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深入浅出笔记本电脑

深入浅出笔记本电脑

前面三篇文章详细阐述了关于选购笔记本电脑之时，那些涉及到的CPU、内存、GPU显卡最强三大器件的硬核知识点。接下来我们来讲讲笔记本硬盘的那些事儿。

一、硬盘分类概览

硬盘是可持久化的存储介质，和内存不同的是，它的容量更大，存储时间更持久，断电也不会发生数据丢失。

生活中常见的硬盘，按照制造工艺可以分为三类：

机械硬盘 HDD（Hard Disk Drive）[1]又称为硬盘驱动器、固定盘。由多个磁性碟片（Platter）、转轴/轴心（Spindle）、磁头（Head）、磁头驱动臂（Actuator Arm）、驱动轴（Actuator Axis）、驱动电机（Actu珊瑚绒毛毯ator）、数据转换器（Data Converter）、缓存（Cache）和输出接口（诸如IDE/SATA数据传输、Power电源、Jumper Block跳线）等部分组成。H贴片胶DD的数据读取方式是通过磁头在旋转的磁性碟片上读取或擦写。由于科技的不断的发展，在HDD Cable接口这一块采用了更为先进的SATA等技术，同时对器件内部的技术做了升级，数据传输速率和性能得以更高提升。HDD的常见数据接口包含PATA（Parallel ATA）、SATA（Serial ATA）、USB、SAS（Serial Attached SCSI），目前市面上流行的是SATA接口第3代SATA III接口。固态硬盘 SSD（Solid-state Drive）[2][3]SSD是由固态电子存储芯片的阵列所设计制造而成的硬盘产品，它有时候也被称为固态盘、固态驱动器。与HDD不一样的是，SSD固态硬盘没有碟片、没有机械臂或者读写磁头，但它拥有着比HDD更强大的抗物理冲击能力，更安静地运行着，数据存取时间更低。

SSD将数据存储在半导体单元中，截至2019年，每单元格可以包含1到4bit数据。SSD存储设备的属性根据每个单元中存储的位数而有所不同，与2bit MLC和3bit TLC相比，1bit（“ SLC”）通常是最可靠，耐用，快速和昂贵的类型单元，最后是4bit（“ QLC”）用于不需要这种极端特性的消费类设备，同时它也是在这四个类型中最便宜的。市场上大多数闪存产品都使用NAND闪存。这里我们还需要简化一些专业缩略语的理解：

Flash Memory，闪存闪存是一种使用寿命较长的非易失性存储器。按照闪存的功能特性常被分为两种，一种是NOR Flash，另一种是NAND Flash。NOR Flash早期由Intel于1988年开发出的Flash存储技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。NOR Flash因其读取速度较快，但写入慢、价格低，使得它更多以编码应用为主，其功能多与运算相关。NAND Flash由日本Toshiba东芝公司于1989年发表的NAND Flash结构奠定了新一代Flash存储的革命。虽然NAND Flash读取速度稍慢于NOR Flash，但其优秀的写入速度，高性价比，使得目前固态硬盘、收集存储空间，多数以NAND Flash为主流技术。目前市面上已逐渐更多的硬件采用了NAND Flash作为其高速存储器。NAND Flash由block组成，block的基本单元是page家庭记账软件，一个block包含了多个液晶屏幕page。每一个page内由包含了Data Area和Spare Area两个数据存储区间，故而每一个page的大小是两个Area的大小之和。[4]

关于NAND Flash的读写过程可以这样理解。NAND Flash的读写以page为单位，在写入前(在这里称之为编程)，需要先擦除，擦除以block为单位，这些操作都会减少器件的寿命。由于NAND Flash的这种特性，使得它在编程时带来了写放大的副作用，并且管理算法更复杂，例如需要垃圾回收算法。所以一般我们对NAND Flash编程的步骤是，先把其中的有效数据page搬移到内存或者其他block中，然后擦除这个block，再把有效数据和新数据写回去。这个过程造成了多余的写入和擦除，这就是所谓的写放大。NAND Flash一般不单独使用，需要和专用控制器搭配组成一个系统。目前常见的使用NAND Flash的产品主要有固态硬盘(SSD),eMMC,SD记忆卡，U盘等。其中SSD和eMMC稳定性和性能要求比较高，一般需要使用品质优良的休斯敦大学NAND Flash。

P/E寿命全称Program/Erase Cycle，即颗粒的写入循环，这是以擦除为前提的写入操作方式。理论上SSD寿命 = （P/E寿命 x SSD容量）/（写入放大系数 x 年数据写入量）NAND flash的每一次读写擦都会对减少自身的寿命。为了提高容量降低成本，NAND Flash从最初的SLC，向MLC，TLC还有QLC演变，单元存储密度从1bit，向2bit，3bit和nbit递增，但是擦写次数却不断递减，从100000次，向5000和1000次递减。如果一个Flash block寿命到了，写入这个block的数据就会出现无法处理的bit反转，这个block就不能再被使用了，需要管理算法使用保留的好块去把这个新增坏块替换下来。如果保留的好块使用完了，那么就不能再往里面写入数据了。所以管理算法需要具有平衡磨损模块，用于记录每个block的擦写次数，尽量保证每个block的擦写次数基本持平，从而提高整个器件的使用寿命。当一个器件被使用了很久以后，清空平衡磨损表重新建立，每个block的磨损寿命信就已经丢失，这时候再使用这个器件就非常危险，因为可能某个block的磨损度已经很高了，但是却没有被记录下来，这个block会突然出现无法处理的数据出错。SLC，Single Level Cell单级单元SLC（单级单元）产品每个NAND闪存单元仅存储1bit的数据位，也emba论文就是只有0、1两种电压的变化。这使其拥有更快的传输速度，更高的单元耐久性和更低的功耗。SLC芯片的唯一缺点是每兆字节的制造成本。SLC是针对高端消费者和服务器市场的，与MLC相比，它们的耐用性大约高10倍。SLC是最东方金钰翡翠早的固态存储类型，日常的U盘大部分采用的颗粒架构便是SLC。MLC，Multi-Level Cell多级单元MLC架构可以一次储存2个bit，因此拥有比较好的存储密度，但电压也变成了00、01、10、11四种变化。 每个单元存储更多位可实现更高的容量，并降低每兆字节的制造成本。MLC产品是为主流消费市场设计的，也是制造商所喜欢的一种颗粒架构模式。由于其存储密度的提升，也意味着其写入性能和可靠性能降低了，其存储单元的P/E寿命是低于SLC架构的。TLC，Trinary-Level Cell三级单元TLC架构使得存储器每个存储单元可以存放3bit的数据，写入速度比MLC更慢了，电压变化演变成了8种。P/E寿命也变得更短。但是P/E寿命短是相对而言的，一般来说重度测试的TLC颗粒，正常使用个5年是没有什么问题的。QLC，Quad-Level Cell四级单元QLC又称为4bit MLC，容量较MLC增加了一倍，电压变化也增加到了16种，在颗粒的写入性能、P/E寿命方面与TLC相比会进一步降低。由于其P/E编程时间更长，速度变慢，随机性能更是损失近50%低至5K IOPS。

目前市面上SLC更多是用于企业级的服务器之上，MLC已经被更高level的颗粒架构所替代，目前TLC是普遍用户的主流颗粒。而其中TLC架构由可以细分为3D-TLC和2D-TLC，然后还各自可以向下再垂直细分，架构优化空间大也是TLC的关键优势之一。

混合硬盘 SSHD（Hybrid Drive）[5]混合硬盘又称为混合驱动器、固态混合驱动器。它是一种逻辑或物理存储设备，将更快的存储介质（例如固态驱动器（SSD））与大容量硬盘驱动器（HDD）相结合。目的是将SSD的某些速度增加到传统HDD具有成本效益的存储容量中。混合驱动器中SSD的目的是充当HDD上存储的数据的缓存，通过将最常用数据的副本保留在更快的SSD上来提高整体性能，这是SSHD最核心的产品价值所在。

用于实现混合驱动器的主要配置有两种：

双驱动混合系统在双驱动器混合系统中，物理上分开的SSD和HDD设备安装在同一台计算机中，数据放置优化由最终用户手动执行，或者由操作系统通过创建“混合”逻辑设备自动执行。双驱动器混合系统结合了在同一台计算机中安装的单独SSD和HDD设备的用法。总体性能优化通过以下三种方式之一进行管理：由计算机用户手动将更频繁访问的数据放到速度更快的驱动器上。通过计算机的操作系统软件，它将SSD和HDD组合到一个混合卷中，从而为最终用户提供了更轻松的体验。操作系统中混合卷实现的示例包括ZFS的“混合存储池”，Linux上的bcache和dm-cache，以及OS X上的Apple的Fusion Drive和其他基于逻辑卷管理的实现。通过各个存储驱动器外部的芯片组。一个示例是使用闪存缓存模块（FCM）。FCM结合使用单独的SSD（通常是mSATA SSD模块）和HDD组件，同时通过主机软件，设备驱动程序或两者结合来管理性能优化。一个示例就是英特尔智能响应技术（SRT），它是通过某些英特尔芯片组和英特尔存储驱动程序的组合来实现的，它是当今FCM混合系统的最常见实现。该双驱动器系统与SSHD系统的不同之处在于，每个驱动器都可以保持其功能，如果需要，可以由操作系统独立进行寻址。固态混合驱动器在固态混合驱动器中，SSD和HDD功能内置于单个硬件中，其中数据放置优化完全由设备（自优化模式）执行，或者通过操作系统提供的放置“提示”执行（主机提示模式）。固态混合动力驱动（缩略词 SSHD ）是指包含NAND快闪存储器的一个显著量成产品的硬盘驱动器（HDD），产生一个单一的，集成的设备。SSHD背后的基本设计原理是识别与性能最直接相关的数据元素（频繁访问的数据，引导数据等），并将这些数据元素存储在NAND闪存中。这已经显示有效地提供了比标准HDD显着改善的性能。一个经常被混淆为SSHD的双驱动器系统的示例是笔记本电脑的使用。该笔记本电脑将单独的SSD和HDD组件组合到相同的2.5英寸HDD大小的设备中，同时（与SSHD不同）同时保留了这两个组件作为两个不同的分区，操作系统可以看到和访问。WD的Black2驱动器就是一个日食的形成典型的例子。通过适当地分区，该驱动器既可以用作单独的SSD和HDD，也可以使用软件自动管理SSD部分，并将驱动器作为一个大卷呈现给用户。二、硬盘的专业参数解释

由于不同的硬盘类别采用的技术不尽相同，所以关于硬盘的专业参数解释，还是按照硬盘的类别进行详细阐述。

1. HDD机械硬盘RPM转速RPM代表着机械硬盘磁盘每分钟旋转的圈数。转速越快，磁盘读取数据性能越高。常见的有5400r和7200r两种标准的产品。前者市场覆盖率更高，后者7200r的性能更快，但是噪音和能耗比5400r的要高。缓存缓存，主要还是为了解决高速和低速两类器件之间速度差异较大的问题。这两类器件便是硬盘、内存。设定了缓存这一中间层后，由于写入磁盘速度低于内存，那么可以把数据先暂存在缓存区域，则内存可以继续执行别的任务，而磁盘可以不断地按照可行速率进行数据存储过程。一般情况下，缓存越大，性能越好（SMR记录技术的HDD硬盘除外）。磁盘尺寸目前市面主流的磁盘尺寸分为2.5寸（笔记本电脑、移动硬盘）和3.5寸。一般情况下，转速相同的HDD，碟片越大，线速度越大，性能越强。记录技术记录技术指的是数据存储到磁盘上的执行方式，主要分为LMR、PMR、SMR三种，市面上应用较为广泛的是PMR、SMR。LMR是最早硬盘的记录技术，但是由于受限于单位面积磁极例子密度上限的问题（统一面积磁极例子密度无法再提高，就必须提高磁盘面积，但是这是尺寸上不认可的），导致制造成本过高，厂商们无法实现大存储容量的硬盘。使得LMR技术走到了它的尽头。而关于PMR、SMR的区别，在写入数据时PMR硬盘只需要原地覆写就行。而SMR硬盘，当你遇到需要修改某一区域的数据的时候，覆写会影响后面的数据。所以在覆写之前，需要先将被影响的数据转移。这也就是为啥SMR硬盘需要大缓存，为啥越用越慢的原因。但是这也不代表SMR一无是处，该技术提升了存储密度，在生产相同磁盘容量的HDD之时，成本可以控制的更低，性价比更高。适用于一些备份盘、仓库盘之类的场景使用。关于如何识别购买的笔记本电脑磁盘用的是那种记录技术，厂商基本上是不会告诉你的，不过我们可以根据如下一些迹象，使得我们有一定踪迹可巡。[6]（1）容量。大容量的，但碟片超过1TB以上的，很可能是SMR。（2）缓存。SMR技术的磁盘由于其存储方式，其缓存普遍都比较大，如果发现是128MB以上的dba话，很可能是SMR。（3）转速。因为磁道密度的原因，SMR的HDD普遍转速不会太高。如果符合以上这三点描述的话，很大可能就是SMR记录记录的磁盘。当然，最好还是咨询官方的客服最为准确，这三条参考踪迹也只是在概率方面做一些统计的方式，不保障100%正确的。SMR（Shingled magnetic recording），叠瓦式PMR（Perpendicular magnetic recording），垂直式LMR（Longitudal magnetic recording），水平式数据接口/协议标准SATA III参见「SSD固态硬盘-数据接口/协议标准-SATAIII」部分内容。2. SSD固态硬盘颗粒架构 常见的颗粒架构由SLC、MLC、TLC、QLC，目前市面上主流的是TLC架构。具体参考第一部分关于「SSD固态硬盘」颗粒架构的专业概念解析，以及其间的应用场景区别。数据接口/协议标准SATA、PCIe是总线标准，AHCI和NVMe是协议标准。总线标准一版是指系统与其组成模块之间互相连接的一个标准。目前最常见的SATA3.0总线理论上最高带宽6Gbps，PCIe 3.0x4的总线带宽为32Gbps（等同于官方给出的3.938GB/s）。协议标准是针对系统中模块定制的一种规范，在SSD中常见的AHCI标准指的是SATA硬盘对应的协议标准，NVMe标准则是特别针对PCIe宝岛一村接口总线所定制的一种应用于SSD上的协议标准。PCIe总线普遍可以兼容AHCI标准的SSD，也是市面上多数SSD移动硬盘的一种设计方法，产品性价比高。而SATA总线却不支持NVMe标准的SSD，因为NVMe是专门量身定做的一个SSD驱动协议。M.2M.2接口可分为M-Key和B-Key两种类型。B-Key接口可以支持SATA总线和最高PCIex2的总线标准，而M-Key则是支持NVMe快速协议的标准，速度可达PCIe纱线细度x4的总线标准，理论上是兼容B-Key的插口的，也就是说M-Key的SSD可以插在B-Key的插槽上，反过来则不兼容。PCIe（PCI Express）[7]在SATA接口的SSD发展开始时，就已经出现了PCI-E接口的SSD，后者优势可以说非常明显。至于其他SSD，无论使用的是何种接口，都是从SATA 向原生PCI-E走进，而PCI-E冷媒r22接口的SSD直接是一步到位，没有了中法国电影推荐间过程。不过，PCI-E硬盘最开始主要是在企业级市场使用，因为它需要不同主控，所以，在性能提升的基础上，成本也高了不少。至于消费级市场，对该产品并没有太大需求，只是在近两年，PCI-E硬盘才开始在中高端消费市场流行起来。

新的PCI- e 3.0技术与以前的PCI、PCI-x、AGP板有很多不同:通信由数据和状态消通信组成，这些通信被分组和分离。数据通过成对的点对点串行链路(称为lane)发送，允许数据同时在两个方向移动，并允许一对以上的设备同时通信。PCI-E插槽包含1到32个车道，功率为2(1、2、4、8等)。每个“巷”是一对数据传输线路，一条用于传输，一条用于接收，由4根导线组成。插槽中的车道数由前面的x表示，例如x16指定了一个16车道的PCI-E卡。下图为官方PCI接口性能对应表：

通过计算，举例各种PCI-E 3.0总线的传输速率（这些速率是在两个方向上的总传输速率，各50%是在两个方向上）：

PCI Express 1x 985 MB/sPCI Express 2x 1969 MB/sPCI E维普查重xpress 4x 3938 MB/sPCI Express 8x 7877 MB/sPCI Express 16x 15754 MB/s (x16卡是常用的最大尺寸)。SATA IIISATA 3.0接口最大的优势就是成熟，也是目前应用最多的硬盘接口。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盘都使用这种接口，普通2.5英寸SSD可以满足大多数用户的日常应用需求，500MB/s左右的读写速度也够用。而相对于100MB/s左右读写速度HDD机械硬盘上，固态硬盘存储速度已经有了质的飞跃。对于没有预计换新主机的朋友，更换SATA 3.0固态硬盘是一个非常不错的升级体验。

mSATA（张云良mini-SATA）为了更适应于超极本这类超薄设备的使用环境，针对便携设备开发的mSATA（mini SATA）接口应运而生。你可以把它看作标准SATA接口的mini版，物理情报学接口跟mini PCIe接口一样，理论上mSATA接口和SATA 3.0的缩小版，在总线标准、协议标准、传输速中日韩自贸区度上跟SATA3.0是保持一致的。其最高可达600 MB/s。目前众多笔记本也采用这种固态硬盘。

SATA ExpressSATA Express接口是有两个SATA接口和一个辅助接口组合而成，理论的速度6GB/s * 2 = 12GB/s，实际可能只能达到10GB/s左右。这种接口目前被M.2接口的低成本、高速度特性所压制，已经在市面上逐渐被取代。U.2U.2接口走的是PCIe总线，虽然和SAS接口外观上一致，但是SAS走的是SATA总线而非PCIe，在最新的性能速率上是比不上U.2的。U.2主要应用在企业级的SSD固态上，极大地提高服务器数据传输速度，理论上速度可以达到32GB/s（即256Gbps），近似于PCIe 4.0 x16满速，光源种类PCIe3.0 x16的两倍之快。3. SSHD混合硬盘

SSHD混合硬盘，简单理解就是HDD+S如何投资白银SD的混合体，相关的参数可以参考第1、2部分的阐述。

三、关键场景分析1. SATA 3.0和SATA 6Gbps的区别

SATA3.0代表着硬盘的接口类型、硬盘的协议规范。

而SATA 6Gbps属于SATA Revision 3.0的参数标准之一，用来表达SATA 3咖啡豆怎么吃.0标准的产品的速度更快。

以下列举了不同版本的SATA对应的带宽和传输速率对照表：

2. 转换Gbps到MB/s的计算方法

本篇文章大量使用了Gbps和MB/s单位，具体的计算方法如下：[8]

1 Megabyte/sec is equal to (8 × Gigabit/sec)/1000.1 Gigabit/s = 125 Megabytes/sec.---Gbps : Gigabit per second (Gbit/s or Gb/s)MB/s : Megabyte per second1 byte = 8 bits1 bit = (1/8) bytes1 bit = 0.125 bytes1 megabyte = 10002 bytes1 gigabit = 10003 bits1 gigabit = (1000 / 8) megabytes1 gigabit = 125 megabytes1 gigabit/second = 125 megabytes/second1 Gbps = 125 MB/s3. 为什么SATA3.0 SSD硬盘速率只有600MB/s

SATA3接口的SSD固态硬盘采用的是AHCI协议标准，这种接口速率如上文谈到的速率对应表数据，这种接口理论上的速率阈值是750MB/s，但是实际只能得到600MB/s并且稳定性待观察，这是被SATA3这个接口的带宽限制的原因。

所以为了摆脱这个限制，我们也只能考虑去更换成PCIe接口。

这个时候，目前市场上已经有很多转换cable的形式实现了PCIe的接口更换。这个情景下，PCIe就只是充当了一种专职于数据传输的通道，而实际的插口可以变成U.2、M.2、Thunderbolt 3等形式。

在选购笔记本之时，一定要留意各个外置接口的配置情况，这里往往都会有些因为厂商控制成本原因导致的性能被阉割的接口。

四、市面主流选购推荐

（1）移动硬盘

机械HDD USB3.0固态SSD NVMe高速协议 USB3.1Gen2五、扩展知识点

暂无

参考^Wikipedia, Hard disk drive en.wikipedia/wiki/Hard_disk_drive^Wikipedia, Solid-state drive en.wikipedia/wiki/Solid-state_drive^昊群计算机，SSD固态硬盘知识 www.hqitt/information/812.html^闪存那些事儿，NAND Flash基本原理 wwwblogs/flashapplication/p/NandFlashBase.html^Wikipedia, Hybrid drive en.wikipedia/wiki/Hybrid_drive^电脑那些事儿，购买机械硬盘的注意事项 baijiahao.baidu/s?id=1674473099076517425&wfr=spider&for=pc^Wikipedia, PCI Express en.wikipedia/wiki/PCI_Express^Gbps to MB/s Converter www.gbmb/gbps-to-mbs

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