固态硬盘比机械硬盘快的原因（科普篇）

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。