固态硬盘有什么优势？【科普】

硬盘，也叫存储设备。是当今时代数码产品不可或缺的东西，手机、电脑、相机、服务器，凡是需要存储数据的，都少不了硬盘的存在。硬盘可以分为机械硬盘和固态硬盘两种，在过去很长时间，机械硬盘一直是一台电脑不可或缺的，近些年来，随着固态硬盘技术的突破，越来越多的人选择用固态硬盘装机，机械硬盘只作为辅助存储设备。

为什么所有笔记本都使用固态硬盘？固态硬盘相比机械硬盘有哪些优点呢？这些地方会影响我们什么体验呢？本期我们就来聊聊机械和固态那点事。

一、硬盘发展史

硬盘历史的开篇，自然是属于机械硬盘的，早在1956年，世界上第一块硬盘IBM RAMAC 350诞生了。

图1. IBM RAMAC 350（图源网络）

与现代硬盘相比，这东西绝对算是庞然大物了，足足有两台冰箱那么大，重量也超过一吨，但是容量仅有5MB大小。它的出现，标志着计算机抛弃了穿孔纸带、磁带这类原始的存储工具，正式进入了硬盘时代。80年代，硬盘的体积已经和如今相比差不多。

图2. 80年代机械硬盘（图源网络）

1988年，格林贝格尔和费尔发现了巨磁阻效应，这项技术使机械硬盘飞速发展，速度和容量都有很大提升，机械硬盘迅速普及。与此同时，固态硬盘的萌芽也产生了，但是这时的固态是用内存堆起来的，一直到21世纪前夕，才有些厂商开始用闪存代替内存制造固态硬盘，闪存相比于内存可以做到断电之后数据不丢失。

2011年之后，机械硬盘配件最大厂商泰国出现了一次天灾，导致价格飞升，这让固态硬盘行业迎来了起飞。

图3. 三星公司生产的固态硬盘（图源网络）

二、机械硬盘工作原理

机械硬盘的内部结构主要由马达、磁盘、磁头臂、磁头组成。

图4. 机械硬盘内部结构图（图源网络）

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。磁盘面被划分为无数小格子，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。

图5. 磁头读取或写入原理图（图源网络）

在读取数据时，读取磁头通过读取磁粒极性来读取数据。而写入磁头可以利用线圈产生的磁场改变磁粒的极性，这样就可以做到写入或者改写数据了。

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。

机械硬盘的机械结构首先带来一个致命缺点——害怕晃动。因为在高速读写过程中，磁头无限接近与磁盘表面，震动会使读写数据丢失，所以机械对于便携性很不友好。此外，主流机械硬盘的转速是7200转/分钟，虽然这个数字看起来很快，但这个速度对于几千MHZ的内存和几GHZ的CPU来讲实在太慢了，所以机械硬盘不可避免的成为拖慢系统运行速度的最短板。

三、固态硬盘工作原理

机械硬盘这些缺点，恰好是固态硬盘的优点。固态硬盘其实就是一块电路板，所以厂商可以把它造成任意形状。就拿m.2接口来说，就可以分为这些规格。

固态硬盘没有机械结构，没有噪音，不怕震动，便携性高，数据全程电子交互。固态硬盘的存储单元为浮栅晶体管，它的内部结构就像图8中展示的那样：用来储存电子的浮栅层、限制电子自由运动的隧穿层、隔离电子的绝缘层、控制极G、衬底P、源极D与漏极S。

存储数据时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。

写入数据

执行写入数据时，需要给控制极G施加一个高电压（如20V），这样衬底中的电子就会受到吸引穿过隧穿层进入浮栅层，之后电子受到绝缘层的阻碍只能被囚禁在浮栅层之中。而隧穿层的存在保证了被囚禁的电子即使失去高电压的吸引也会继续停留在浮栅层。这样就完成了一个单元的数据写入过程。

擦除数据

擦除数据的过程就是释放浮栅层中被囚禁电子。只需要在衬底上施加一个高电压，电子受到电场的吸引透过隧穿层回到衬底中，这样单元就恢复到了原来的状态。

正是由于这种读取和写入原理，许多人担心固态硬盘的使用寿命。因为在写入数据时，固态硬盘不是直接覆盖原有数据，而是先进行擦除，再写入。每次一个单元经历擦除写入循环，浮栅层会不可避免的留下一些电荷。就比如用铅笔在纸上写字一样，写了擦擦了写，纸最终会擦破。固态硬盘也是如此。

但是，这一点对于我们普通用户来说是不用担心的。就拿一块512G的固态来说：

日写入量140G也要十年才能用尽寿命，况且许多用户没有这么高的写入量。

所以固态硬盘还是可以放心使用。

读取数据

当浮栅层中只有很少电子时（存储状态为1），我们在控制极施加一个低电压，使得电子被吸引到隧穿层的下方，但由于电压较低电子无法穿过隧穿层，从而在源极与漏极间形成导电沟道，在源极漏极间施加电压可以形成电流。

而当浮栅层中存储了大量电子时（存储状态为0），同样在控制极施加低电压。由于浮栅层中储存的电子对衬底中的电子有排斥作用，导致衬底中无法形成导电沟道，阻碍了源极漏极间电流的产生。

因此，在读取的过程中如果检测到电流，单元状态就为1，反之则为0。这样就完成了单元中数据的读取。

存储模块中的数据写入

由于固态硬盘中的存储单元数量十分庞大，如果对模块中的每一个设置一个独立控制的开关，这样势必导致模块结构冗杂，存储效率降低。所以对存储模块内的数据改写采用了模块控制。

如图所示为一个存储模块的示意图。每一行为一个存储字节，共包含八个存储单元。每一列的存储单元采用串联结构连接，最上面一行和下面一行为晶体管，用来控制每一位（列）的写入操作；每一行的存储单元的栅极由一个电极统一控制。

当你想要对某一个单元进行写入操作时（如第四行第一列），就给第一列的控制晶体管零偏压，这样在第四行的栅极施加高电压下，这样该单元的浮栅极就能存储电荷。而其他控制晶体管给与一个2V低电压，使其形成电流，由于沟道效应第四行的其他单元无法存储电荷。

四、小结

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。

在日常生活中，最影响我们体验的是硬盘的随机读写能力，像许多软件都是由许多小文件组成，其中最突出的就是我们的windows操作系统，打开计算机c盘就可以看到，操作系统是由无数个分散的小文件组成，这些文件都不大但是很分散，如果是由机械硬盘读取这些分散数据，由于每个文件在磁盘的不同位置，受限于磁盘的机械结构，读取这些会产生漫长的等待。这也是为什么系统盘一定要是固态硬盘。

此外，随着固态技术的革新，价格越来越低，容量越来越大，普通用户并不需要担心固态的使用寿命，这些优势使得固态硬盘一定会是用户的首选。