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nand掉速超能课堂(180)：TLCQLC硬盘的死结，SSD为什么会掉速？

发布时间 : 2024-10-11

作者 : 小编

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超能课堂(180)：TLCQLC硬盘的死结，SSD为什么会掉速？

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，而且还可以买到更高性能的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，目前并没有准确的定义，这里我们就按照字面意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。如果想更好地理解SSD硬盘掉速问题，建议阅读一下我们之前做过的两篇横评：

花开正当时，十四款120/128GB SSD横评（7年前我们的评测就开花了）

再度重拳出击，十六款240/256GB固态硬盘2014年度横评

超能课堂（152）：QLC闪存靠谱吗？它可否堪用？

·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，实际上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硬盘的实际表现，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用户的，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，需要一块一块的删除，由于各种写入、删除操作会在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，一旦有文件删除或者分区格式化，操作系统就会发TRIM指令给SSD主控告诉它某处的数据已经删除了，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，反映到物理层就是由于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，速度明显下降。

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。这种情况只会发生在其内部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，三核甚至四核主控不少见，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，由于空间狭小，发热集中，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，进而减少发热。

不过降低主控频率，实际上也会降低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没对齐、同步/异步闪存、AHCI/IDE模式等等，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，下面我们要进入正题了，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硬盘大部分情况下还是要依赖NAND闪存自身性能的，但我们都知道从SLC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硬盘都比它快不是吹的。

但实际发售的TLC及QLC闪存硬盘中，不论SATA还是M.2接口的，性能都很强大，三星970 Evo这样的产品中250GB版标称写入性能可达1500MB/s，但它就是使用了写入加速（Write Acceleration）技术之后的性能，实际性能大约是300MB/s，中间差了四倍性能。

SSD写入加速技术是个通用称呼，常见的方案是SLC Cache（SLC缓存），它的意义就是字面意思——用SLC当缓存提速，因为SLC闪存是性能最好的。

在MLC闪存时代，SLC缓存技术还不是必要的，三星970 Pro都没有使用这样的技术，而970 EVO就有，但SLC缓存也不是没有代价的，因为SLC只能存储1位数据，TLC是3位数据，QLC是4位数据，在TLC/QLC闪存上使用SLC缓存意味着是牺牲容量换取性能，这是一个魔鬼交换，说的难听点就是你选择X味的巧克力还是巧克力味的X一样，都不是最好的选择，但不得不选。

用SLC缓存可以提升SSD的写入速度，让它看起来很NB，但是这意味着要损失一部分空间，具体多大要看厂商选择的方案，如果全盘方案的话就意味着只有1/3甚至1/4的容量可用。

用SLC缓存就好比过山车

更关键的是，即便用了SLC缓存，一旦写入数据超过了缓存容量，SSD性能还得现原形，这个时候就是SSD硬盘掉速了，因为超过缓存加速空间之后就不得不使用原始TLC/QLC性能，这个时候会很难看，写入速度100MB/s左右很正常。

当然，SLC缓存带来的额外好处也不是没有，那就是意外断电时损失更小，毕竟SLC是存储1位数据的。

具体的每家SSD厂商中，SLC Cache技术有不同的叫法，三星叫做TurboWrite，SanDisk叫做nCache，美光有Dynamic Write Acceleration动态缓存加速技术。这些技术实际上也是分为不同类型的，有全盘SLC Cahce的，也有部分空间做缓存的，其中全盘模拟效果最好，但对空间浪费是最大的，所以现在SLC Cache技术普遍是划出部分空间，具体选择多少空间是厂商综合考虑的，10%以下可以，20%也可以。

另外，不论全盘还是部分空间模拟，实际上还有动态及静态SLC Cache之分，这两种技术其实也是各有优劣，美光的DWA就是动态写入缓存加速技术，它的好处就是在用户用了不同容量之后都可以保持较好的加速性能。

总之，在SLC缓存上各大厂商有自己的选择，缓存空间、缓存分配、加速策略都有可能是不一样的，技术路线没有高下之分，但不论哪种，SLC缓存空间用尽之后，SSD的性能都会暴露出应有的水平，那就是TLC/QLC原始性能。

就是这一点，SSD硬盘如果使用的空间越多，那么剩余空白容量就越少，这对缓存加速越不利，所以性能就越低，这也是很多人使用SSD硬盘感觉越用越慢的根源，常说的掉速就是这么来的。

对于SSD掉速问题，除了特定问题导致的之外，如果是因为缓存用尽而掉速，那还真没什么好办法，除非不怕倒腾数据的麻烦，经常把SSD硬盘安全擦除一下。

如果对掉速问题很介意，现在的选择只有购买MLC硬盘或者购买大容量SSD，容量不低于1TB，越大越好。

得知自己离不开固态硬盘讨论一下QLC值不值得买

笔者非常理智的告诉自己，以目前闪存厂商公布的数据来看，QLC固态硬盘用上三五年应该不会有问题，而且掉速问题也不用过于担心，肯定会掉速，不过不至于影响使用。但如果真有一块QLC固态硬盘摆在我的面前，说实话我会犹豫到底买不买。笔者相信不光我一个人有这样的心理。

在互联网上，什么都可以消费，包括焦虑。

笔者考虑要不要购买QLC固态硬盘是因为两件事。第一件事是笔者的2T移动硬盘挂了。发现坏道的时候笔者非常惊讶。笔者平时使用移动硬盘非常小心，没有遇到过震动、未弹出直接拔的情况，而且平时当做电影存储盘，一星期也就用一两次。结果才两年时间，后500GB空间不仅坏道多，而且持续写入速度也降低到了50MB/s。笔者已经有3块机械硬盘挂掉了，实在是不想用机械硬盘了。

第二件事是笔者最近评测一款产品的时候，从开机开始就感觉慢，用起来非常不舒服，一看配置果然没有固态硬盘。这两件事前后脚，让笔者深深的意识到，自己已经离不开固态硬盘了，而且需要大容量固态硬盘。

但固态硬盘的价格实在是太贵了，虽然现如今一些固态硬盘的价格能做到1元1GB，但对于像笔者这种需要大容量存储的用户而言，当做存储盘成本还是太高，而且目前也没有容量太大的固态硬盘。QLC固态硬盘似乎成为唯一的选择，TB级别起步，10TB固态硬盘似乎不再遥远，速度看起来好像也还不错，那QLC值不值得买？

英特尔660P的可擦写寿命为1000PE（图片来自超能网）

要想真正了解QLC，首先就要克服对QLC的焦虑。大家对QLC的最大焦虑就是寿命，美光、东芝均对外表示自家3D QLC闪存的可擦写寿命为1000PE，比前几年外界预测100-150PE高出不少，基本与TLC持平。所以如果你现在用的就是TLC，那么完全可以放心的使用QLC。

QLC的擦写寿命如此高的原因是3D NAND，可以说如果没有3D NAND，QLC可能还需要推迟几年出现。事实上TLC之所以能够被企业市场所接受，很大程度上也是因为3D NAND。

以往厂商为了追求固态硬盘的容量，会使用更先进的制程工艺提升单位面积的存储容量，但由于闪存独特的电子特性，制程工艺越先进，寿命越短。所以TLC在发展过程中遇到了寿命问题。但3D NAND就像盖楼一样，以往2D NAND相当于平房，利用了垂直空间，提升了容量。所以厂商没有必要使用更先进的制程工艺，转而使用更为老旧的制程工艺保证TLC的寿命，然后通过3D NAND增加容量。

3D NAND

正是如此，TLC的寿命由1000PE上升到3D TLC的3000PE。借助3D NAND，QLC才能够实现1000PE的寿命。而且目前所有宣布能够推出QLC的厂商，也都是通过3D NAND实现的。

3D NAND这么好，为什么没有用在MLC上呢？因为对于企业而言，MLC还是太贵了。利益永远放在第一位，3D TLC能够实现利益最大化，自然成为首选。

笔者在此就不给大家详细计算1000PE的QLC大约能用多长时间了。对于一般用户而言，用五年以上是没有问题的，这也是为什么英特尔的QLC产品提供五年质保。如果购买更大容量的QLC固态硬盘，使用时间会达到十几年。目前QLC会先运用到企业中，所以普通用户就不要担心寿命问题了。

事实上，电子产品换代往往不是因为坏了，而是因为满足不了需求。即使购买了QLC固态硬盘，恐怕也很难用五年之久。比如笔者在三年前买了一块2.5英寸的128GB固态硬盘，如今作为系统盘都有些拮据，早已经卖掉了。现在用着M.2 256GB TLC固态硬盘。如果QLC固态硬盘价格和速度还不错的话，想必再过一两年就要换1TB QLC固态硬盘了。技术不断更迭的数码产品永远逃不了被“喜新厌旧”的命。

不过需要注意一点，无论是QLC还是TLC，虽然寿命有保障，但最好不要当做下载盘，因为固态硬盘的擦写次数其实指的就是写入次数，读取对于固态硬盘寿命影响微乎其微。另外，突然断电对于固态硬盘也非常伤，尽量避免。如果不放心，可以把重要文件备份一下。

速度恐怕也是很多人的担忧。从现阶段来看，很多厂商公布的数据略有差别，英特尔的660P支持NVMe，持续读写可达到1800MB/s、1100MB/s，三星推出的产品为SATA固态硬盘，持续读写可达到540MB/s、520MB/s。从官方公布的数据来看，QLC固态硬盘的速度还不错。

英特尔660P的速度（图片来自超能网）

掉速情况肯定也会有，但各家主控不同，算法也不同，没有实测数据不好下定论。事实上QLC固态硬盘的速度、掉速情况不应该是我们担忧的重点，在固态硬盘发展过程中，我们总是会遇到一个非常尴尬的境遇，就拿MLC和TLC为例：理论上MLC的速度要比TLC快，但在目前消费级市售产品中，旗舰级TLC固态硬盘要比旗舰级MLC快。

这是一个不可忽视的事实。诚然在TLC固态硬盘刚刚上市的时候速度表现与MLC有差距，但随着厂商将主要精力放在TLC上，相关技术填补了TLC的缺陷，让TLC固态硬盘的体验变得更好。如今QLC也面临着这样的境遇，当MLC逐渐退出消费市场，QLC成为主力，厂商在QLC上的精力逐渐会多于TLC。虽然理论上TLC要快于QLC，但当TLC无技术关照的时候，再多的可能性也变为零。

这是资本的选择，我们无法干预。

往最坏的情况说，即使QLC出现掉速情况，持续写入只有100MB/s多，但随机读写的性能还是要完爆机械硬盘的，作为系统盘还是要优于机械硬盘。

那现在应不应该囤一批MLC固态呢？笔者觉得没有必要，目前MLC的产品并不多，而且价格也较为昂贵。当大容量固态硬盘深入人心的时候，恐怕MLC固态硬盘的容量会成为你舍弃它的理由。

无论QLC固态硬盘值不值得买，当QLC固态硬盘大规模上市的时候，MLC会像当年的SLC一样消失，市面上可以选择的，也只剩下TLC和QLC，别忘了后面还有PLC（5bit）呢，届时恐怕会有很多人把TLC当做宝贝吧。理智一点，QLC固态硬盘或许没有大家想的那么不堪，最主要就是看品牌产品质保时间有多长和价格能不能足够便宜。

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