什么是固态硬盘（SSD）？它是如何工作的？

1956年，IBM 在 RAMAC 305 系统中交付了世界上第一台硬盘驱动器（HDD）。该驱动器使用了50个24英寸（61厘米）的盘片，仅存储了微不足道的5兆字节数据，占用空间比两台冰箱还要大。哦，还有成本？仅仅5万美元，按2024年的美元计算，大约是57万美元。

从那时起，硬盘已经变得更小、容量更大，而且幸好，价格也更便宜了。例如，希捷 Momentus 笔记本硬盘，外形尺寸仅为2.5英寸（6.4厘米），提供750千兆字节的存储空间，价格不到100美元。但即使有先进的保护技术，Momentus 驱动器和所有硬盘一样，仍然会崩溃并报废，带走宝贵的数据。这是因为硬盘具有可能发生故障的机械部件。如果笔记本电脑掉落，读写磁头可能会触碰到旋转的盘片。这几乎总会导致严重的数据丢失。

在计算机术语中，内存和存储之间存在差异。随机存取存储器，或称内存（RAM）（或简称内存），用于保存计算机正在执行的程序以及任何数据。就像一个人的短期记忆一样，内存是短暂的，需要电源才能工作。另一方面，存储则保存着你数字生活中的所有内容——应用程序、文件、照片和音乐。即使电源关闭，它也能保留这些内容。

内存和存储都以其可容纳的字节数来衡量容量。对于一台现代计算机，内存通常有4、6或8千兆字节。存储的容量几乎可以是内存的100倍——例如，一台普通笔记本电脑的硬盘可以容纳500千兆字节。

事情在这里变得有点复杂。有些存储设备拥有所谓的闪存，这是一个容易混淆的术语，模糊了内存和存储之间的界限。带有闪存的设备仍然可以存储大量信息，无论电源是否打开。

但与包含旋转盘片和带有读写磁头的唱臂状部件的硬盘不同，闪存设备没有机械部件。它们由晶体管和你在计算机芯片上能找到的其他组件构成。因此，它们享有一个标签——固态——专用于利用半导体特性的设备。

闪存有两种类型：NOR 和 NAND。两者都包含以网格排列的单元（晶体管），但单元之间的接线方式不同。在 NOR 闪存中，单元并联连接。在 NAND 闪存中，单元串联连接。由于 NOR 单元包含更多线路，它们更大、更复杂。NAND 单元所需的线路更少，并且可以在芯片上以更高的密度封装。

因此，NAND 闪存更便宜，并且可以更快地读写数据。这使得 NAND 闪存成为一种理想的存储技术，也解释了为什么它是固态硬盘中主要的内存类型。NOR 闪存则适用于低密度、高速、只读的应用，例如代码存储应用。

有了这些背景知识，我们现在可以对固态硬盘给出更精确的定义：它是一种使用 NAND 闪存提供非易失性、可重写内存的设备。在计算机中，固态硬盘可以用作存储设备，取代传统的硬盘驱动器。

事实上，制造商生产的固态硬盘其形状和尺寸与硬盘驱动器相似，以便这两种技术可以互换使用。但相似之处仅止于此。如果你打开固态硬盘的外壳，你不会看到盘片和磁头臂。接下来我们来了解一下。

从外观上看，固态硬盘与硬盘驱动器别无二致。它们呈矩形，覆盖着拉丝金属外壳，尺寸符合硬盘的行业标准外形规格——通常是2.5英寸和3.5英寸（6.4和8.9厘米）。

但在银色外壳之下，你会发现板载的芯片阵列，没有任何磁性或光学介质。大部分组件都可以装入更小的空间，但固态硬盘制造商会为它们的组件配备额外的“外壳”，以确保它们能放入笔记本电脑和台式电脑现有的硬盘插槽中。

与固态硬盘的简洁明了相比，硬盘的内部是运动、声音和活动的奇迹。排列在主轴上的圆形盘片可以以每分钟7,200转的速度旋转。一个分叉成多个读写磁头的磁头臂，以快到肉眼无法察觉的速度在盘片上飞驰。该臂连接到执行器块，执行器块保存着移动读写磁头的指令。

当这些指令被调用时（有时每秒高达50次），磁头臂在一端枢转，使磁头同步地在盘片上方移动。一旦磁头到达盘片上的某个位置，电磁铁就会产生一个磁场，对底层磁道中的数据承载域进行对齐。每个域都可以按两个可能方向之一进行对齐——1或0。随着这些对齐方式的改变，它们会形成与离散数字信息块对应的模式。

固态硬盘的 NAND 闪存以不同的方式存储数据。回想一下，NAND 闪存的晶体管以列和行的网格排列。如果一串晶体管导通电流，则其值为1。如果不导通电流，则为0。最初，所有晶体管都设置为1。但当保存操作开始时，某些晶体管的电流被阻止，使它们变为0。这之所以发生，是因为晶体管的排列方式。在列和行的每个交叉点，两个晶体管形成一个单元。

其中一个晶体管被称为控制栅极，另一个被称为浮栅。当电流到达控制栅极时，电子会流入浮栅，产生净正电荷，从而中断电流流动。通过向晶体管施加精确的电压，就会形成一个独特的1和0的模式。

NAND 闪存有两种类型，取决于每个单元可以存储多少个1和0。单层单元（SLC）NAND 每个单元存储一位——即1或0。多层单元（MLC）NAND 每个单元存储两位。MLC 闪存提供更高的存储容量，但磨损更快（是的，会磨损——我们会在接下来的几页中详细介绍）。尽管如此，它的每千兆字节成本低于 SLC，因此，它是几乎所有消费级固态硬盘中首选的技术。

成本一直是闪存以及固态硬盘的最大障碍之一。但近年来，成本已显著下降。与此同时，NAND 闪存开发方面的进步使得这项技术的优点得到了进一步提升。接下来，我们将探讨固态硬盘的优势。

你投资了一台配备500千兆字节硬盘的顶级笔记本电脑，而且它运行得非常好。你将所有的照片和视频、整个音乐库、五本未完成的小说以及大量应用程序都打包到了硬盘的盘片上。为什么你会考虑将硬盘更换为固态硬盘呢？爸爸不是常说“没坏就别修”吗？

也许爸爸没有硬盘。残酷的现实是，硬盘确实会发生故障，而且频率往往比其技术规格所显示的要高。例如，硬盘制造商使用一种称为平均无故障时间（MTBF）的指标来评估其产品的可靠性。一个典型的消费级硬盘的 MTBF 评级为500,000小时，这意味着在测试的硬盘样本中，每500,000小时的测试会出现一次故障。那是每57年一次故障，听起来相当不错，对吧？

不幸的是，MTBF 分数具有误导性。它们来自基于小样本量和短时间的统计评估。实际上，你还需要考虑典型硬盘的保修期和使用寿命（大约三到五年），以及 MTBF 分数。由于没有移动部件，固态硬盘可以提供更高的可靠性。它们的 MTBF 可以达到250万小时，这可能意味着设备的使用寿命会增加几年。

更重要的是固态硬盘与硬盘驱动器相比的性能。由于没有移动磁头和旋转盘片，固态硬盘可以像访问任何其他数据一样快速地访问某一部分数据，即使它们不在同一位置附近。该设备的速度体现在所有关键的 CPU 任务中，从启动系统软件到打开文件，再到读写数据。

以下要点比较了固态硬盘和硬盘在这些关键活动中的表现：

启动时间 (Windows 7)：22秒 (固态硬盘)，40秒 (硬盘)

数据读写速度：510-550兆字节/秒 (固态硬盘)，50-150兆字节/秒 (硬盘)

Excel 文件打开速度：4秒 (固态硬盘)，14秒 (硬盘)

所有这些都累积起来。即使是普通用户也会注意到配备固态硬盘的计算机性能显著提升。而高级用户则会真正感受到这种差异。游戏设计师、动画师以及其他渲染大型输出文件的人都是固态硬盘的早期采用者，仅仅是因为他们在读写大文件时可以节省大量累积时间。如今，游戏玩家、摄影师以及任何编辑图形或视频文件的人都会赞赏固态硬盘带来的速度提升。

最后，固态硬盘比传统硬盘耗电量少得多，这意味着它们能延长电池寿命并保持凉爽。它们也超级安静，没有硬盘那种嗡嗡声和咔嗒声。如果你经常旅行并且经常将电脑放在膝盖上，你会更欣赏这一点，但即使你的笔记本电脑大部分时间都处于连接状态，一台更凉爽、更安静的机器也能显著提高你的工作空间舒适度。

当然，没有哪项技术是完美的，固态硬盘也远非如此。在下一页，我们将探讨 NAND 闪存的缺点，以及为什么技术组合可能是最佳解决方案。

将你的硬盘更换为固态硬盘似乎是显而易见的。但在你做出更换之前，你应该了解固态硬盘的局限性。比如成本。尽管价格稳步下降，NAND 闪存仍然昂贵。例如，要在 PNY Prevail 固态硬盘上获得240千兆字节的存储空间，你可能需要花费280美元。那是每千兆字节1.17美元。另一方面，西部数据 Scorpio Blue 硬盘则以大约65美元的价格提供250千兆字节的存储空间。这相当于每千兆字节0.26美元。

还有寿命问题。固态硬盘中使用的 NAND 闪存只能进行有限次数的写入。为什么？因为固态硬盘无法在不先擦除然后一次性重写非常大的数据块的情况下写入单个信息位。每次单元经历擦除周期时，浮栅晶体管中都会留下一些电荷，这会改变其电阻。随着电阻的增加，改变栅极所需的电流也会增加。最终，栅极将完全无法翻转，使其变得无用。这种衰减过程不影响固态硬盘的读取能力，因为读取只需要检查而不是改变单元的电压。因此，NAND 闪存可能会“腐蚀”成只读状态。

一些制造商使用一种称为磨损均衡的技术来抵消 NAND 闪存的退化。这项技术将数据写入均匀分布到所有块上，以确保闪存均匀磨损，但即便如此，固态硬盘仍会随着时间而衰减。单层单元（SLC）类型的 NAND 闪存通常可提供50,000次编程/擦除周期。多层单元（MLC）类型的闪存——消费级产品中使用的那种——在大约5,000次循环后就会磨损。

因此，许多数据中心和技术人员会结合使用固态硬盘和硬盘驱动器。一种方法是在笔记本电脑中使用固态硬盘，并将传统硬盘作为外部存储来存放音乐、照片和其他文件。这结合了两者的优点——固态硬盘的超高速随机数据访问和硬盘驱动器相对便宜、高容量的特点。如果你觉得这不错，你就可以开始选购一款合适的固态硬盘了。

随着云计算占据个人和专业存储领域，为所有类型的消费设备提供强大的数据恢复和数据传输速度，固态硬盘已有所落后。尽管三星、希捷、闪迪、英特尔、金士顿等领先的固态硬盘制造商继续推出高质量的固态硬盘存储产品，但潮流已发生转变。

幸运的是，总会有人更喜欢传统的硬盘驱动器和固态硬盘存储来保存他们珍贵的数据。然而，随着数字化转型的持续，预计市场将走向小众化。

撰写这篇文章让我回想起大学里的计算机科学课程，那时我们学习了位、字节，当然还有内存。那时候，我坐在一台 Commodore 64（那是64千字节的内存）前，旁边还有一个5.25英寸的外置软盘驱动器！天哪，我们已经走了多远。

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