SSD固态硬盘究竟快在哪？
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2022-05-15 22:46
很多小伙伴只知道固态硬盘比机械硬盘“快”。但是究竟“快”在哪里？为什么固态硬盘比机械硬盘快？
下载链接：
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其实，就在于固态硬盘和机械硬盘完全不同的工作原理，决定了两者的速度差异。
今天就让我们一起学习一下吧~
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机械硬盘的工作原理
机械硬盘的内部结构主要由马达、磁盘、磁头臂、磁头组成。
机械硬盘在工作的时候，磁头会悬浮于磁盘面上方几纳米的距离。磁盘面上有很多的小格子，小格子内有很多的小磁粒。
这些磁盘上的磁粒有一定的极性，当磁粒极性朝下的时候记为0，磁粒极性朝上的时候记为1，这样磁头就可以通过识别磁盘磁粒的极性读取数据了。
而磁头也可以利用其变化的磁场改变磁盘磁粒的极性，这样就做到写入和改写磁盘数据了。
为了能够精准定位数据所在磁盘面上的位置，磁盘本身又被划分了无数的扇区和磁道。
假设：
数据存放在磁盘的第五磁道的第七扇区上：
那磁头就会先摆动到第五磁道上空，然后等待第七扇区转过来。当第七扇区转到磁头下面的时候，才可以读取数据。
这就是机械硬盘的工作原理，也正是因为机械硬盘是利用磁性极粒来存储数据的，所以机械硬盘通常又被称作磁盘。
而固态硬盘同机械硬盘的工作原理完全不同，固态硬盘采用纯电子结构。
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固态硬盘的工作原理
固态硬盘存储数据的基本单元叫浮栅晶体管，基本结构有：存储电子的浮栅层，控制极G、衬底P、源极D与漏极S。
我们将浮栅层中的电子数量高于一定值计为0，低于一定值计为1。
那固态硬盘具体是如何工作的呢？接着往下看。
写入数据时，需要在控制极G施加一个高压，这样电子就可以穿过隧穿层，进入浮栅层，因为有绝缘层的存在，电子不能再向前移动了，就被囚禁在了浮栅层。
而当我们把电压撤去，这些电子依然会被囚禁在浮栅层，因为隧穿层本质上也相当于绝缘体，所以电子们只能被关押着，这样一位数据就被存储进去了。
这些电子能被“囚禁”多长时间也就是固态硬盘能够存储数据的年限，一般一块新的固态硬盘能够保存数据的年限为10年。因为随着时间的流逝，不断地有电子“越狱”成功。
等“越狱”的电子多到一定的数量，我们保存的数据就不见了。
我们擦除固态硬盘上的数据其实就是在释放这些可怜的电子，即在衬底上施加高压，这样电子被吸出来，信息也就被擦除了。
通过上面的描述，我们了解了数据的写入和擦除过程。
那么又是如何读取数据的呢？
关于它读取数据的原理也非常简单。
当浮栅层中不存在电子时（存储数据为1），我们给控制级一个低压，由于电压低，电子只能被吸引到靠近隧穿层的位置，却无法穿过隧穿层，因而源极漏极可以导通，形成电流。
如果检测到电流，那么说明它没有储存电子，则读取数据为1。
当浮栅层中存在电子时（存储数据为0），我们还给控制极一个低压，由于浮栅层里面的电子对这些电子有排斥作用，所以电子无法被吸引到靠近隧穿层的位置，源极漏极不会导通，不会形成电流。
如果无法检测到电流，那么说明浮栅层储存一定量电子，则读取数据为0。
无数的浮栅晶体管堆叠在一块就可以存储大量的0和1，它们就类似于图书馆当中的书架一样，存储着无限的0101数据。
相对于机械硬盘这种机械结构，固态硬盘这种纯电子结构在存取速度方面的优势就非常突出。
在机械硬盘在读取数据之前，需要先摆动磁头臂到对应的磁道上方，再等待对应的扇区转过来。
尽管目前的机械硬盘大部分都是7200转/分钟或者5400转/分钟的，看起来已经很快了，但是这两个操作依然会导致大约十几毫秒的延迟。
这种延迟对于人类来讲确实微不足道，但是对于计算机内存和CPU来讲，就确实会产生显著影响。
而固态硬盘全程都是电子交互，电子信号的速度要远超磁头臂和磁盘这种机械结构。
如果你的数据是随机分散在磁盘的各个角落，那机械硬盘需要经过多次的寻道和寻址，多次等待扇区转动到磁头底下，所以机械硬盘在读取分散性文件的时候，性能就显得非常弱，速度很慢，即随机读写性能低下。
了解固态硬盘的原理之后
想必你一定知道为什么固态硬盘有擦写次数限制？
最后，思考一个小问题，欢迎在评论区作答~
同一型号的两块固态硬盘，分别是1TB容量和500GB容量，哪一个的使用寿命更长，为什么？
评论区等你~~
来源：中兴文档
下载链接：
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2、2021年中国企业级SSD行业发展洞察.pdf
3、图解数据中心PCIe总线和NVMe SSD测试.pdf
4、SSD与HDD混合RAID解决方案.pdf
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