固态硬盘比机械硬盘快的原因（科普篇）

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固态硬盘比机械硬盘快的原因（科普篇）

为何固态硬盘的速度高于机械硬盘

为什么固态硬盘比机械硬盘速度快

固态硬盘为什么那么快？原理？

一、固态硬盘比机械硬盘快的原因（科普篇）

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前言

作为电脑的磁盘，分固态硬盘和机械硬盘。我们都知道固态硬盘快? 快多少? 为什么快?本文深入浅出进行讲解。

固态硬盘和机械硬盘是什么？机械硬盘简称 HDD，是传统的普通硬盘。由磁片，磁头，控制电机组成。固态硬盘简称 SSD， 是新型的硬盘，由闪存，闪存控制器，高速缓存组成。

1. 速度差异多大1.1 常见产品速度

产品

固态硬盘

3700 MB/s

机械硬盘

150 MB/s

1.2 最新产品速度

固态硬盘

14000 MB/s

机械硬盘

480 MB/s

固态硬盘是机械硬盘速度的30 倍，差异悬殊。完全是吊打机械硬盘。固态硬盘开机速度秒开，而机械硬盘开机就要几十秒。不过这些是发烧级别的，价格太高， 还没有普及。我更关注常见产品的速度。

上面的速度是指的 PCIE 的固态硬盘, PCIE 一直在发展，速度以倍数再增长。 新一代是上一代速度的两倍。SATA固态硬盘现在处于一个尴尬的地位，大多数的sata固态硬盘的读写速度通常都在500M/S左右， 和最新的机械硬盘速度相差无几，SATA 协议最后一次更新是 2009 年，久未更新， 一直没有继续发展。本文以 PCIE 进行讲解。

2 机械硬盘和固态硬盘的差异点

先从不同角度列一下机械硬盘和固态硬盘和速度有关的差异点， 作为总览。章节 3 会讲解这些差异为何会带来速度悬殊。

差异点

机械硬盘

固态硬盘

介质

磁盘

闪存

读取方式

机械运动

电子运动

介质并行操作

无

并行读

通道数目

1

多个

频率

7200

1066 M

存储控制器

无

有

传输协议

SCSI

NVME

3 引起速度差异的原因是什么（硬件）?3.1 存储介质不同

机械硬盘的存储介质是用磁盘材料，利用磁场的方向不同，表示 0 和 1 的数据。操作的是原子。固态硬盘的存储介质是用的闪存材料，利用晶体管来储存电子来表示信息的，晶体管有电子和没电子两种状态，表示 0 和 1 的数据。操作的是电子。

移动一个电子相比移动一个原子需要的能量较少，移动的速度更快。

3.2 读数据方式不用

机械硬盘读一个数据需要盘片的转动，还需要磁臂的摆动，这些都是机械运动，速度是比较慢的。

图 1 机械硬盘内部构造:

固态硬盘读一个数据，只要闪存芯片控制器给闪存发一个命令， 闪存就给对应的晶体管给一个电压，就可以读出数据。这个速度就像电流一样飞快。不需要机械运动。

图2 SSD 内部构造:

3.3 介质并行操作

机械硬盘同一时刻只能读一个数据， 这是因为它的磁头一次只能读 1 个数据。固态硬盘内部其实有很多颗NAND Flash memory 阵列组成，每个闪存片都是可以并行读出数据的。如图 2 中有 8 颗 Flash memory， 这样可以从闪存里同一时刻可以读 8 个数据。

3.4 通道数目不同

闪存是在底层，光闪存内部读取速度提高，并不能速度就快起来。 还要主机和硬盘之间的带宽也快才行，主机和硬盘之间如果可以多个通道传输数据， 带宽可以翻倍，带宽越大， 速度越快。常见的是 4 通道。如果只是闪存读速度增加， 而主机和硬盘之间的速度不变快， 瓶颈就卡在和上层传输上。

固态硬盘通道数和带宽的关系

通道数

带宽

1

4GB/s

2

8GB/s

4

16GB/s

图3 固态硬盘通道数目:

机械硬盘只有一个磁头和主机传输数据， 换言之就只有一个通道。

3.5 频率不同

影响速度还有一个差别是频率， 频率就是每秒可以把时间片切成多少个， 每个时间片可以做一次事情。机械硬盘的转速等效于频率，转速 7200 转每秒， 等效于频率 7200 Hz

固态硬盘的频率是主要书闪存读取频率， 目前常见的 NV DDR3 是 1066 MHz。频率越快， 速度越快。

4 引起速度差异的原因是什么（软件）?

上面提到的都是硬件方面的一些差异，导致的速度差异。除了硬件， 软件也是一方面原因。这里软件包括底层控制器固件 和 上层协议。

4.1 存储控制器固件

机械硬盘没有存储控制器 （ 电机控制器只是控制电机，不算的啊）。控制器固件除了和上层传输命令/数据， 还和底层传输命令/数据， 最重要的是控制器固件会进行智能管理, 提高速度。

4.2 传输协议

机械硬盘是SCSI 协议，是一个命令一个命令执行， 需要等上一个命令完成才能发下一个命令， 速度不能优化。固态硬盘是采用 PCIE， 主机有一个队列可以放入 64000 个命令， 允许固态硬盘自己决定执行的顺序，这给控制器进行性能优化提供了很多空间。

总结

本文从不同角度分析机械硬盘和固态硬盘与速度有关的差别， 讲解这些差异为何会带来速度的悬殊。

一、为何固态硬盘的速度高于机械硬盘

因为机械硬盘使用盘碟和磁头来完成读写，每次系统提出的读写要求，磁头在磁盘目录上找到相应文件的位置然后再将磁头移动到文件位置，再进行读写。而固态硬盘没有寻道的过程，所以固态硬盘的速度要快很多，尤其是小文件的读写固态要比机械快的太多。

二、为什么固态硬盘比机械硬盘速度快

由于机械硬盘受盘片的转速以及寻道速度限制，目前单个硬盘持续读写速度无法突破SATA2.0的速度（突发速度可能会高些），虽然接口为SATA3.0。而固态硬盘内部其实类似RAID0模式的多通道方式（机械硬盘如果采用多个硬盘组RAID0速度也会大大提高，但数据安全性要明显低于单块硬盘），以及闪存颗粒的读写延迟低，所以在持续读写和随机读写速度上高于机械硬盘，而随着逐渐采用PCI-E通道的SSD推出，持续读写速度2G/S以上，远远7200转／分的机械硬盘的200M／S的速度。

三、固态硬盘为什么那么快？原理？

固态硬盘的原理是，SSD固态硬盘就是把磁存储改为集成电路存储。磁存储需要扫描磁头的动作和旋转磁盘的配合。电路存储即固态存储靠的是电路的扫描和开关作用将信息读出和写入，不存在机械动作。固态硬盘内主体其实就是一块PCB板，而这块PCB板上最基本的配件就是控制芯片，缓存芯片（部分低端硬盘无缓存芯片）和用于存储数据的闪存芯片。