指掌之间装下1T文件，固态硬盘的秘密都在这了

下一个获得突破的PC配件，你觉得会是什么？

最近15年PC中得到跨越式发展的配件，首屈一指的应该是硬盘。

与曾经的机械硬盘相比，如今的中高端固态硬盘，容量足够大的同时，速度实现了20倍以上的提升，并且还将体积缩小到了过去无法想象的地步。

我们最近拿到了一款Solidigm出品的M.2固态硬盘。今天我们借这款产品，看看是什么样的魔法，能把1个T的文件压缩在了这半张卡片大小的固态硬盘上。

我们知道，无论图片、音乐还是视频，当它们以数字形式存储在硬盘上时，本质都是无数个0和1的组合，硬盘的功能其实就是记录并读取这些0和1。

机械硬盘是利用磁头和碟片。磁盘上有存储用的小区块，磁盘转动配合机械臂摆动，磁头定位到需要的内容后，改变其磁场状态，完成读取或写入的动作，磁化的小区块是1，去磁化的是0。

所以不难理解，机械硬盘要想扩大容量，就得增加碟片尺寸和数量，相应的磁头也要变多，于是也就很难控制硬盘的体积。

与使用机械结构的机械硬盘不同，固态硬盘则是利用微观层面的电子隧穿来工作，这就让压缩硬盘体积成为了一件可能的事。具体来说，固态硬盘最小存储单元是“浮栅晶体管”，它们通过控制电子运动，来存储数据。在控制级G施加一个高压，就可以让电子穿过隧穿层，进入浮栅层。即使断电，这些电子也会被锁在浮栅层中。

而通过检测浮栅层中的电子数量，就可以记录0或1的数据状态。浮栅层中电子数量高于阈值时就是0，反之为1。这样就能存1bit的数据。

简单理解，往硬盘里写数据就是改变电子数量，读内容，就是判断浮栅层中的电子多少。

不过随着时间流逝，会有一些浮栅层的电子逃逸出去，而当“越狱”的电子达到一定数量时，硬盘中的数据就会丢失，这也就是很多人会说的固态硬盘尽量要定期通电，数据才不容易丢失。

严格意义上，世界上第一款商用固态硬盘诞生于1991年，只有20M容量，价格高达1000美元。

此后固态硬盘开始逐渐走进民用领域，但价格一直居高不下。它真正被普通消费者使用的时间其实不算长，这中间是发生了什么技术变化，把成本打下来了吗？

先看个例子，现实中，这样一张约3MB大小的照片虽然看着糊，可也有2500多万bit的数据，就是2500多万个0或1。

我们刚才说一个浮栅晶体管可以存1bit数据量，那就需要2500多万个浮栅晶体管来储存3MB的图片，这便是最早的SLC技术。

‍为了提高固态硬盘存储密度，工程师想出一个更有效率的办法，让闪存内每个晶体管不再只有两种状态，这样就能表示出更多位数据。比如当它有四种状态，就能表示出两位的0或1，也就是2bit数据。如果状态还能更多，那就能表示出3bit或4bit的数据，这就是所谓MLC、TLC、QLC技术。

‍使用QLC技术，浮栅层中的电子数量可以有16种不同的状态，能够记录4位的二进制0或1数据，于是1个晶体管就能存4bit数据。

也就是说，SLC用2500多万个浮栅晶体管才能存储的3MB照片，QLC固态硬盘只需要用600多万个晶体管。

还有一种办法，是在设计制造时，将原本仅横向分布的浮栅晶体管垂直堆叠，大幅提升单位面积存储量。相当于把一片平房建成了高层，就可以住进更多的住户。

更具体的看，这是一个晶体管，把它纵向叠加后就成了一“串”，横向则是一“页“，横纵一面延伸出的是一“行”。很多行组成一个区块，多个区块则构成了硬盘上的这块NAND芯片。

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‍这就是所谓的3D NAND技术，它在提升固态硬盘的容量和读写速度的同时，还能降低功耗，是存储行业的一项突破性技术。

能否把它叠得更高，也反映了厂商的技术实力。我们手里这块Solidigm P41 Plus已经堆到了144层，存储密度是单层SLC硬盘的百倍以上。

而为了能在海量堆叠的浮栅晶体管中找到我们想要读取的数据，固态硬盘会给晶体管进行分区。

比如当电脑读取这一张3MB图片时，这种分区方法，就能很快的从密密麻麻结构中，准确地去找第几区块内，第几页的哪个数据。

‍为了让数量庞大的数据实现快速读写，就需要硬盘的主控芯片发挥作用了，他就像固态硬盘的大脑，发挥着指挥协调的作用。这也是虽然都使用NAND芯片，但固态硬盘相对于闪存速度快很多的主要原因。

总体来说，一方面是QLC技术和堆叠工艺的进步，另一方面是摩尔定律支配下半导体制程工艺的提升，让存储单元的宽度只有几十甚至十几纳米，所以固态硬盘的体积可以不断变小，容量不断变大，读写速度不断变快，于是我们手中这块Solidigm P41 Plus，也就只有卡片大小了。

两年前Intel把NAND闪存和存储业务出售给了SK海力士，并在去年成立了新的品牌Solidigm，可以说它有双重的技术优势传承，是两家在存储领域拥有雄厚技术积累的大厂的合作产品。

这块售价500多的Solidigm P41 Plus 1TB，它使用了我们上面介绍的QLC和3D NAND技术。标称4125MB/秒和2950MB/秒的缓内顺序读写。搭配使用Solidigm Synergy软件，还可以优化性能，提供极快的访问速度。

寿命方面，1TB版本耐用度400TBW，2TB版本800TBW。意味着在报废前，能至少让你往硬盘里写入1.33亿或2.66亿张3MB照片。

我们也用实验室的设备，针对这款硬盘的读写数据进行了实测，另外结合日常使用场景我们也做了一些测试。从测试结果来看，总体上说，符合这个价位的主流水平，对于普通消费者完全够用了，对于经常要传输超大文件的用户还是建议直接上手旗舰产品。

最后我们想说，今天对硬盘技术的介绍，只能算是管中窥豹，有兴趣的朋友可以阅读专业书籍来了解更多。其实从硬盘的发展中我们也能看到，任何硬件的发展都是渐进式的。

固态硬盘的大规模普及，用了20年左右的时间才完成技术积累，直到现在还在不断进化中。科技行业的演进大致如此，从硬盘这样的配件，到PC、手机这样的品类，概莫能外。

科技对世界的改变从未停歇，而一次小小的爆发，就可能让我们的生活彻底改变。

本文来自微信公众号“X科技实验室”（ID:xtech2020），作者：X科技实验室，36氪经授权发布。