聊一聊固态硬盘的那些事

补课环节

• 本环节可以先跳过，当你迷惑不解时，可以再来细看本部分。

擦写次数/寿命

• 所谓寿命，即理想状态下的擦写次数的阈值。
• ssd固态硬盘 为什么有擦写次数的限制？原理是什么？
• 专业的解答
  • 这个问题，要从SSD盘的结构说起。其由控制单元（主控芯片）和存储单元（闪存芯片）两部分组成。而影响写入寿命问题，就出在闪存器件上。
    • 闪存存储单元的物理结构中，用氧化物创建一个电场，电子穿过氧化物并储存电荷，记录一个电位值，即写入1位数据，擦除数据会向相反方向发生同样事件。问题是电子穿过氧化物的次数越多，氧化膜就会变的越弱，最终电场也不能阻止电子的自由活动了，这个单元就损坏了。
    • 因此，写和擦都是会减少氧化膜的寿命的，制造工艺又限制了该膜的厚度，其存储单元的寿命由此而来。理论值，SLC闪存擦写寿命10万次；MLC闪存擦写寿命1万次；TLC闪存擦写寿命500~1500次。
• 通俗的解答
  • 单元存储颗粒，你用多了，可能就消磁了，或者介质疲劳损坏了[可以理解为，就像是轮胎那样磨损了。
  • 一个单元颗粒，可以擦写1000次； 利用这些个单元颗粒，组成了100G的硬盘；当你正好写入100G的数据的时候，这个100G的硬盘，正好每个颗粒 被擦写了1次。
  • 个人的SSD硬盘，如果每天能写满100G，那1000次的颗粒硬盘，可以用1000天。
  • 平时我们的SSD，写入是非常少的，为了保证每个颗粒的使用频度；SSD有一套均衡机制，保证每个颗粒都能被使用到，而且尽可能的使用的平均。即使硬盘有些数据是始终只读的，在其它颗粒被频繁使用后，调度也会做出数据迁移，保证每个颗粒的平均使用度。
  • 所以一个固态硬盘，用个5、6年基本没问题

原片、白片、黑片

• “白片”是一种很通俗的叫法（半导体界），并没有太专业化的定义。
• 先从一片完整的晶圆（Wafer）说起：
  
• wafer 即为图片所示的晶圆，由高纯硅（Si）构成。一般分为6英寸、8英寸、12英寸规格不等，晶片就是基于这个wafer上生产出来的。Wafer上的一个小块，就是一个晶片晶圆体，学名die，封装后就成为一个颗粒。一片载有Nand Flash晶圆的wafer，wafer首先经过切割，然后测试，将完好的、稳定的、足容量的die取下，封装形成日常所见的Nand Flash芯片。那么，在wafer上剩余的，要不就是不稳定，要不就是部分损坏所以不足容量，要不就是完全损坏。原厂考虑到质量保证，会将这种die宣布死亡，严格定义为废品全部报废处理
  
• 品质合格的die切割下去后，原来的晶圆就成了下图的样子，就是挑剩下的Downgrade Flash Wafer(“黑片“就是从这里来的）。
  
• 被抠走的部分，也就是黑色的部分，是合格的die，会被原厂封装制作为成品NAND颗粒，而不合格的部分，也就是图中留下的部分则当做废品处理掉。
• 所以，原片是价格较高的产品，而黑片因为被当做垃圾，出售价格非常低，是按照吨计算的。
• 其实***白片就是封装后的原片中再检测到有瑕疵的颗粒，然后淘汰下来的垃圾。【颗粒的激光表上会有数道划痕】***正品的NAND中是不能有白片的。但晶圆厂为了回收一部分制造成本，也会将未打标的颗粒白片出售给下游渠道，然后这些渠道再将白片上打上其他标识出售。

总结

• 黑片与白片其实都是芯片制造过程中产生原片时的边角料，黑片是在原料阶段就被淘汰的部分，白片则是成品后再检测不合格的瑕疵品。

固态硬盘主控

• 固态硬盘的组成其实很简单，主控、闪存颗粒、缓存三者的集合体，缓存根据产品定位可有可无。
  
• 固态硬盘最重要的就是主控和闪存颗粒。
• 其中闪存颗粒负责存储信息，成本占整体的70%以上。
• 主控则是技术含量最高，是一个微处理器【就像是我们所熟悉的CPU】负责调配处理数据的存储等。

主控的作用

• 主控首先就是一个执行固件代码的嵌入式处理器，用来控制闪存颗粒的存储单元连接到电脑。其具体的作用表现在以下三点：
  - 合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，让所有的闪存颗粒都在一定的负荷下正常工作，协调和维护不同区块颗粒的协作，减少单个芯片的过度磨损。
  • 承担数据中转，负责连接闪存芯片和外部的SATA接口
  • 负责固态硬盘内部的各项指令，比如trim、错误检查和纠正、磨损均衡、垃圾回收、加密等。

闪存颗粒类型分类详解

• 固态硬盘最终的参数之一是闪存颗粒类型
• 闪存颗粒固态硬盘用来存储数据的东西
• 闪存颗粒的类型
• 根据NAND闪存中电子单元密度的差异，可分为
• 固态硬盘依靠闪存芯片来存储数据，里面存放数据最小单位叫作“Cell”，SLC每个cell可以存放1bit数据，MLC每个cell可以放2bit数据，TLC每个cell可以存放3bit数据，而QLC可以存放4bit数据。
  
• 我们将芯片可以看做一张画满格子的纸张，cell相当于纸张上的一个个的格子，数据看做是一个黄豆。也就是说，SLC方案每个格子中只能放入一颗黄豆，所以存储空间较小，MLC方案每个格子可以放入两颗黄豆，TCL方案每个格子可以放入三颗黄豆，而QLC方案每个格子可以存放四个黄豆，成本不变的情况下，存储空间较大。要知道这个纸张（芯片晶圆）价格也十分昂贵的，也就是说同样的晶圆如果做成SLC只有128G，做成MLC就有256G了，做成TLC的话变成512G，而做成QLC我们可以做成更大容量，而成本是相同的。
  

SLC Single-Level Cell——单层单元

- 1bit/一单元
- 查找数据，效率高
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• 优点
  • 读写速度最快的闪存芯片
  • 与任何其他类型的闪存相比
  • 擦写寿命和读写循环的周期最长
  • 读取/写入错误的发生几率更小
  • 可在跨度更大的温度范围内正常运
• 缺点
  • 一般存储容量小，并且价格昂贵

MLC Multi-Level Cell——双层单元

- 2bit/一单元
- 优点
	- 寿命长
	- 表现好
- 缺点
	- 不如SLC
	- 价格略贵
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TLC Trinary-Level Cell——三层存储单元

- 1bit/一单元  
- 优点
	- 性价比高
	- 成本低，价格便宜
- 缺点
	- 性能较差
	- 寿命短
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QLC Quad-Level Cell——四层存储单元

- 优点
- 4bit/单元
- 性价比高、实惠
- 缺点
- QLC的性能和写入寿命低。
- 比较适合把QLC SSD作为数据仓库的用户。

颗粒避坑

颗粒又有原厂颗粒，白片颗粒、黑片颗粒之分

原厂颗粒

• 能自主生产颗粒的厂家生产的颗粒
• 如：
  

白片【非实物颜色】

• 原厂检验不合格的瑕批品
• 第三方厂商从生产颗粒的厂商购买晶圆回来自己检测、封装并且打标的颗粒
• 成本较低，相较于原厂颗粒素质稍差

黑片【非实物颜色】

• 几乎报废的产品颗粒流入下游山寨厂商手中
• 封装工艺较差，这类颗粒往往封装非常粗糙和白片以及原厂片有非常明显的差距
• 大部分没有标识

其他类型

• 工程片
  • 颗粒的后缓都会有一个ES的标志质量跟白片差不多
  • 需要注意颗粒的批次，如果批次不同可能时东拼西凑的二手产品
    

拆机片

-  旧硬盘拆卸得来，东拼西凑的颗粒。
- 寿命不一，主控无法辨别，性能差，故障率极高
- 因为其工作电压不同，性能大大折扣
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划线片

• 颗粒的激光表上有数道划痕
• 被生产厂商认定为报废的产品
• 质量很差

打磨片

• 卖家或者山寨厂商未被发现售卖报废品，打磨掉黑片或者划线片上的标志
• 重新自己打印，容易识别