问题

固态硬盘的寿命和容量有关系吗?

回答
确实,固态硬盘(SSD)的寿命和容量之间存在着千丝万缕的联系,并非简单的“容量越大寿命越长”或“容量越小寿命越短”这样二元对立的关系。理解这其中的逻辑,需要我们深入了解SSD的工作原理以及一些关键的技术指标。

首先,我们得明白SSD的寿命是如何衡量的。与机械硬盘(HDD)磨损的是物理部件不同,SSD的寿命主要体现在其闪存颗粒(NAND Flash)的写入次数上。每一颗闪存颗粒都有一定的“擦写循环次数”(Program/Erase Cycles,简称P/E Cycles)上限。简单来说,闪存颗粒可以被写入和擦除一定次数,次数耗尽后,颗粒就会失效。

SSD厂商通常会用 TBW (Terabytes Written) 来表示一块SSD的总写入量寿命。例如,一块标称TBW为300 TBW的SSD,意味着它理论上可以写入300TB的数据总量。另一个衡量寿命的指标是 DWPD (Drive Writes Per Day),即每天可写入驱动器的次数,这通常是以SSD的保修期来计算的。例如,一块256GB的SSD,保修期为3年,如果标称DWPD为0.5,则意味着每天可以写入 256GB 0.5 = 128GB 的数据,三年总共可以写入 128GB 365天 3年 ≈ 139TB 的数据。这个数据要比直接的TBW看起来要小一些,但它更贴近实际使用场景。

那么,容量是如何影响这个寿命的呢?这里面涉及到一个非常重要的技术:磨损均衡(Wear Leveling)。

磨损均衡的原理与容量的关系

SSD控制器内部有一个非常聪明的算法,叫做磨损均衡。它的核心思想是让SSD内部所有闪存颗粒的写入次数尽可能地保持均衡。想象一下,如果一块SSD有100个闪存颗粒,理论上每个颗粒都能承受1000次擦写循环。如果没有任何磨损均衡,而你的数据总是写在颗粒A上,那颗粒A可能很快就用完了寿命,而其他的颗粒还很健康。这就是“坏块”的形成。

磨损均衡算法就像一个勤劳的管家,它会记录每个闪存颗粒的使用情况,并且在写入新数据时,优先选择那些写入次数较少的颗粒进行写入。这样,所有颗粒的寿命都能被最大限度地“平均利用”起来。

容量越大,颗粒越多,磨损均衡效果越好

这就是容量与寿命产生联系的关键点:

更多的颗粒容量,意味着SSD内部拥有更多的闪存颗粒单元。 对于一块容量更大的SSD(比如1TB),它内部的闪存颗粒数量通常会比同代同工艺的低容量SSD(比如256GB)要多得多。
更多的颗粒,为磨损均衡提供了更大的“缓冲空间”。 试想一下,一个装有1000个瓶子的仓库,和一个装有100个瓶子的仓库。当你要给每个瓶子都打上一个编号时,在1000个瓶子的仓库里,你分配给每个瓶子的工作量(被打上编号的次数)就会少很多。同样的道理,在容量更大的SSD中,有更多的闪存颗粒可以分担写入的任务。这意味着,在进行相同的总写入量时,每个闪存颗粒平均承受的写入次数会更少。
寿命以“总写入量(TBW)”衡量时,容量大的SSD往往拥有更高的TBW。 这不是凭空来的。一个1TB的SSD之所以能做到比一个256GB的SSD拥有更高的TBW(比如1TB SSD的TBW可能是300TBW,而256GB SSD的TBW可能是150TBW),就是因为其内部更多的闪存颗粒通过磨损均衡机制,分摊了总的写入压力。

举个例子:

假设我们有一块256GB的SSD和一块1TB的SSD,它们都使用了相同工艺的TLC闪存,单个颗粒的擦写寿命是1000次。

256GB SSD: 假设它由256个闪存芯片组成(这是简化说法,实际是更小的NAND颗粒),每个芯片的容量是1GB。为了达到256GB的容量,它可能使用了256个这样的芯片单元。在磨损均衡的理想情况下,每个单元的平均擦写次数可能要达到1000次。
1TB SSD: 同样的技术,1TB的SSD可能由1024个闪存芯片组成,每个单元的平均擦写次数同样是1000次。
那么,256GB SSD的总写入量寿命 ≈ 256GB 1000次擦写 ≈ 256TB
而1TB SSD的总写入量寿命 ≈ 1024GB 1000次擦写 ≈ 1024TB
当然,这只是一个非常简化的计算,实际TBW还会受到其他因素影响,但核心逻辑是清晰的:容量越大,理论上的总写入量就越高。

其他影响因素:

虽然容量是影响SSD寿命的一个重要因素,但我们也不能忽视其他因素:

1. 闪存颗粒类型:
SLC(SingleLevel Cell): 每个单元存储1比特,速度最快,寿命最长(数万次擦写循环),但成本最高,容量密度最低。常用于企业级。
MLC(MultiLevel Cell): 每个单元存储2比特,寿命和速度介于SLC和TLC之间(数千次擦写循环)。
TLC(TripleLevel Cell): 每个单元存储3比特,容量密度高,成本低,但速度相对慢,寿命也相对短一些(通常几百到一千次擦写循环)。这是目前消费级SSD最主流的闪存类型。
QLC(QuadLevel Cell): 每个单元存储4比特,容量密度最高,成本最低,但寿命和速度是最低的(通常几百次擦写循环)。主要用于大容量、低成本的SSD,不适合高强度的写入。
显然,使用寿命更长的闪存颗粒类型,无论容量大小,其寿命都会更长。

2. 主控芯片和固件: SSD主控芯片是SSD的“大脑”,它负责数据管理、磨损均衡、错误校验等等。一个优秀的主控和完善的固件算法,能够更有效地管理闪存颗粒,延长SSD的整体寿命。即使是相同类型的闪存颗粒,不同厂商的SSD在寿命表现上也会有差异。

3. 制造工艺和制程: 越先进的制程工艺(例如1xnm、7nm等),通常意味着更小的晶体管尺寸和更高的集成度。这在一定程度上可以提高性能,但也可能对闪存颗粒的耐用性带来挑战。不过,先进工艺往往也伴随着更先进的控制技术。

4. 使用习惯和工作负载:
频繁写入大量小文件: 这类操作对SSD的寿命消耗会比较大,因为每次写入都需要进行擦除、编程等操作。
频繁进行磁盘碎片整理(不推荐SSD进行碎片整理): SSD不需要像HDD那样进行碎片整理,反而碎片整理对SSD的寿命是有损害的。
固态硬盘的即时垃圾回收(TRIM)功能: TRIM命令能让操作系统及时告知SSD哪些数据块是无效的,SSD在后台可以更有效地清理这些无效数据,避免不必要的写入和擦除,延长寿命。

总结来说:

容量和SSD的寿命是有直接关系的,但这种关系不是线性的,而是通过“更多的闪存颗粒”和“更有效的磨损均衡机制”来实现的。

通常情况下,相同技术和颗粒类型的SSD,容量越大的,其总写入量寿命(TBW)就越高。 这意味着它们能承受更多的总数据写入,理论上可以使用更长时间。
然而,选择SSD时,除了容量,更应该关注闪存颗粒类型、主控性能以及品牌口碑。 例如,一块使用QLC闪存的4TB SSD,其总写入量寿命可能还不如一块使用TLC闪存的1TB SSD。

因此,当你需要在容量和寿命之间权衡时,建议:

对于日常家用和一般办公用户: 选择主流的TLC闪存、容量适中的SSD,其寿命已经足够应付日常需求。不必过度追求极致的容量。
对于内容创作者、视频编辑、程序员等有大量读写需求的用户: 在预算允许的情况下,选择更大容量、更好颗粒类型(如MLC或高质量TLC)以及知名品牌信誉好的SSD,可以让你更安心地进行高强度工作。

最终,SSD的寿命是多种因素共同作用的结果。理解容量背后的“颗粒数量”和“磨损均衡”逻辑,能帮助你做出更明智的选择。

网友意见

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用排队枪毙来模拟一下。

假如把一块固态硬盘比作成一个线列兵团。


100人团相当于一个100G固态。

1000人团相当于一个1T固态。


结论来了:

假如作战强度为每秒阵亡一个人,那么相同作战强度下,

100人团只能坚持战斗100秒

1000人团的寿命则能连续战斗1000秒。。。

故:相同使用环境,

容量越大,SSD的寿命越长。

但必须得保证这硬盘只有容量不同,其他方面接近甚至相同。

也就是所谓的控制变量法




那么,SSD会不会随着使用量越来越多,导致容量越少呢?


还是用排队枪毙来模拟一下:


一个团有1000人,显然不会让所有人都在第一线挨枪子,不然队列太长了。

那么我们安排每100人为一排,一共10排。

而今天我们的士兵都穿了肉装,每人挨3000发子弹才死。。。


那么问题来了,


你说的那种容量越用越少的情况,是:

第一排要挨3000发齐射,然后第一排死完了,才让第二排去顶第一排的空缺。

这种模式导致硬盘的可用容量越来越少,今年八十,明年十八。。。

年龄越活越年轻可以,

容量越活越小,,,,

显然对用户而言不是好事。



现在的SSD,基本上是:

第一排挨第一轮齐射,剩余2999次寿命,损失寿命0.03%,退出前线;

主控马上安排第二排士兵去挨第二轮枪子,第二排剩下2999次寿命,损失生命0.03%,退出前线;

然后第三排顶上再退出,第四排,,,第N排,直到最后一排也挨了一轮射击,最后再从第一排开始,如此循环。

有福同享,有难同当,轮流挨炮,最后要死大家一起死。


这就是所谓的平衡磨损。裆燃真正的平衡磨损比这复杂太多。只是演示一个基本思路。


而SLC,MLC,TLC,QLC,

相当于重甲,假如能扛1万枪,

中甲扛5000发,轻甲1000发,裸奔500发。

那么一个固态的寿命能不能扛住你工作强度。就有一个简单算式:


护甲耐久度(P/E耐力)X人数(容量)/战斗中承受多少枪。

假如你要打100万枪。

你找了十个重甲大兵,每人能扛1万次,但是人数太少。依然扛不住100万次。


耐力弱,但是人数多,总寿命也不见得短。

你找了每人只能扛500次的嫂夫人,但是七万个嫂夫人挨个biu,能扛3500万次。总寿命远远超过你100万次射击需求。


所以当闪存总体容量寿命超过你需求量的时候,就算是QLC,只要够用就没问题了,对吧?

(可惜初代QLC不是欧尼酱,也不会亚撒西大法,所以不仅仅是够用就没问题了。。。)


那么会不会出现个别士兵体质差的问题呢?

别人能扛3000发,他只扛了1000发就阵亡了,又该怎么办呢?

也就是所谓的坏块,

闪存确实有一些基础单元会英年早逝。这也没办法,人均寿命70,但谁能保证自己一定能活70呢?

厂家给你的3000次寿命,也是大范围的平均寿命,不能排除一些小范围提前阵亡或活得更长。

而我们显然不能因为这种个别士兵掉队而放弃整个大队。毕竟大队里其他的士兵还可以再战十年。


那么就需要上预备队补缺了。


有一些固态,比如容量480G,其实是512G,那么这32G一小部分冗余空间,就可以用来当替补预备队。

而预备队,就是所谓的坏块管理机制


即使是512G满编容量,其实厂家也是底层屏蔽了一小部分,作为冗余。

因为晶圆切割并不是一刀准。你看到的512G,也并不是只有512G。

甚至可以说:大部分固态都有先天坏块。即使原厂正片也不例外。

但是生产过程中,对这些先天坏块进行了屏蔽。最后到出厂成品是不会有影响的。

以前的事,就当你做头发去了。

但是今后不许再犯。


不过预备队也不是万能的。


首先,闪存寿命用的越多,稳定性越差。


就像20岁青少年人群和90岁的青年人群的平均身体素质是不一样的。


假如一块闪存平均寿命是3000次,那么越接近3000次,出现提前阵亡的单元,几率也会越大。

如果都处于青春期,三年五年突然偶尔坏一个也能接受。

但如果大家都进入35岁以上的中老年不稳定期,今天坏一个腿明天倒一个人。

而预备队又不是海绵里的水,数量有限,一般家用机只有不足10%的预备空间,而这预备空间还要承担其他工作。。。

最终预备队已经填不上越来越大的阵亡空缺,坏块越来越多,而坏块多了,文件必然出错率上升。。。。


这就是坏块管理失效,此时全盘已经报废或接近报废。

不过对于家庭用户而言,100000次用到老的固态,可能接口就已经淘汰了。。。


你看这块固态,它可是老祖宗级产品

不用怀疑它制程缩水,也不用担心它是什么LC。


就是速度有点慢,50M/s最大。容量也有点小,32G。而且价格也有点小贵,当年2006年卖2000~3000美刀。。。


坏块管理只能补缺,但不能还阳

(想纟卖命,得用其他办法,这里不再赘述)

被玩到人老珠黄的固态,已经无法跟新盘比可靠性了。

比如企业级固态的生存环境非常恶劣,不仅一年365X24不停机,而且写入量也是家庭机的千倍万倍。工作强度不亚于996。

因此,很多企业级固态寿命还没到极限,就被淘汰了。就像35岁以后强制解雇。

不再可靠的固态,自然不是我的兄弟。


关于主控器的问题。

有人提到过主控先挂。

有人说主控是SSD的指挥官。

是,也不全是。


首先明确两个概念:

【1】主控是什么

无论是大家常用的ARM_Rx架构主控,还是慧荣定制RISC主控,都是CPU

CPU特色就是断电不留数据。。。因此,基础操作逻辑就保留在固件里。

【2】固件

虽然固件算是硬件化的软件,但是本质还是软件。。。。就像电脑的操作系统。所有应用都得建立在它基础上。

于是,固件决定了SSD的性能可以发挥到什么程度。

接口+主控+闪存,决定你的天花板,而固件决定你能不能够到天花板。


可以说,

很多没有专用的固件存储器,将固件保存在闪存里。

这么做的目的,就是为了节省成本。。。呃,每个硬盘省一毛钱对厂家而言就是几百万。。。


但这也导致一旦闪存出错正好把固件搞坏了,就会变砖。


目前,没有一个人能拿出主控挂掉的概率,也拿不出固件损坏概率。

如果有,请通知我。我得拜他为湿。



另外,讨论SSD损坏里,有一个不能忽视的角色:

指挥部传令兵飞太狼FTL

(全名:Flash Translation Layer闪存转换层)

其人手持全盘数据的地图,包括每个数据公寓的门牌号。

有了这个地图和名单,主控想查哪家的电表,绝不会找到它家的水笔上。

但是FTL工作时,要么是在SSD板载外DRAM缓存,要么就是在主控内置RAM缓存,要么就是在主机host内存。。。

我们知道:这些RAM共同特点就是断电数据全部自动清除。

而异常断电就像在前线作战,指不定哪个熊孩子对你打一枪正好要你命。。。

所以,此君常年工作在前线,虽然各厂家都会重点保护,可是人在河北省,哪有不湿鞋。FTL阵亡以后,也会导致全团崩溃。

有些情况下,FTL还可以抢救一下,这一点早期马牌主控是支持的,也就是传说中的马牌30分钟通电大法。

其实也有人用短接大法能治好。

但以上这些抢救技术并不是所有人都能做得。

一旦玩成了JO护车。。。。

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