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TLC/QLC硬盘的死结 SSD为什么会掉速?

2019-04-21 19:04:48 电脑百事网 编辑:草根 浏览数:12草根网

本文转载自超能网,其他?#25945;?#36716;载须经超能网同意。如今已经是9102年了,装机、升级电脑首选SSD硬盘的理念早就深入人心了,再加上这一年多来NAND闪存价格不断下滑,SSD硬盘价格应声回落,1TB容量的SSD硬盘千元内售价已...

本文转载自超能网,其他?#25945;?#36716;载须经超能网同意。

如今已经是9102年了,装机、升级电脑首选SSD硬盘的理念早就深入人心了,再加上这一年多来NAND闪存价格不断下滑,SSD硬盘价格应声回落,1TB容量的SSD硬盘千元内售价已经是主流,而?#19968;?#21487;以买到更高性能的M.2硬盘而非SATA硬盘,不怕死的话还可以考虑一些将近5毛/GB的杂牌SSD硬盘,买来当仓库盘还是可以的。回头看看多年不降价的HDD硬盘,机械硬盘市场日薄西山不是没道理的。

但是HDD硬盘逐渐远离桌面、笔记本电脑市场,这就能代表SSD硬盘各种完美了吗?还真不是,如今在大降价的环境下SSD硬盘各种“真香”,但它还是有一个让人糟心的问题——掉速。对于SSD硬盘掉速,长期使用过SSD硬盘的玩家应该有体会(也有人其实没意识到这个问题),今天的超能课堂我们就来谈谈SSD硬盘的掉速问题。

对于SSD硬盘掉速,目?#23433;?#27809;有准确的定义,这里我们就按照?#32622;?#24847;义上的掉速将其理解为“性能下降”,分析目前可能导致SSD掉速的种种原因及解决方案。

·SSD掉速之SLC、MLC、TLC到QLC变迁

闪存类型的升级也是SSD硬盘掉速的原因吗?仔细想想的话还真没错,?#23548;?#19978;我们可以说正是闪存类型不断变化才导致了SSD硬盘掉速问题越来越严重,如果我们还在使用SLC闪存,那掉速问题早就不是事了,只不过SLC闪存硬盘这事别想了,最好的闪存意味着最贵的成本,即便厂商现在还敢把SLC闪存当主力,普通消费者也用不起。

从SLC、MLC到TLC再到QLC,由于cell单元可以保存的电荷位越来越多,容量在不断增加,相应地成本在下降,但是NAND闪存先天的特性就注定了电位越多,控制就越复杂,写入数据的时间就越长,导致性能大幅下滑(主要是写入性能,读取性能还好)。

我们现在看到的TLC、QLC闪存的硬盘性能指标还不错,SATA接口的也能达到500MB/s写入速度,M.2接口的视PCIe 3.0通道数不同,写入性能可达1GB/s、2GB/s甚至更高,但是这样的性能是施了魔法之后的,是理想情况下的性能。

上图就是英特尔QLC闪存的660P硬盘的?#23548;时?#29616;,随着写入数据量的增加,缓存空间用完之后QLC原始性能就暴露无遗了,写入速度就降至100MB/s,这性能没比HDD硬盘快多少了。

·SSD掉速之垃圾回收GC、TRIM

提到SSD硬盘掉速问题,老玩家可能还会想起来早些年浦科特 在自家M系列高性能SSD硬盘中宣传的不掉速功能,这个卖点当时是吸引了不少SSD?#27809;?#30340;,考虑到那时候MLC闪存还是市场主力,SSD硬盘掉速主要是因为当时的主控管理机制问题所致。

具体来说就是SSD的GC垃圾回收以及TRIM指令问题,如果大家看过我们之前的科普文章,就知道NAND闪存特殊之处就在在于写入文件的方式,需要一块一块的?#22659;?#30001;于各种写入、?#22659;?#25805;作会在SSD留下杂乱的数据,其中有些是还有用的,有些就是无效的,GC功能启动之后就把有用的数据拷贝到另外的区块,原来存储数据的区域就会被清楚,恢复空盘水平以准备写入新的数据,SSD硬盘的性能也就恢复了。

除了GC垃圾回收机制,微软在Windows 7及之后的系统还引入了TRIM指令,这是基于SATA控制器的一个指令,一旦有文件?#22659;?#25110;者?#26234;?#26684;式化,操作系统就会发TRIM指令给SSD主控告诉它某处的数据已经?#22659;?#20102;,SSD因而知道那些数据是能动那些不能动的,之后就可以进行清空操作以恢复性能了。

GC及TRIM也能影响SSD硬盘的掉速,不过现在来说这些功能已经变成了SSD的基本功能,操作系统上的支持也不是问题了,因为这两个问题导致SSD掉速的现象少多了。

·SSD掉速之840 EVO掉速门

从SLC到MLC再到TLC、QLC,不仅闪存的性能在逐渐下降,其实可靠性也是在降低的,?#20174;?#21040;物理层就是由于TLC、QLC闪存存储的电荷位更多,控制也更复杂,而随着时间的流逝,电子的活性也会损失的,在TLC闪存刚问世的时候,三星840 Evo就出现过长期不用导致性能下降的问题。

840 EVO掉速门事件就是说它在读取存储超过数周或者数月的旧文件时,速度严重不如预期,官方指标中840 Evo读取速度超过450MB/s,但读取旧文件时速度就低至60MB/s,速?#35753;?#26174;下降。

对于这个问题,三星之后也做了调查,表示“借助闪存管理软件算法,SSD通常会随时间校正Cell单元的状态,840 Evo的读取-重试(read-retry)操作太过激进,导致了整体读取性能的下降。这?#26234;?#20917;只会发生在其内部Cell单元无数据变化的情况下,如果这个单元的数据随后迁移了或者被覆写了,这就不会有性能下降的问题 。”

最后三星发布了新固件,解决了840 Evo掉速的问题。在这个问题上,三星没有承认这是TLC闪存的问题,但在发展初期,TLC闪存从闪存到主控管理都是有些问题的,出现这个问题并不意外。

·SSD掉速之主控过热保护

上面提到的SSD掉速都是围绕闪存而言的,但SSD主控其实也会影响SSD掉速问题,这主要是由于SSD硬盘的过热保护问题引起的,SATA硬盘上基本上没这么问题,主要是在高性能M.2硬盘大量上市之后才比较集中的。

SSD主控本质上也是基于ARM或者自研架构的CPU,为了提高性能,SSD主控往往也是多核心架构了,三核甚?#20102;?#26680;主控不少见,高负载下发热也是个问题。对于高性能PCIe、M2接口的SSD硬盘来说,由于空间?#21015;。?#21457;热集中,主控区域的温度超过90°C甚至上百度都很正常,为了避免高温损坏,SSD硬盘会有温控机制,检测到温度过高就会降频,进而减少发?#21462;?/p>

不过降低主控频率,?#23548;?#19978;也会降低SSD性能。要想解决因为发热掉速的问题,最常用的手段就是提高散热效果,比如三星在970 Pro硬盘的主控设计就使用了更好的封装,整个主控使用了金属外壳封装,提高了导热性能。

当然,更直接的手段还是加装散热片,所以大家可以看到各种M.2硬盘都开始流行散热马甲了,影驰之前还推出了铁甲战将M.2硬盘,使用了厚度惊人的散热片,虽然样子难看了点,但是效果杠杠滴。

除了上面介绍的这些掉速原因,其实还有一些别的因素会影响SSD性能正常发挥,比如4K?#27426;云搿?#21516;步/异步闪存、AHCI/IDE模?#38477;?#31561;,不过这些操作现在来说并不是主要问题了,以前是问题主要还是SSD不普及,很多人不懂设置,而现在Windows系统自己就加入了很多SSD优化设置,第三方工具对SSD的支持也到位了。

SSD硬盘的缓存结构:从DRAM Cache到SLC Cache

以上有关SSD掉速的内容涉及到方方面面,不过对单个SSD硬盘来说,SSD掉速问题没那么复杂,下面我?#19988;?#36827;入正题了,先来看看现代SSD硬盘的基本结构:

不论SATA还是M.2硬盘,它们的PCB布局都差不多,上面的M.2硬盘从左到右分别是DRAM缓存、主控及NAND闪存,其中主控及NAND闪存是必不可少的,DRAM缓存可以有也可以没有,没有的主要是低端SSD硬盘,减少DRAM缓存可以降低成本,特别是过去两年中DRAM内存因为大涨价,低端SSD更加流行无DRAM缓存的方案,它们会用过HMB主机内存缓存来弥补导致的性能损失。

对于高性能的SSD硬盘,DRAM缓存不可少,因为就算是DDR3缓存,其带宽也能达到数GB/s甚至十几GB/s,远高于SSD闪存的性能,对提升性能还是很有帮助的,现在三星等公司在高端SSD上已经开始使用DDR4-2133做缓存了。

至于DRAM缓存容量,容量少的有128MB,256MB、512MB比较常见,随着SSD硬盘越来越大,1GB缓存的也不少见了,一般来说是1TB闪存配1GB  DRAM缓存,越高越好。

DRAM缓存是现代SSD硬盘的第一道缓存结构,从硬盘上读取数据首先就是看DRAM缓存中有没有需要的数据,如果有,那就先用这里的,所以速度会很快,如果缓存中没有再去NAND闪存中寻找,速度就是NAND闪存的了,相对来说慢很多。

总的来说,DRAM缓存对SSD硬盘来说是锦上添花的,从DRAM缓存到NAND闪存也是存在掉速的,不过通常这种调速大家是感受不出来的,毕竟缓存容量还是太小了,很容易就超出。

SSD硬盘大部?#26234;?#20917;下还是要?#35272;礜AND闪存自身性能的,但我们都知?#26469;覵LC到MLC再到TLC及现在刚刚兴起的QLC闪存,写入性能是不断下降的,原始的TLC、QLC闪存性能非常难看,不加修饰的话QLC闪存写入性能可能都没有100MB/s,HDD硬盘都?#20154;?#24555;不是吹的。

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