商為了盡量利用好有限的面積只有不斷用新工藝，但隨着串擾等問題導致閃存顆粒不再能單純依靠工藝進步帶來提升，東芝和三星開始押注3D NAND（三星將其稱作V-NAND）。

3D NAND有助於降低成本

NAND閃存也同理，“2D NAND”的容量是有限的，那就做“3D NAND”，目前鎂光已經實現了176層NAND量產，閃存密度以及成本壓縮達到了空前高度，在不久的未來，192層NAND也即將量產，屆時更高容量、成本更低的固態硬盤有望誕生。

商用閃存類型多樣化在爭議聲中成長的閃存類型：從SLC到QLC

根據固態硬盤的工作原理，其數據儲存在半導體單元內，其中已經被廣泛商用的類型主要有四種，分別是SLC、MLC、TLC、QLC，其中SLC屬於1bit/cell，MLC屬於2bit/cell，TLC屬於3bit/cell，QLC屬於4bit/cell。這個數值的意思是每個儲存單元的數據，比如SLC一個單元只有一位數據，單個儲存單元內的數據位數越多，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，這些參數隨着單元內數據的增加而減少，從MLC到TCL再到QLC，未來甚至還有5bit/cell的PLC成為商用產品。

通過數據對比可以更直觀地知道不同類型的NAND閃存的參數差異，SLC NAND閃存的擦寫次數在10000次以上，MLC NAND閃存的擦寫次數在3000-10000之間，TLC閃存的擦寫次數在1000-3000之間，QLC NAND閃存的擦寫次數在1000次以內。

在目前固態硬盤的應用場景中，使用純SLC NAND閃存的固態硬盤基本面向軍用或者商用了，而MLC則大多以高端消費級產品和商用產品為主，應付咱們日常使用需求的固態硬盤，TLC NAND足矣，至於QLC NAND閃存的固態硬盤嘛，優點是容量足夠大，單次完全擦寫周期被延長了，那壽命的短板也可以被部分彌補。

QLC顆粒讓固態硬盤容量再上一個高度

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

消費級MLC固態硬盤銳減成了消費者心中的“意難平”，圖片來源unsplash

在聊到閃存類型的時候，玩家們常常“意難平”於消費級MLC閃存產品逐漸轉向商用，TLC閃存和QLC閃存開始成為消費級主流。這個過程的確一直以來都備受爭議，但不可否認的是，消費者如今能用更少的錢買到容量更大，性能更高的固態硬盤產品。

主控芯片大升級：從技術完善，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強大，我們能看到的大多數固態硬盤參數都離不開主控，比如讀寫速度快慢、接口協議、TRIM支持、磨損平衡以及垃圾回收機制等等。從過去費用高昂，讀取速度僅有1、200MB/s的SATA固態硬盤，到如今順序讀取速度突破7000MB/s的PCIe 4.0固態硬盤，這些直觀的參數進化離不開固態硬盤主控的不斷升級。

來源聯芸官網

固態硬盤的主控屬於整個產品的“中樞大腦”，一方面他要通過外部接口與主機進行數據通信，接收和處理主機的明令，另一方面他還要管理“不那麼智能”的閃存，更快速妥當地存儲數據，併兼顧閃存芯片的壽命。

我們看到的固態硬盤參數更像主控參數的“復刻”，圖源聯芸官網

生澀抽象的概念不好懂，對咱們普通消費者更重要的是，從固態硬盤主控誕生至今，這個芯片已經得到了飛速發展，並支持更多保障數據完整和數據安全、監控硬盤健康、延長閃存顆粒壽命的技術，比如TRIM、S.M.A.R.T技術、壞塊管理、LDPC糾錯、斷電保護等等。

正因為有了愈發強大的主控，過去長期被消費者鄙夷的TLC固態硬盤才得以“翻身”成為目前消費級固態硬盤的主流，甚至催生了一批得到用戶認可的高端固態硬盤。主控芯片如此重要，對主控的研發能力也就成為了儲存產品開發廠商的硬實力體現。

Elpis主控是目前三星的當家旗艦

目前既有自研主控同樣輸出消費級產品的代表，自然是擁有強大供應鏈的三星，其自研主控只應用在自家產品上，目前被應用在三星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，可實現最高7000MB/s的順序讀取速度和5100MB/s的順序寫入速度。

此外，馬牌、聯芸、群聯、慧榮等主流一二線廠商，也針對不同定位提供了豐富的主控產品供第三方廠商採購，部分廠商還提供一站式的整合方案。市面上的固態硬盤產品能呈現出百花齊放之勢，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

前面鋪墊的那麼多技術性的概念，但不得不承認，對於咱們普通消費者來說，聊起硬盤首先想到的就是容量，畢竟作為影響咱們儲存資料多少最直觀表現，容量的變遷就是上面提到的閃存、主控等因素綜合體現。

回歸到標題上，世界上第一個商用固態硬盤在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100不是代表100GB，而是100TB！這27年間商用級固態硬盤的容量翻了百萬倍，如果說商用產品距離咱們消費者端太遠，那不妨回到消費級產品。

這個硬盤能放多少“資料”呢，圖片來源網絡

從2007年閃迪發布的2.5寸32GB固態硬盤，到2020年，消費者已經能買到8TB容量的固態硬盤，也怪不得越來越多消費者感知到，現在的固態硬盤的容量已經大有趕超機械硬盤的勢頭。雖然目前我們能買到的大容量固態硬盤大概率是“不受待見”的QLC閃存產品，但是固態硬盤本身隨機讀寫性能優勢是機械硬盤難以比擬的，也是在可預見的未來里，幫助大容量固態硬盤迅速普及的法寶。

一枚QLC顆粒容量高達1TB，使用壽命已不是最該關心的問題

至於玩家么擔心的“壽命問題”，我們可以將當年初次使用TLC閃存的三星840 EVO與初次使用QLC閃存的三星860 QVO做對比，前者的1TB版本官方耐用值為72TBW，而後者的1TB版本官方耐用值已經漲到360TBW，雖然兩者均遠遠落後於三星870 EVO 1TB版本的600TBW，但這也說明憑藉如今的主控技術及閃存工藝，QLC固態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2880TBW，按每天寫入1TB數據來算也能使用將近8年。