固態(tài)硬盤大家都不陌生，大多數(shù)人對固態(tài)硬盤的了解就是固態(tài)硬盤比機械硬盤快，那為什么固態(tài)硬盤比機械硬盤快？固態(tài)硬盤比機械硬盤快多少？對于我們的體驗影響能有多少？億說電腦張一張通過詳解固態(tài)硬盤和機械硬盤的原理來告訴大家答案。

一、機械硬盤的工作原理

先說說機械硬盤的工作原理，（圖）硬盤的主要結(jié)構(gòu)有馬達(dá)、磁盤、磁頭臂、磁頭。機械硬盤在工作的時候磁頭會懸浮在硬盤表面上幾納米，磁盤面上有很多的小格，小格內(nèi)又有很多的小磁粒，這些磁粒具有一定的極性，當(dāng)磁粒的極性沖下的時候視為0，磁粒極性沖上的時候視為1，這樣讀取磁頭就可以做到讀取數(shù)據(jù)了。而寫入磁頭可以利用磁場改變磁粒的極性，這樣就可以做到寫入和改寫數(shù)據(jù)了。為了能夠精準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù)所在磁盤面的位置，磁盤本身又被劃分了無數(shù)的扇區(qū)和磁道，所設(shè)有一個數(shù)據(jù)在第四磁道第六扇區(qū)上，磁頭會優(yōu)先擺動到第四磁道上空然后等待著第六扇區(qū)轉(zhuǎn)過來，當(dāng)?shù)诹葏^(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下面的時候就可以讀取它的數(shù)據(jù)了，這便是機械硬盤的工作原理了。正是因為機械硬盤是利用磁粒極性來存儲數(shù)據(jù)的，所以機械硬盤又被叫做磁盤。

二、固態(tài)硬盤的工作原理

相比機械硬盤而言，固態(tài)硬盤就比較高級了，固態(tài)硬盤是量子力學(xué)的實際應(yīng)用，它存儲數(shù)據(jù)的基本單元叫浮柵晶體管，浮柵晶體管的基本結(jié)構(gòu)主要有四個：存儲電子的浮柵級、控制極、P極、原極和漏極。浮柵當(dāng)中存儲著一定的電子，電子數(shù)量高于一定的值就是0，低于一定值就是1。往控制極施加電壓，原極和漏極如果導(dǎo)通了就說明浮柵里存在大量的電子，判斷為0；如果沒有導(dǎo)通說明浮柵里沒有或者有少量的電子，判斷為1。這樣就可以實現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)了。而寫入或者改寫數(shù)據(jù)的時候往P極施加電壓，就可以從浮柵中析出電子，而往控制極施加電壓就可以吸回電子，這樣就可以進行寫入和改寫操作了，這便是固態(tài)硬盤的工作原理。

三、固態(tài)硬盤的組成部分

??? 無數(shù)的浮柵堆疊在一塊就可以存儲大量的0和1的數(shù)據(jù)，這個東西就是NAND顆粒，就是固態(tài)硬盤表面那些一個一個的黑塊。硬盤的主要結(jié)構(gòu)除了顆粒以外還有另外兩個個重要的部件就是主控和緩存，主控控制著固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)流入與流出，并針對NAND顆粒里的數(shù)據(jù)進行管理與分配，緩存用于主控和顆粒之間的交互。

?? ?四、固態(tài)硬盤與機械硬盤對比

通過對比機械硬盤和固態(tài)硬盤的原理，我們發(fā)現(xiàn)相對于固態(tài)硬盤這種純電路結(jié)構(gòu)，機械硬盤實際上是存在很多弊端的。

機械硬盤延遲很高，在讀取數(shù)據(jù)之前需要先擺磁頭臂到對應(yīng)的磁道上，還要等待扇區(qū)轉(zhuǎn)過來，現(xiàn)在臺式機用的機械硬盤大部分都是7200轉(zhuǎn)/分鐘，筆記本5400轉(zhuǎn)/分鐘，這兩個操作會導(dǎo)致大約十幾毫秒的延遲，十幾毫秒對我們來說可能微不足道，但是對于動輒幾千兆赫茲的內(nèi)存和幾G赫茲的CPU來講就顯得太高了。而固態(tài)硬盤全程都是電子交互，電氣信號的速度肯定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過磁頭臂的磁盤這種機械結(jié)構(gòu)。此外如果我們的數(shù)據(jù)是隨機分散在磁盤的各個角落的話，機械硬盤就需要經(jīng)過多次的尋道和尋址，多次等待扇區(qū)轉(zhuǎn)動到磁頭底下，以至于機械硬盤在讀取分散文件時性能就會顯得異常的弱雞，這就是我們所說的隨機讀寫性能低下。

五、固態(tài)硬盤與機械硬盤性能測試

??? 機械硬盤到底有多慢呢，用一組數(shù)據(jù)說明一下，億說電腦張一億通過測試軟件ASSSD來測試了一下數(shù)據(jù)，這個軟件可以快速的反饋磁盤的基本性能，當(dāng)然了，數(shù)據(jù)我們只是參考并不能代表實際體驗效果。分別測試機械硬盤、SATA3固態(tài)硬盤和M.2 NVME固態(tài)硬盤，如下圖：

??? （1）第一個參數(shù)是連續(xù)讀寫，這個參數(shù)主要影響單個或幾個數(shù)量比較少的獨立大文件，比如幾個G的電影或是幾個G的壓縮包這類的數(shù)量不多但單個體積龐大的連續(xù)性文件。讀寫這部分?jǐn)?shù)據(jù)的時候就會涉及到連續(xù)讀寫，大部分情況就是拷貝電影、復(fù)制壓縮包或者很多的大圖片之類的。所以這個參數(shù)對于日常使用的體驗影響并不是很大。如果數(shù)據(jù)連續(xù)分布在機械硬盤的扇區(qū)上的話只需要一次尋道就可以讀取了，所以機械硬盤連續(xù)讀寫的速度還是可以的，大部分的機械硬盤都可以做到100MB-200MB/秒。而SATA3固態(tài)硬盤因受制于接口最多能跑到500MB/秒。M.2 MVME固態(tài)則可以達(dá)到2GB/秒。

??? （2）第二個參數(shù)為單線程4K隨便讀寫，這個是測試體積不大但數(shù)量很多的分散性文件，比如我們玩的游戲或是我們用的操作系統(tǒng)，它是由無數(shù)個幾十KB幾百KB最多幾MB的零散文件組成的。這種讀寫操作由于單個文件不大很快就能完成，但是讀取完一個數(shù)據(jù)后馬上就要找到下一個數(shù)據(jù)再進行讀取，然后讀取完了再找下一個，所以這個4K隨便讀寫就是考驗硬盤的尋道和尋址能力，然而機械硬盤我剛剛說了它隨機讀取性能低下，因些可以看到在單線程4K讀寫速度上機械硬盤連1MN/秒都達(dá)不到，但是我們平用的用大部分軟件和操作系統(tǒng)都是無數(shù)零散小文件組成的，所以這個參數(shù)最影響我們?nèi)粘Ｊ褂皿w驗的！再來看SATA2固態(tài)硬盤可以達(dá)到40MB/秒，M.2 NVME固態(tài)硬盤甚至達(dá)到了60MB/秒。單這一個參數(shù)，固態(tài)硬盤完爆機械硬盤！

??? （3）第三個參數(shù)為64線程的隨機讀寫，它是指一次做多個單線程的4K讀寫，因為我們的軟件在請求數(shù)據(jù)的時候不太可能只要一串?dāng)?shù)據(jù)，大多數(shù)情況下它會同時需要很多的數(shù)據(jù)，這時候就需要同時進行多個線程的4K隨機讀寫，專業(yè)點說就是多線程4K隨機讀寫，這里測試的就是并發(fā)64線程的隨機讀寫。我們看到機械硬盤的速度還是少的可憐，只有2MB/秒。再看看SATA2固態(tài)硬盤和M.2 NVME固態(tài)硬盤的速度，輕輕松松幾百MB上千MB，又一次完爆了機械硬盤！

（4）第四個參數(shù)為訪問延遲，這個比較好理解，機械硬盤延遲為十幾毫秒，兩個固態(tài)硬盤都是零點幾毫秒。

六、總結(jié)

??? 通過億說電腦張一億用ASSSD測試出的四個參數(shù)，我們能體會到機械硬盤在固態(tài)硬盤面前到底有多慢了吧。當(dāng)然這個參數(shù)只是用來參考的，并不是分?jǐn)?shù)越高速度就一定越快，因為很多固態(tài)硬盤的跑分并不能做到全盤的速度都這么快，大部分硬盤為了提高性能主控并不是直接訪問NAND顆粒本身的，在顆粒與主控板之間有一個緩存，主控交互數(shù)據(jù)的時候優(yōu)先和緩存進行交互，緩存在空閑的時候把數(shù)據(jù)寫入顆粒。所以我們跑出1G的數(shù)據(jù)有可能是跑的緩存的性能，很多的固態(tài)硬盤緩存跑完之后主控只能直接和顆粒進行交互，這時候就會出現(xiàn)階梯式的性能下降，這就導(dǎo)致了有些硬盤跑分很高，但實際用起來緩存一爆馬上原形畢露了。所以我在前面就講了ASSSd測試的數(shù)據(jù)只能用作參考，你可不能全信哦！

??? 因上述原因，所以很多搞硬盤營銷的往往拿著跑出幾G的ASSSD的測試結(jié)果給大家看，大家千萬不要被蒙蔽了，其實根本沒有參考價值的。經(jīng)過億說電腦張一億的深入詳解，現(xiàn)在大家對機械硬盤和固態(tài)硬盤的速度是不是有了更深入的了解了呢！