超能課堂(180)：TLC/QLC硬盤的死結，SSD為什麼會掉速？

如今已經是9102年了，裝機、升級電腦首選SSD硬盤的理念早就深入人心了，再加上這一年多來NAND閃存價格不斷下滑，SSD硬盤價格應聲回落，1TB容量的SSD硬盤千元內售價已經是主流，而且還可以買到更高性能的M.2硬盤而非SATA硬盤，不怕死的話還可以考慮一些將近5毛/GB的雜牌SSD硬盤，買來當倉庫盤還是可以的。回頭看看多年不降價的HDD硬盤，機械硬盤市場日薄西山不是沒道理的。

但是HDD硬盤逐漸遠離桌面、筆記本電腦市場，這就能代表SSD硬盤各種完美了嗎？還真不是，如今在大降價的環境下SSD硬盤各種“真香”，但它還是有一個讓人糟心的問題——掉速。對於SSD硬盤掉速，長期使用過SSD硬盤的玩家應該有體會（也有人其實沒意識到這個問題），今天的超能課堂我們就來談談SSD硬盤的掉速問題。

對於SSD硬盤掉速，目前並沒有準確的定義，這裡我們就按照字面意義上的掉速將其理解為“性能下降”，分析目前可能導致SSD掉速的種種原因及解決方案。如果想更好地理解SSD硬盤掉速問題，建議閱讀一下我們之前做過的兩篇橫評：

花開正當時，十四款120/128GB SSD橫評（7年前我們的評測就開花了）

再度重拳出擊，十六款240/256GB固態硬盤2014年度橫評

超能課堂（152）：QLC閃存靠譜嗎？它可否堪用？

·SSD掉速之SLC、MLC、TLC到QLC變遷

閃存類型的升級也是SSD硬盤掉速的原因嗎？仔細想想的話還真沒錯，實際上我們可以說正是閃存類型不斷變化才導致了SSD硬盤掉速問題越來越嚴重，如果我們還在使用SLC閃存，那掉速問題早就不是事了，只不過SLC閃存硬盤這事別想了，最好的閃存意味著最貴的成本，即便廠商現在還敢把SLC閃存當主力，普通消費者也用不起。

從SLC、MLC到TLC再到QLC，由於cell單元可以保存的電荷位越來越多，容量在不斷增加，相應地成本在下降，但是NAND閃存先天的特性就註定了電位越多，控制就越複雜，寫入數據的時間就越長，導致性能大幅下滑（主要是寫入性能，讀取性能還好）。

我們現在看到的TLC、QLC閃存的硬盤性能指標還不錯，SATA接口的也能達到500MB/s寫入速度，M.2接口的視PCIe 3.0通道數不同，寫入性能可達1GB/s、2GB/s甚至更高，但是這樣的性能是施了魔法之後的，是理想情況下的性能。

上圖就是英特爾QLC閃存的660P硬盤的實際表現，隨著寫入數據量的增加，緩存空間用完之後QLC原始性能就暴露無遺了，寫入速度就降至100MB/s，這性能沒比HDD硬盤快多少了。

·SSD掉速之垃圾回收GC、TRIM

提到SSD硬盤掉速問題，老玩家可能還會想起來早些年浦科特 在自家M系列高性能SSD硬盤中宣傳的不掉速功能，這個賣點當時是吸引了不少SSD用戶的，考慮到那時候MLC閃存還是市場主力，SSD硬盤掉速主要是因為當時的主控管理機制問題所致。

具體來說就是SSD的GC垃圾回收以及TRIM指令問題，如果大家看過我們之前的科普文章，就知道NAND閃存特殊之處就在在於寫入文件的方式，需要一塊一塊的刪除，由於各種寫入、刪除操作會在SSD留下雜亂的數據，其中有些是還有用的，有些就是無效的，GC功能啟動之後就把有用的數據拷貝到另外的區塊，原來存儲數據的區域就會被清楚，恢復空盤水平以準備寫入新的數據，SSD硬盤的性能也就恢復了。

除了GC垃圾回收機制，微軟在Windows 7及之後的系統還引入了TRIM指令，這是基於SATA控制器的一個指令，一旦有文件刪除或者分區格式化，操作系統就會發TRIM指令給SSD主控告訴它某處的數據已經刪除了，SSD因而知道那些數據是能動那些不能動的，之後就可以進行清空操作以恢復性能了。

GC及TRIM也能影響SSD硬盤的掉速，不過現在來說這些功能已經變成了SSD的基本功能，操作系統上的支持也不是問題了，因為這兩個問題導致SSD掉速的現象少多了。

·SSD掉速之840 EVO掉速門

從SLC到MLC再到TLC、QLC，不僅閃存的性能在逐漸下降，其實可靠性也是在降低的，反映到物理層就是由於TLC、QLC閃存存儲的電荷位更多，控制也更復雜，而隨著時間的流逝，電子的活性也會損失的，在TLC閃存剛問世的時候，三星840 Evo就出現過長期不用導致性能下降的問題。

840 EVO掉速門事件就是說它在讀取存儲超過數週或者數月的舊文件時，速度嚴重不如預期，官方指標中840 Evo讀取速度超過450MB/s，但讀取舊文件時速度就低至60MB/s，速度明顯下降。

對於這個問題，三星之後也做了調查，表示“藉助閃存管理軟件算法，SSD通常會隨時間校正Cell單元的狀態，840 Evo的讀取-重試（read-retry）操作太過激進，導致了整體讀取性能的下降。這種情況只會發生在其內部Cell單元無數據變化的情況下，如果這個單元的數據隨後遷移了或者被覆寫了，這就不會有性能下降的問題 。”

最後三星發佈了新固件，解決了840 Evo掉速的問題。在這個問題上，三星沒有承認這是TLC閃存的問題，但在發展初期，TLC閃存從閃存到主控管理都是有些問題的，出現這個問題並不意外。

·SSD掉速之主控過熱保護

上面提到的SSD掉速都是圍繞閃存而言的，但SSD主控其實也會影響SSD掉速問題，這主要是由於SSD硬盤的過熱保護問題引起的，SATA硬盤上基本上沒這麼問題，主要是在高性能M.2硬盤大量上市之後才比較集中的。

SSD主控本質上也是基於ARM或者自研架構的CPU，為了提高性能，SSD主控往往也是多核心架構了，三核甚至四核主控不少見，高負載下發熱也是個問題。對於高性能PCIe、M2接口的SSD硬盤來說，由於空間狹小，發熱集中，主控區域的溫度超過90°C甚至上百度都很正常，為了避免高溫損壞，SSD硬盤會有溫控機制，檢測到溫度過高就會降頻，進而減少發熱。

不過降低主控頻率，實際上也會降低SSD性能。要想解決因為發熱掉速的問題，最常用的手段就是提高散熱效果，比如三星在970 Pro硬盤的主控設計就使用了更好的封裝，整個主控使用了金屬外殼封裝，提高了導熱性能。

當然，更直接的手段還是加裝散熱片，所以大家可以看到各種M.2硬盤都開始流行散熱馬甲了，影馳之前還推出了鐵甲戰將M.2硬盤，使用了厚度驚人的散熱片，雖然樣子難看了點，但是效果槓槓滴。

除了上面介紹的這些掉速原因，其實還有一些別的因素會影響SSD性能正常發揮，比如4K沒對齊、同步/異步閃存、AHCI/IDE模式等等，不過這些操作現在來說並不是主要問題了，以前是問題主要還是SSD不普及，很多人不懂設置，而現在Windows系統自己就加入了很多SSD優化設置，第三方工具對SSD的支持也到位了。

SSD硬盤的緩存結構：從DRAM Cache到SLC Cache

以上有關SSD掉速的內容涉及到方方面面，不過對單個SSD硬盤來說，SSD掉速問題沒那麼複雜，下面我們要進入正題了，先來看看現代SSD硬盤的基本結構：

不論SATA還是M.2硬盤，它們的PCB佈局都差不多，上面的M.2硬盤從左到右分別是DRAM緩存、主控及NAND閃存，其中主控及NAND閃存是必不可少的，DRAM緩存可以有也可以沒有，沒有的主要是低端SSD硬盤，減少DRAM緩存可以降低成本，特別是過去兩年中DRAM內存因為大漲價，低端SSD更加流行無DRAM緩存的方案，它們會用過HMB主機內存緩存來彌補導致的性能損失。

對於高性能的SSD硬盤，DRAM緩存不可少，因為就算是DDR3緩存，其帶寬也能達到數GB/s甚至十幾GB/s，遠高於SSD閃存的性能，對提升性能還是很有幫助的，現在三星等公司在高端SSD上已經開始使用DDR4-2133做緩存了。

至於DRAM緩存容量，容量少的有128MB，256MB、512MB比較常見，隨著SSD硬盤越來越大，1GB緩存的也不少見了，一般來說是1TB閃存配1GB DRAM緩存，越高越好。

DRAM緩存是現代SSD硬盤的第一道緩存結構，從硬盤上讀取數據首先就是看DRAM緩存中有沒有需要的數據，如果有，那就先用這裡的，所以速度會很快，如果緩存中沒有再去NAND閃存中尋找，速度就是NAND閃存的了，相對來說慢很多。

總的來說，DRAM緩存對SSD硬盤來說是錦上添花的，從DRAM緩存到NAND閃存也是存在掉速的，不過通常這種調速大家是感受不出來的，畢竟緩存容量還是太小了，很容易就超出。

SSD硬盤大部分情況下還是要依賴NAND閃存自身性能的，但我們都知道從SLC到MLC再到TLC及現在剛剛興起的QLC閃存，寫入性能是不斷下降的，原始的TLC、QLC閃存性能非常難看，不加修飾的話QLC閃存寫入性能可能都沒有100MB/s，HDD硬盤都比它快不是吹的。

但實際發售的TLC及QLC閃存硬盤中，不論SATA還是M.2接口的，性能都很強大，三星970 Evo這樣的產品中250GB版標稱寫入性能可達1500MB/s，但它就是使用了寫入加速（Write Acceleration）技術之後的性能，實際性能大約是300MB/s，中間差了四倍性能。

SSD寫入加速技術是個通用稱呼，常見的方案是SLC Cache（SLC緩存），它的意義就是字面意思——用SLC當緩存提速，因為SLC閃存是性能最好的。

在MLC閃存時代，SLC緩存技術還不是必要的，三星970 Pro都沒有使用這樣的技術，而970 EVO就有，但SLC緩存也不是沒有代價的，因為SLC只能存儲1位數據，TLC是3位數據，QLC是4位數據，在TLC/QLC閃存上使用SLC緩存意味著是犧牲容量換取性能，這是一個魔鬼交換，說的難聽點就是你選擇X味的巧克力還是巧克力味的X一樣，都不是最好的選擇，但不得不選。

用SLC緩存可以提升SSD的寫入速度，讓它看起來很NB，但是這意味著要損失一部分空間，具體多大要看廠商選擇的方案，如果全盤方案的話就意味著只有1/3甚至1/4的容量可用。

用SLC緩存就好比過山車

更關鍵的是，即便用了SLC緩存，一旦寫入數據超過了緩存容量，SSD性能還得現原形，這個時候就是SSD硬盤掉速了，因為超過緩存加速空間之後就不得不使用原始TLC/QLC性能，這個時候會很難看，寫入速度100MB/s左右很正常。

當然，SLC緩存帶來的額外好處也不是沒有，那就是意外斷電時損失更小，畢竟SLC是存儲1位數據的。

具體的每家SSD廠商中，SLC Cache技術有不同的叫法，三星叫做TurboWrite，SanDisk叫做nCache，美光有Dynamic Write Acceleration動態緩存加速技術。這些技術實際上也是分為不同類型的，有全盤SLC Cahce的，也有部分空間做緩存的，其中全盤模擬效果最好，但對空間浪費是最大的，所以現在SLC Cache技術普遍是劃出部分空間，具體選擇多少空間是廠商綜合考慮的，10%以下可以，20%也可以。

另外，不論全盤還是部分空間模擬，實際上還有動態及靜態SLC Cache之分，這兩種技術其實也是各有優劣，美光的DWA就是動態寫入緩存加速技術，它的好處就是在用戶用了不同容量之後都可以保持較好的加速性能。

總之，在SLC緩存上各大廠商有自己的選擇，緩存空間、緩存分配、加速策略都有可能是不一樣的，技術路線沒有高下之分，但不論哪種，SLC緩存空間用盡之後，SSD的性能都會暴露出應有的水平，那就是TLC/QLC原始性能。

就是這一點，SSD硬盤如果使用的空間越多，那麼剩餘空白容量就越少，這對緩存加速越不利，所以性能就越低，這也是很多人使用SSD硬盤感覺越用越慢的根源，常說的掉速就是這麼來的。

對於SSD掉速問題，除了特定問題導致的之外，如果是因為緩存用盡而掉速，那還真沒什麼好辦法，除非不怕倒騰數據的麻煩，經常把SSD硬盤安全擦除一下。

如果對掉速問題很介意，現在的選擇只有購買MLC硬盤或者購買大容量SSD，容量不低於1TB，越大越好。