SSD固态硬盘30年的进化历史，如何从20MB容量进化到100TB巨兽？

不知道大家是否还记得自己的第一个固态硬盘有多大？自1991年第一款商用SSD开始，商用固态硬盘的发展已经在不知不觉间超过了30年。每次谈起固态硬盘，总难免要说到颗粒、主控芯片，我们很容易掉进「唯颗粒论」的循环，却忽视了这些年来相关技术的发展。

固态硬盘的前世

首先来说说最为普及的机械硬盘的缺点，由于机械硬盘必须由磁头，悬架，转轴和碟片组成的机械架构，而遗憾的是，由于机械架构的存在，硬盘不能像CPU那样透过制程的改进，在一定的空间内放置更多的电晶体提高性能。目前硬盘的主轴转速基本没有太大的提高空间了，主流的7200RPM已经很久没有提高了。而万转成本太高只用于企业级领域。

1970年代，StorageTek公司试图开发一款固态硬盘。但由于成本高昂，速度缓慢，性能不稳定，使得它被悄无声息的扼杀于摇篮之中。直到1989年，世界上第一块固态硬盘才应用于医疗和军用领域，但是依然属于少数。 1991年第一款商用SSD问世，当时只有20MB的容量，但是消费者依然不感兴趣。毕竟当时硬盘的成长还大有可为，没人对于这种昂贵的产品感兴趣。

一直到2007年7月，IBM在其刀锋服务器上，部署了SanDisk SSD，算是开始被主流承认需求，于是固态硬盘再一次走进了人们的视野。

实际上随着主控芯片与颗粒技术的不断进化，固态硬盘产品早已实现了精细化分类，下面我们就从闪存、闪存类型、主控芯片这几个方面来聊聊固态硬盘这些年有哪些改变。

▲ 闪存颗粒超进化：从2D NAND到3D NAND

闪存颗粒的演进

聊起固态硬盘就有个无法避免的话题，那就是玩家们经常讨论到的颗粒。资深的玩家们应该知道，固态硬盘经常被讨论到的芯片包括主控芯片、闪存和DRAM，而关于颗粒的讨论度恰恰又是最高的那个。

目前被广泛讨论的闪存颗粒其实属于NAND闪存，该类型的闪存自2009年出现在固态硬盘上至今，已经被广泛应用到我们日常使用的个人电脑上。

▲ 右侧两颗黑色芯片就是闪存颗粒

NAND闪存的工作方式有个特点，就是如果我们要为已经写入数据的闪存再写入数据，需要先把它的数据抹除，才能重新写入。随着被抹除和写入的次数增多，NAND闪存会有耗损，这也是固态硬盘寿命用「写入次数」来形容的原因。

早期的NAND闪存都是铺设在平面上的，被称作「2D NAND」。就像在设计停车场的停车位一样，在地面面积固定的情况下，无论路线如何精妙，这个停车场能容纳的车位都是有限的，为了应对越来越大的停车（资料储存）需求，那只好做多层的停车场，一层不够那就做二层甚至三层。在2D NAND时代，厂商为了尽量利用有限的面积，只有不断使用新工艺技术，但随着串扰等问题，导致闪存颗粒不再能单纯依靠工艺进步带来提升，东芝和三星开始押注3D NAND（三星将其称作V-NAND）。

▲ 3D NAND有助于降低成本

NAND闪存也是一样的道理，2D NAND的容量是有限的，那就做3D NAND，目前美光已经做到了176层NAND量产，闪存密度以及成本压缩达到了空前高度，在不久的未来，192层NAND也即将量产，届时更高容量、成本更低的固态硬盘有望诞生。

在争议声中成长的闪存类型：从SLC到QLC

根据固态硬盘的工作原理，其数据储存在半导体单元内，已经被广泛商用的类型主要有四种，分别是SLC、MLC、TLC、QLC，其中SLC属于1bit/cell，MLC属于2bit/cell，TLC属于3bit/cell，QLC属于4bit/cell。这个数值的意思是每个储存单元的数据，比如SLC一个单元只有一位资料，单个储存单元内的数据位数越多，就要求主控芯片控制的精度越高。

因此SLC颗粒的耐用度P/E（寿命）、速度以及成本都是各类型中最高的，这些参数随着单元内数据的增加而减少，从MLC到TCL再到QLC，未来甚至还有5bit/cell的PLC成为商用产品。

透过资料对比，可以更直观地知道不同类型的NAND闪存的参数差异，SLC NAND闪存的重复写入次数在10000次以上，MLC NAND闪存的重复写入次数在3000~10000之间，TLC闪存的重覆写入次数在1000~3000之间，QLC NAND闪存的重覆写入次数在1000次以内。

在目前固态硬盘的应用中，使用纯SLC NAND闪存的固态硬盘基本上以军用或者商用为主，而MLC则大多以高阶消费级产品和商用产品为主，应付日常使用需求的固态硬盘，只要使用TLC NAND足矣，至于QLC NAND闪存的固态硬盘，优点是容量足够大，单次完全擦写周期被延长了，寿命较短的缺点也可以被部分弥补。

▲ QLC颗粒让固态硬盘容量再上一个高度

以产品类型十分丰富的三星为例，该厂的固态硬盘就涵盖了这四种闪存类型，各自的代表分别为采用MLC 3D NAND的三星970 Pro、采用TLC 3D NAND的三星980/三星860 EVO以及采用QLC 3D NAND的三星860 QVO。

▲ 消费级MLC固态硬盘锐减成了消费者在意的事，图片来源unsplash

提起闪存类型的时候，玩家们常常在意于消费级MLC闪存产品逐渐转向商用，TLC闪存和QLC闪存开始成为消费级主流。这个过程的确一直以来都备受争议，但不可否认的是，消费者如今能用更少的钱买到容量更大，性能更高的固态硬盘产品。

主控芯片大升级：技术完善，读写速度暴增几十倍

厂商们能放心地使用理论寿命更低的TLC和QLC闪存，主要原因是主控芯片愈发强大，我们能看到的大多数固态硬盘参数都离不开主控芯片，比如读写速度快慢、接口协议、TRIM支持、磨损平衡以及垃圾回收机制等等。从过去费用高昂，读取速度仅有1、200MB/s的SATA固态硬盘，到如今顺序读取速度突破7000MB/s的PCIe 4.0固态硬盘，这些直观的参数进化离不开固态硬盘主控芯片的不断升级。

固态硬盘的主控芯片属于整个产品的中枢，一方面它要通过外部连接端口与主机进行数据通讯，接收和处理主机的命令，另一方面还要管理闪存，使其能更快速妥当地储存资料，并兼顾闪存芯片的寿命。

从固态硬盘主控芯片诞生至今，这个芯片已经得到了飞速发展，并支持更多保障数据完整和数据安全、监控硬盘健康、延长闪存颗粒寿命的技术，比如TRIM、S.M.A.R.T技术、坏块管理、LDPC调试、断电保护等等。

正因为有了愈发强大的主控芯片，过去长期被消费者鄙夷的TLC固态硬盘才得以成为目前消费级固态硬盘的主流，甚至催生了一批得到用户认可的高阶固态硬盘。主控芯片如此重要，对主控芯片的研发能力也就成为了储存产品开发厂商的实力的展现。

▲ Elpis主控芯片是目前三星的当家旗舰

目前既有自研主控芯片同样输出消费级产品的代表，自然是拥有强大供应链的三星，其自研主控芯片只应用在自家产品上，目前被应用在三星980 Pro上的Elpis主控芯片，在搭配V-NAND 3-bit MLC闪存（即TLC）以及2GB DDR4 SDRAM时，可实现最高7000MB/s的顺序读取速度和5100MB/s的顺序写入速度。

此外，马牌、联芸、群联、慧荣等主流一二线厂商，也针对不同定位提供了丰富的主控芯片产品供第三方厂商采购，部分厂商还提供一站式的整合方案。市面上的固态硬盘产品能呈现出百花齐放之势，也离不开一众主控芯片方案提供商的努力。

容量大跨越：从2007年的32GB到2020年的8TB

前面铺垫的那么多技术性的概念，但不得不承认，对于普通消费者来说，聊起硬盘首先想到的就是容量，毕竟作为影响储存资料多少最直观表现，容量的变迁就是上面提到的闪存、主控芯片等因素综合体现。

回归到标题上，世界上第一个商用固态硬盘在1991年由SunDisk（即现在的SanDisk）推出，它的容量只有20MB，到了2018年，由Nimbus Data推出的ExaDrive DC100 SSD具备了正如其名的惊人容量，这个100不是代表100GB，而是100TB！这27年间商用级固态硬盘的容量翻了百万倍，如果说商用产品距离消费者端太远，那不妨回到消费级产品。

从2007年SunDisk发布的2.5寸32GB固态硬盘，到2020年，消费者已经能买到8TB容量的固态硬盘，也怪不得越来越多消费者感到，现在的固态硬盘的容量已经大有赶超机械硬盘的趋势。虽然目前我们能买到的大容量固态硬盘大多是QLC闪存产品，但是固态硬盘本身随机读写性能优势是机械硬盘难以比拟的，也是在可预见的未来中，帮助大容量固态硬盘迅速普及的法宝。

▲ 一枚QLC颗粒容量高达1TB，使用寿命已不是最该关心的问题

至于玩家担心的寿命问题，我们可以将当年初次使用TLC闪存的三星840 EVO与初次使用QLC闪存的三星860 QVO做对比，前者的1TB版本官方耐用值为72TBW，而后者的1TB版本官方耐用值已经涨到360TBW，虽然两者均远远落后于三星870 EVO 1TB版本的600TBW，但这也说明如今的主控芯片技术及闪存工艺， QLC固态硬盘的寿命没有想象中糟糕。值得一提的是，8TB容量版的三星870 QVO耐用值高达2880TBW，按每天写入1TB数据来算，能使用将近8年。

▲ 缓外写入速度不理想是QLC劝退消费者的主要原因

我们真正担心的是QLC固态硬盘的缓外性能衰减，以测试过的三星860 QVO为例，其1TB版本的缓外写入速度只有80MB/s，这已经低于机械硬盘的水平，即便是4TB版本，其缓外写入速度也仅有160MB/s，所以目前QLC固态硬盘的定位依旧是储存装置，不太适宜频繁读写的作业环境。