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消灭你PC中的唯一短板 | 固态硬盘选购经验
2014-10-24 15:58:19   来源:   评论:0 点击:

DIY领域中,木桶效应绝对是提及得最多的一个词。大家配机都讲求平衡,好的CPU要配好的显卡,容不得电脑有一块短板存在。这几年摩尔定律开始逐渐失效,CPU跟GPU的发展遇上瓶颈,性能提高越来越慢,要大幅度提升PC...

DIY领域中,木桶效应绝对是提及得最多的一个词。大家配机都讲求平衡,好的CPU要配好的显卡,容不得电脑有一块短板存在。这几年摩尔定律开始逐渐失效,CPU跟GPU的发展遇上瓶颈,性能提高越来越慢,要大幅度提升PC性能,大家都开始把目光投向到PC中最大的短板--固态硬盘。

为什么说硬盘是PC内最大的短板?PC内的CPU要处理硬盘的数据的话,首先会把硬盘的数据读取到内存里面去(至于L1、L2 Cache这里就不提了),内存的速度我们都知道很快, 目前遍地的DDR3 1600内存,双通道下理论上能提供25GB/s的带宽,而硬盘的速度,例如 一般的机械硬盘,读取速度一般只有100-150MB/s,两者之间的速度差非常非常的明显,因此,硬盘是PC里面速度最慢的一个硬件。


 

想要提高硬盘速度,目前只有一个办法: 换上固态硬盘。

一、固态硬盘是什么?跟传统的机械硬盘有什么区别?

传统的机械硬盘,内部有几张碟片,有一个磁头读写数据,机械硬盘的速度完全由碟片旋转速度+碟片储存密度+驱动算法决定。由于有磁头的存在,机械硬盘就存在一个概念: 寻道时间。

机械硬盘都存在寻道时间, 一般的机械硬盘寻道时间在10-20ms之间,在读写大量的小文件时(Windows系统文件几乎都是小文件),寻道时间比较长的机械硬盘在读写时就会显得比较捉急。


在硬盘上数据是分磁道、分簇存储的,经常的读写操作后,往往数据并不是连续排列在同一磁道上,所以磁头在读取数据时往往需要在磁道之间反复移动,因此平均寻道时间在数据传输中起着十分重要的作用。


 

那固态硬盘呢?固态硬盘内只有3个东西:主控、NAND芯片、PCB。因为没有磁头这么一个玩意儿的存在,固态硬盘在读写时,都不存在“寻道时间”这么一个概念,不过还是会存在“寻址时间”。 这个寻址时间跟固态硬盘的主控、NAND芯片和驱动算法有关,不过一般都只有0.1ms而已,相比于机械硬盘超过10ms的寻道时间来说,固态硬盘的几乎可以忽略不计,这就是固态硬盘快的原因之一。


寻址时间,可以理解为CPU发出读写指令后,系统找到硬盘对应数据地址的所需时间。


 

相比于传统硬盘,固态硬盘的优点可以归纳为: 速度快、防震抗摔、功耗低、无噪音、轻便。

二、固态硬盘的构造

上面也提过了,固态硬盘的组成非常简单,一般来说,只有主控、NAND芯片、PCB三个东西,部分固态硬盘会有缓存。


 


1、主控

固态硬盘的主控,是固态硬盘的大脑,其作用一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,二则是承担了整个数据中转,连接闪存芯片和外部SATA接口。不同的主控之间能力相差非常大,在数据处理能力、算法,对闪存芯片的读取写入控制上会有非常大的不同,直接会导致固态硬盘产品在性能上差距高达数十倍。


 

来自于SandForce的主控芯片

常见的主控牌子有:SandForce、Indilinx、JMicron、Marvell、Phison、Goldendisk、三星以及Intel等。

其中比较主流的是SandForce(简称SF)和Marvell,这两个牌子的主控被广泛采用于各热门牌子的性能级固态硬盘上。另外,三星的主控,目前只有三星自家采用。JMicron、Indilinx之类的,只有部分小众牌子的低端硬盘采用(金士顿V300、影驰战将、威刚SP600等)。

2、闪存(NAND芯片)

除了主控芯片和缓存芯片以外,PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash闪存芯片了,其成本占据了一款固态硬盘的85%左右。NAND Flash闪存芯片又分为SLC(单层单元)MLC(多层单元)以及TLC(三层单元)NAND闪存。

而SLC、MLC和TLC,相信大家都知道他们的区别,一般来说, 寿命上SLC>MLC>TLC。


 

来自于三星的NAND芯片
 
常见的闪存颗粒一般有:东芝、三星、Intel、镁光、海力士。这五家几乎垄断了目前的NAND市场。

3、缓存

主控芯片旁边是缓存芯片,固态硬盘和传统硬盘一样需要高速的缓存芯片辅助主控芯片进行数据处理。这里需要注意的是,有一些廉价固态硬盘方案为了节省成本,省去了这块缓存芯片,这样对于使用时的性能会有一定的影响。


 

来自于三星的缓存颗粒


三、固态硬盘的接口分类

目前固态硬盘的接口有SATA、mSATA、NGFF、PCI-E等等。

1、 SATA接口:SATA接口是目前市场上最主流的硬盘接口,绝大部分的固态硬盘均采用SATA III(SATA 6Gbps)接口,这个接口最大能提供600MB/s的峰值传输速度。


 

SATA接口


2、 mSATA接口:是迷你版的SATA接口,能提供跟SATA一样的3Gbps和6Gbps的速度。因为接口小巧,所以在移动设备上开始慢慢普及起来。但值得注意的是:mSATA的外型和电子介面与mini PCI-E完全相同,但电子信号不同,两者互不兼容。


 

mSATA接口


3、 NGFF接口:是Intel定制的新接口标准,其体积比mSATA更小,速度方面,最大能提供700MB/s的峰值传输速度,4K 随机读写IOPS分别达到了100K及90K。


 

NGFF接口

 
4、 PCI-E接口:传统SATA总线绕不开DMI,因此带宽有限。但 PCI-E2.0 8X就可以支持8GB/s的速度,而PCI-E 3.0 16X更可以支持高达16GB/s的速度,速度上可以轻松辗压各种SATA接口。采用这个接口的SSD,在性能上都属于顶级水准,价格自然也是非常昂贵。


 

PCI-E接口
 

四、固态硬盘的一些科普

1、何为4K对齐?为什么要4K对齐?

说到固态硬盘,大家一定会听说过固态硬盘要4K对齐才能发挥性能。事实也确实如此。至于原理方面,在NTFS 6.x规范之前,例如Windows XP系统,每个扇区的大小是512个字节,分区前63个扇区是无法使用的,也就是(63x512b=31.5KB),用户第一个数据是从31.5KB开始的,存储第一个字,需要占用31.5K-35.5K之间的磁盘扇区。 最过分的是这样子排列下去,恰好每到一个扇区的4K位置,就会造成一个数据存2个扇区的情况。扇区为磁盘写入的最小单位, 如果卡在2个扇区之间,写入的时候就需要进行读-改写操作(对SSD来说读-擦-写),造成固态硬盘不必要的写入次数,导致性能的下降,严重影响SSD读写性能及使用寿命。


 

图解:没有4K对齐

很复杂?通俗地说吧。例如,大家一起吃饭的时候,如果一个勺子和碗一样大,第一个碗里头的好吃的被谁咬了一口,以后每勺想在这个碗里头舀满了,必须要在第二个碗舀一下。无论谁想舀满一勺,都得舀2次!这样的话,效率就降低了。


2、如何才能做到4K对齐?

很简单,就如上文所说,NTFS 5.x是XP时代的产物,最新的NTFS 6.x,在Vista以后已经开始采用。所以, 使用Windows7/8/8.1自带的格式化工具进行格式化,即可自动4K对齐。也可以借助诸如DiskGenius之类的工具。

3、4K随机读写速度的意义

很多人看固态硬盘,只管看连续读写速度。某些固态硬盘厂商在宣传的时候也会重点强调连续读写速度。但其实 连续读写速度之于固态硬盘,意义不大。连续读写一般只会在大文件读写时才会出现,例如你拷贝一个几GB的电影。但正常情况下,由于固态硬盘的容量限制,很少人会在固态硬盘内进行大文件读写操作。

相对的,固态硬盘一般是存放操作系统、软件、游戏之类的。这些几乎都是小文件读写,因此对4K读写能力非常讲究。 例如浦科特M5Pro 256GB,4K随机读取达到34MB/s、写入高达91.13MB/s。好像不怎么快的样子?那要是我告诉你, 一般7200转的机械硬盘的4K随机读取只有0.59MB/s,写入只有0.85MB/s。呵呵,这差别可不是一般的大吧?这也正是固态硬盘比机械硬盘的原因之一。


 

浦科特M5Pro 256GB的4K随机读写速度

 

 

日立Z7K500/7200转本盘的4K随机读写速度


4、MLC和TLC如何选择?

相信很多人都听说过MLC跟TLC,大家都知道,MLC的寿命比TLC长,因此大家都认为TLC不值得购买。但这其实是一个误区。TLC的寿命确实要比MLC的短,理论上来说,TLC的P/E次数(循环擦写次数)在1000次左右。 在不计算写入放大的情况下(要计算写入放大就更加说不清了), 一款120GB的固态硬盘,理论上要写入120GB*1000=120000GB=117TB数据,才有可能把这款固态硬盘摧毁。而240GB的固态硬盘则需要写入234TB数据才有可能把这款固态硬盘摧毁。试问目前依旧以4-6TB级别硬盘为主的时代,写入100多TB数据,需要耗费多长的时间?

再结合日常使用中,很少人会对固态硬盘进行写入操作,操作系统大都是读取操作而已,因此即便是TLC固态硬盘,其寿命几乎可以说是不足为虑。能用到这款固态硬盘退役为止,一般都不成问题。

而国内某知名DIY网站也做过TLC硬盘的寿命测试(三星840 250GB),在写入数据到达764TB的情况下,固态硬盘才出现第一个不可恢复的错误。可见,TLC的生命力要远比大家想象中顽强。

5、SATA2接口是否会对SSD的速度造成影响?

虽然SATA2会让固态硬盘的连续读写性能限制在300MB/s以内,但第3点已经谈及过了,体现SSD性能最关键的是4K随机读写速度,而即便是固态硬盘,它们的随机读写速度也不过是40/100MB/s左右的水平,甚至远比SATA2的3Gbps慢得多。下面是同一款固态硬盘分别在SATA3和SATA2下的速度测试:


 

SATA3接口下的速度

 

 

SATA2接口下的速度

从上面两张图也可以看出,SATA3接口虽然在连续读写速度上完胜于SATA2,但在随机4K读写上,SATA3比SATA2的优势就不明显了。 即便使用了SATA2接口,固态硬盘的4K随机读写性能上依旧要完爆机械硬盘,因此 在SATA2下使用固态硬盘,你依旧能体验到明显快于机械硬盘的性能,只是无法100%发挥出固态硬盘的性能而已。

五、主流的固态硬盘品牌

1、 三星

三星的固态硬盘一直都是业界顶尖的水平。主控、闪存、缓存芯片均为自产,而且技术能力不错。旗下目前主流系列包括最新的性能之王850Pro,在SATA3接口下,850Pro的性能足矣傲视群雄。而即便是上代的840Pro,性能依旧强劲。至于更廉价的840、840EVO系列,由于采用了TLC闪存,被不少人诟病。 840 Pro系列提供5年质保、840 Evo系列提供3年质保。


 


2、浦科特

浦科特是来自日本的品牌,旗下固态硬盘品质也相当不错,性能上完全不输三星。旗下的M5Pro、M5S都能成为经典。价格比三星的稍微便宜一点,消费级的产品性价比相当高(M6S)。跟三星一样,浦科特的质保政策也是根据定位区分的。 高端的M5Pro提供五年质保,消费级的M6S/M5S提供三年质保。


 


3、Crucial

Crucial又成为英睿达,是Micron(美国美光)旗下的子品牌,主营固态硬盘和内存。依靠于美光本身强大的储存芯片制作实力,Crucial的固态硬盘品质也不错,但软件实力略欠,尤其是固件水平真的有点捉急,小编当年就吃过亏了哎。主打的是性价比,当年美光M4也是让Crucial火了一把。不过自打进入到M500/550时代,Crucial的存在感直线下降。直到最近Crucial出了一款MX100的入门级固态硬盘,512GB仅售199美元...而且性能还不错。 售后方面,Crucial的固态硬盘统一为三年质保。


 


4、英特尔

大名鼎鼎的英特尔,他们不止做CPU和芯片组,还会做固态硬盘。而且固态硬盘方面的品质也属上乘,消费级产品以前采用自家的主控,目前已经改用SandForce的。主打的企业级产品则依旧沿用自家的第三代主控,还有自家的闪存颗粒。英特尔并不以性能见长,但英特尔质保向来给力, 旗下固态硬盘全线5年全国联保。国外海淘的甚至能享受全球联保。


 

 

5、Sandisk

Sandisk是来自美帝的老牌储存厂商,他们的储存卡都很不错,不过固态硬盘是最近才开始慢慢给力起来。目前Sandisk旗下的固态硬盘分为 至尊高速系列(Ultra Plus)、至尊极速系列(Extreme II)、至尊超极速系列(Extreme Pro),这个几个系列姑且可以一战。其实还有一些入门级的,铭牌上就标着Solid State Drive,不属于任何一个系列,非常不值得入手,因为它用的竟然是USB3.0的主控... 而保修方面,跟三星和浦科特一样分等级,Sandisk的Extreme II及以上的系列,为五年质保,Ultra Plus及一下的系列,为三年质保。


 

6、东芝

另一家老牌储存厂商,来自日本的东芝,当然也有固态硬盘产品。目前东芝主打13年底发售的Q Pro系列固态硬盘,采用的是与Marvell一同研发的TC358790XBG主控,还有自家的19nm MLC闪存,但并不配备缓存。性能方面中规中矩,没什么亮点,售价方面跟浦科特、三星的消费级产品接近。售后方面,东芝固态硬盘均为上三年质保。


 

7、其它品牌

做固态硬盘的还有不少知名的厂商,例如金士顿、威刚、金泰克、海盗船、OCZ、影驰、希捷等等。这些牌子是否值得购买?价钱方面,像金士顿、威刚之流的确实挺便宜,但正因为这样,这类品牌的固态硬盘需要节约成本。最过分的,例如OCZ,当年的Vertex 3系列,竟然采用打磨过的闪存颗粒,俗称白片,消费者根本不知道这些闪存颗粒是来自于哪个厂商的。 因此,大家在选购这类小众牌子的SSD之前,一定要先了解清楚这款固态硬盘,采用的是什么主控,什么闪存,能提供多长的质保。

 

六、值得推荐的固态硬盘

1、 浦科特M6S 128GB 2.5英寸 SATA-3固态硬盘

这款固态硬盘采用了Marvell 88SS9188双核主控,具备四通道。搭配东芝最新的A19nm Toggle NAND Flash,最大连续读写速度为520MB/s和300MB/s,4K随机读写次数也分别去到88000IOPS和75000IOPS。


 


 
浦科特M6S 128GB 2.5英寸 SATA-3固态硬盘亚马逊中国¥488


2、三星  840Pro系列 128G2.5英寸 SATA-3固态硬盘

虽然是三星上代的产品,不过性能依旧牛逼哄哄的。840 Pro采用的是三星自家MEX S4LN045X01-8030三核心主控,搭配三星 MLC/21nm NAND闪存,最大连续读写速度为510MB/s和370MB/s,4K随机读写次数也分别去到87000IOPS和79000IOPS。

 


 
三星 840Pro系列 128G 2.5英寸 SATA-3固态硬盘京东商城¥759

 

3、镁光 MX100512GB2.5英寸 SATA-3固态硬盘

镁光最新推出的消费级固态硬盘,性价比异常地高。MX100 512GB采用与M550系列相同的Marvell 88SS9189主控,支持八通道,搭配镁光自家的16nm MLC NAND闪存芯片。提供550MB/s和500MB/s的连续读写速度,而4K随机读写方面也高达90000IOPS和85000IOPS,异常强悍。最重要的是,512GB款的MX100售价只有200美元左右。

 


 
镁光 MX100 512GB 2.5英寸 SATA-3固态硬盘美国亚马逊¥1327


4、英特尔 530 Series 480GB 固态硬盘

英特尔 530 Series 240GB 固态硬盘,采用了SandForce SF-2281主控芯片,以及Intel的20nm MLC NAND闪存,最高可达到540MB/s和480MB/s的顺序读写速度,4K随机读写速度分别为41K IOPS和80K IOPS。Intel提供5年全球质保。最便宜的时候美亚有卖140刀的,目前小涨。


 


 
英特尔 530 Series 480GB 固态硬盘美国亚马逊¥1059


5、 Sandisk 至尊极速系列(Extreme II) 240GB 固态硬盘

Sandisk 至尊极速系列(ExtremeII) 240GB 固态硬盘使用闪迪自家产的19nm NAND Flash,Marvell88SS9187主控。最大读取速度550MB/s,最大写入速度520MB/s,最高随机读写分别为44000 IOPS和80000 IOPS。

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