從20MB小可愛到100TB巨獸 細數30年固態硬碟進化之路

不知道大夥是否還記得自己的第一個固態硬碟有多大？自1991年閃迪發售第一款商用SSD開始，商用固態硬碟的發展已經在不知不覺間超過了30年。

每次談起固態硬碟，總難免要說到顆粒、主控的內容，我們很容易掉進“唯顆粒論”的怪圈，卻忽視了這些年來相關技術的發展。

實際上隨著主控與顆粒技術的不斷進化，固態硬碟產品早已實現了精細化場景分類，下面我們就從快閃記憶體、快閃記憶體型別、主控這幾個方面來聊聊固態硬碟這些年有哪些改變。

快閃記憶體顆粒 “超進化”：從2D NAND到3D NAND

聊起固態硬碟就有個無法繞開的話題坎，那就是玩家們經常討論到“顆粒”。

資深的玩家們應該知道，固態硬碟經常被討論到的晶片包括主控、快閃記憶體和DRAM，而關於顆粒的討論恰恰又是最高的那個。

目前被廣泛討論的快閃記憶體顆粒其實屬於NAND快閃記憶體，該型別的快閃記憶體自2009年出現在固態硬碟上至今，已經被廣泛應用到我們日常使用的個人電腦上。

NAND快閃記憶體的工作方式有個特點，就是如果我們要給已經寫入資料的快閃記憶體再寫入資料，需要先把它的資料擦除，才能重新寫入。

隨著被擦出和寫入的次數增多，NAND快閃記憶體會有耗損，這也是固態硬碟壽命用“擦寫次數”來形容的原因。

早期的NAND快閃記憶體都是鋪設在平面上的，被稱作“2D NAND”。

舉個不太恰當的例子，就像咱們設計停車場的停車位一樣，這個停車場能容納的車位都是有限的，為了應對越來越大的停車（資料儲存）需求，那隻好做多層的停車場，一層不夠那就做二層甚至三層。

在2D NAND時代，廠商為了儘量利用好有限的面積只有不斷用新工藝，但隨著串擾等問題導致快閃記憶體顆粒不再能單純依靠工藝進步帶來提升，東芝和三星開始押注3D NAND（三星將其稱作V-NAND）。

NAND快閃記憶體也同理，“2D NAND”的容量是有限的，那就做“3D NAND”，目前鎂光已經實現了176層NAND量產，快閃記憶體密度以及成本壓縮達到了空前高度。

在不久的未來，192層NAND也即將量產，屆時更高容量、成本更低的固態硬碟有望誕生。

商用快閃記憶體型別多樣化在爭議聲中成長的快閃記憶體型別：從SLC到QLC

根據工作原理，其資料儲存在半導體單元內，其中已經被廣泛商用的型別主要有四種，分別是SLC、MLC、TLC、QLC，其中SLC屬於1bit/cell，MLC屬於2bit/cell，TLC屬於3bit/cell，QLC屬於4bit/cell。

這個數值的意思是每個儲存單元的資料，比如SLC一個單元只有一位資料，單個儲存單元內的資料位數越多，就要求主控控制的精度越高。

因此SLC顆粒的耐用度P/E（壽命）、速度以及成本都是各型別中最高的，這些引數隨著單元內資料的增加而減少，從MLC到TCL再到QLC，未來甚至還有5bit/cell的PLC成為商用產品。

通過資料對比知道，SLC NAND快閃記憶體的擦寫次數在10000次以上，MLC NAND快閃記憶體的擦寫次數在3000-10000之間，TLC快閃記憶體的擦寫次數在1000-3000之間，QLC NAND快閃記憶體的擦寫次數在1000次以內。

在目前固態硬碟的應用場景中，使用純SLC NAND快閃記憶體的固態硬碟基本面向軍用或者商用了。

而MLC則大多以高階消費級產品和商用產品為主，應付咱們日常使用需求的固態硬碟，TLC NAND足矣，至於QLC NAND快閃記憶體的固態硬碟嘛，優點是容量足夠大，壽命的短板也可以被部分彌補。

就拿三星為例，他家的固態硬碟就涵蓋了這四種快閃記憶體型別，各自的代表分別為採用MLC 3D NAND的三星970 Pro、採用TLC 3D NAND的三星980/三星860 EVO以及採用QLC 3D NAND的三星860 QVO。

在聊到快閃記憶體型別的時候，玩家們常常“意難平”於消費級MLC快閃記憶體產品逐漸轉向商用，TLC快閃記憶體和QLC快閃記憶體開始成為消費級主流。

這個過程的確一直以來都備受爭議，但不可否認的是，消費者如今能用更少的錢買到容量更大，效能更高的固態硬碟產品。

主控晶片大升級：從技術完善，讀寫速度暴增幾十倍

廠商能放心地使用理論壽命更低的TLC和QLC快閃記憶體，原因是主控晶片愈發強大，我們能看到大多數固態硬碟引數都離不開主控，比如讀寫速度快慢、介面協定、TRIM支援、磨損平衡以及垃圾回收機制等。

從過去費用高昂，讀取速度僅有1、200MB/s的SATA固態硬碟，到如今順序讀取速度突破7000MB/s的PCIe 4.0固態硬碟，這些直觀的引數進化離不開固態硬碟主控的不斷升級。

固態硬碟的主控屬於整個產品的“中樞大腦”，一方面他要通過外部介面與主機進行資料通訊，接收和處理主機的明令，另一方面他還要管理“不那麼智慧”的快閃記憶體，更快速妥當地儲存資料，併兼顧快閃記憶體壽命。

從固態硬碟主控誕生至今，這個晶片已經得到了飛速發展，並支援更多保障資料完整和資料安全、監控硬碟健康、延長快閃記憶體顆粒壽命的技術，比如TRIM、S.M.A.R.T技術、壞塊管理、LDPC糾錯、斷電保護等等。

正因為有了愈發強大的主控，過去長期被消費者鄙夷的TLC固態硬碟才得以“翻身”成為目前消費級固態硬碟的主流，甚至催生了一批得到使用者認可的高階固態硬碟。

主控晶片如此重要，對主控的研發能力也就成為了儲存產品開發廠商的硬實力體現。

目前既有自研主控同樣輸出消費級產品的代表，自然是擁有強大供應鏈的三星，其自研主控只應用在自家產品上。

目前被應用在三星980 Pro上的Elpis主控，在搭配V-NAND 3-bit MLC快閃記憶體（即TLC）以及2GB DDR4 SDRAM時，可實現最高7000MB/s的順序讀取速度和5100MB/s的順序寫入速度。

此外，馬牌、聯芸、群聯、慧榮等主流一二線廠商，也針對不同定位提供了豐富的主控產品供第三方廠商採購，部分廠商還提供一站式的整合方案。

市面上的固態硬碟產品能呈現出百花齊放之勢，也離不開一眾主控方案提供商的努力。

單盤容量大跨越：從2007年的32GB到2020年的8TB

前面鋪墊的那麼多技術性的概念，對於咱們普通消費者來說，聊起硬碟首先想到的就是容量，畢竟作為影響咱們儲存資料多少最直觀表現，容量的變遷就是上面提到的快閃記憶體、主控等因素綜合體現。

迴歸到標題上，世界上第一個商用固態硬碟在1991年由閃迪推出，它的容量只有20MB。

到了2018年，由Nimbus Data推出的ExaDrive DC100 SSD具備了正如其名的驚人容量，這個100不是代表100GB，而是100TB！

這27年間商用級固態硬碟的容量翻了百萬倍，如果說商用產品距離咱們消費者端太遠，那不妨回到消費級產品。

從2007年閃迪釋出的2.5寸32GB固態硬碟，到2020年，消費者已經能買到8TB容量的固態硬碟，也怪不得越來越多消費者感知到，現在的固態硬碟的容量已經大有趕超機械硬碟的勢頭。

雖然目前我們能買到的大容量固態硬碟大概率是“不受待見”的QLC快閃記憶體產品，但是固態硬碟本身隨機讀寫效能優勢是機械硬碟難以比擬的，也是在可預見的未來裡，幫助大容量固態硬碟迅速普及的法寶。

至於玩家麼擔心的“壽命問題”，我們可以將當年初次使用TLC快閃記憶體的三星840 EVO與初次使用QLC快閃記憶體的860 QVO做對比，前者的1TB版本官方耐用值為72TBW，而後者1TB版本耐用值已經漲到360TBW。

雖然兩者均遠遠落後於三星870 EVO 1TB版本的600TBW，但這也說明憑藉如今的主控技術及快閃記憶體工藝，QLC固態盤的壽命沒有想象中糟糕。

值得再提一下的是，8TB容量版的三星870 QVO耐用值高達2880TBW，按每天寫入1TB資料來算也能使用將近8年。

我們真正擔心的是QLC固態硬碟的緩外效能衰減，以咱們評測過的三星860 QVO為例，其1TB版本的緩外寫入速度只有80MB/s，這已經是低於機械硬碟的水平了。

即便是4TB版本，其緩外寫入速度也僅有160MB/s，所以目前QLC固態硬碟的定位依舊是儲物盤，不太適宜頻繁讀寫的作業環境。

總結：固態硬碟早已融入生活

隨著固態硬碟產品的不斷改進和成熟，我們已經很久沒有再聽到過它是否會取代其他型別硬碟的爭論。

取而代之的是，我們見到越來越多的消費者在討論何種固態硬碟適合用在何種應用場景，這恰恰是固態硬碟真正融入到我們生活的證明。

目前消費級固態硬碟市場尚未有真正壟斷級的巨頭誕生，作為消費者的我們還能享受“百花齊放”的紅利。

不過隨著PCIe Gen5介面的升級，以及新型快閃記憶體的出現，或許新一輪的更新潮就要到來，就讓我們拭目以待吧。