死结 TLC/QLC硬盘的死结 SSD为什么会掉速？

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现在是9102，选择SSD硬盘作为电脑安装升级首选的想法已经深入人心。此外，近一年来NAND闪存价格一直在下降，1000元以内1TB容量的SSD硬盘价格成为主流。除此之外，还可以买性能更高的M.2硬盘，而不是SATA硬盘。如果不怕死的话，也可以考虑一些毛/GB不到5的SSD硬盘，作为仓库磁盘购买也是可以的。回顾多年未降价的HDD硬盘，机械硬盘市场下滑并非没有道理。

但是，HDD硬盘正逐渐远离台式机和笔记本电脑市场，这能代表SSD硬盘的完美吗？也不尽然。现在大降价的环境下，各种SSD硬盘“真香”，但还是有一个令人担忧的问题——降速。长期使用SSD硬盘的玩家，应该有SSD硬盘降速的经验。今天的超级课，我们就来说说SSD硬盘的降速。

SSD硬盘降速目前还没有准确的定义。这里我们就按照字面下降速度来解读为“性能下降”，分析目前可能导致SSD下降速度的各种原因和解决方案。

SLC，传销，薄层色谱和QLC变化固态硬盘下降速度

闪存类型的升级也是SSD硬盘降速的原因吗？仔细想想，是真的。其实我们可以说是日新月异的闪存类型导致SSD硬盘降速问题越来越严重。如果我们仍然使用SLC闪存，速度下降的问题不再是一个问题，但忘记SLC闪存硬盘。最好的闪存意味着最昂贵的成本。就算厂商还敢拿SLC闪存当主力，普通消费者也买不起。

从SLC、MLC、TLC到QLC，由于电池单元可以存储越来越多的电荷位，容量在增加，成本也相应降低。但NAND闪存的固有特性注定了越是潜力大，控制越复杂，写入数据的时间越长，导致性能急剧下降。

我们现在看到的TLC和QLC闪存的硬盘性能指标都还不错，SATA接口也可以达到500 MB/s的写入速度，M.2接口可以达到1GB/s、2GB/s甚至更高的写入性能，这取决于PCIe 3.0通道的数量，但这个性能是神奇的，是理想的性能。

上图是英特尔QLC闪存660P硬盘的实际性能。随着写入数据量的增加，cache 空耗尽后QLC原有的性能会暴露出来，写入速度会降到100MB/s，比HDD硬盘快不了多少。

垃圾回收固态硬盘下降速度

说到SSD硬盘降速的问题，老玩家可能还记得早年普科特在自己的M系列高性能SSD硬盘上宣传的不降速的功能。这个卖点吸引了当时很多SSD用户。考虑到当时MLC闪存仍然是市场主力，SSD硬盘下降速度主要是因为当时主控管理机制的问题。

具体来说就是SSD的GC垃圾收集和TRIM指令。如果你看了我们之前的科普文章，就知道NAND闪存的特别之处在于写文件的方式，需要一个一个删除。因为各种写入和删除操作会在SSD上留下乱七八糟的数据，有的有用，有的无效。GC功能启动后，有用的数据会被复制到另一个块中，原始数据存储区将被清除并恢复/[/k0

除了GC垃圾收集机制，微软还在Windows 7及以后的系统中引入了TRIM指令，这是一种基于SATA控制器的指令。一旦有文件删除或分区格式化，操作系统会向SSD主发送TRIM指令，告诉它某处的数据已经被删除，这样SSD就知道那些数据是活动的，那些不能移动的，然后就可以清除空来恢复性能。

GC和TRIM也可以影响SSD硬盘的下降速度，但是现在这些功能已经成为SSD的基本功能，操作系统的支持也不是问题，因为这两个问题导致SSD下降速度小很多。

840 EVO降速门，用于SSD降速

从SLC到MLC再到TLC和QLC，不仅闪存的性能在逐渐下降，可靠性也在下降。体现在物理层，TLC和QLC闪存存储的电荷位更多，控制更复杂，随着时间的推移，电子活动也会丢失。TLC闪存出来的时候，三星840 Evo出现了长期不用导致性能下降的问题。

840 EVO速度门事件意味着当它读取存储超过几周或几个月的旧文件时，速度严重低于预期。官方指标显示，840 Evo的读取速度超过450MB/s，但读取旧文件的速度低至60MB/s，明显下降。

对于这个问题，三星后来也做了调查，称“在闪存管理软件算法的帮助下，SSD通常会随时间修正Cell单元的状态，840 Evo的读重试操作过于激进，导致整体读取性能下降。只有当内部单元中没有数据变化时，才会出现这种情况。如果该单元的数据随后被迁移或覆盖，则性能不会下降。”

最后三星发布了新固件，解决了840 Evo的降速问题。在这个问题上，三星并不承认这是TLC闪存的问题，但在开发初期，TLC闪存从闪存到主控管理都存在一些问题，这并不意外。

固态硬盘降速主控过热保护

上面说的SSD降速都是关于闪存的，但是SSD主控实际上会影响SSD降速问题，主要是SSD硬盘过热保护问题造成的，SATA硬盘基本没有这个问题，主要集中在大量高性能M.2硬盘上市之后。

SSD主控本质上也是基于ARM或者自主开发架构的CPU。为了提高性能，SSD主控往往是多核架构。三核甚至四核主控并不少见，高负载下发热也是个问题。对于高性能PCIe和M2接口的SSD硬盘，由于空之间空间狭小，集中加热，即使在百度，主控区温度超过90°C也是正常的。为了避免高温损坏，SSD硬盘会有温控机制，温度过高会降低频率，从而降低发热。

但是，降低主频率实际上会降低SSD性能。为了解决因受热而下降速度的问题，最常用的手段就是提高散热效果。比如三星在970 Pro硬盘的主控板设计中使用了更好的封装，整个主控板使用了金属外壳封装，提高了导热性。

当然，更直接的手段是安装一个散热片，所以你可以看到各种M.2硬盘都开始流行散热背心了。在英驰之前，它还推出了一款装甲战M.2硬盘，采用了厚度惊人的散热片。虽然外观有点难看，但效果是滴水不漏的。

除了上述速度下降的原因，还有其他因素会影响SSD的正常性能，如4K错位、同步/异步闪存、AHCI/IDE模式等。然而，这些操作现在不是主要问题。以前主要问题是SSD不普及，很多人不知道设置。现在Windows系统增加了很多SSD优化设置，第三方工具支持SSD到位。

固态硬盘的缓存结构:从动态随机存储器到SLC缓存

以上关于SSD降速的内容涉及方方面面，但对于单个SSD硬盘来说，SSD降速的问题并没有那么复杂。言归正传。我们先来看看现代SSD硬盘的基本结构:

无论SATA还是M.2硬盘，他们的PCB布局都差不多。从左到右，上面的M.2硬盘是DRAM缓存、主控和NAND闪存，其中主控和NAND闪存必不可少。动态随机存取存储器缓存可能可用，也可能不可用。不可用的主要原因是低端SSD硬盘。减少DRAM缓存可以降低成本，尤其是近两年来，由于DRAM内存价格大幅上涨，低端SSD在没有DRAM缓存的情况下变得更受欢迎，他们用HMB主机内存缓存来弥补

对于高性能SSD硬盘来说，DRAM缓存是必不可少的，因为即使DDR3缓存也有几GB/s甚至十几GB/s的带宽，远远高于SSD闪存的性能，对提高性能很有帮助。现在三星等公司已经开始在高端SSD上使用DDR4-2133作为缓存。

至于DRAM缓存容量，小容量是128MB，256MB和512MB比较常见。随着SSD硬盘越来越大，1GB缓存并不少见。一般来说，1TB闪存配1GB DRAM缓存，越高越好。

DRAM缓存是现代SSD硬盘的第一种缓存结构。从硬盘读取数据，首先要看DRAM缓存中是否有需要的数据。如果有，就先用在这里，这样速度会很快。如果不在NAND闪存中搜索缓存，那么速度会是NAND闪存，比较慢。

一般来说，DRAM缓存对SSD硬盘来说是锦上添花，从DRAM缓存到NAND闪存也有速度下降，但通常你感觉不到这种速度调整。毕竟缓存容量还是太小，很容易超过。

在大多数情况下，SSD硬盘仍然依赖于NAND闪存的性能，但我们都知道，SLC、MLC、TLC以及现在新兴的QLC闪存的写入性能正在下降。原装TLC和QLC闪存的性能很难看。不做修改，QLC闪存的写入性能可能不是100MB/s，HDD硬盘比它快。

但是，在TLC和QLC实际销售的闪存驱动器中，无论是SATA还是M.2接口，性能都非常强。三星970 Evo 250 GB版本标称写入性能可以达到1500MB/s，但是是使用写入加速技术后的性能，实际性能在300MB/s左右，相差4倍。

SSD写加速技术是一个统称，常见的方案是SLC Cache，字面意思是用SLC作为Cache来加速，因为SLC闪存性能最好。

在MLC闪存时代，SLC缓存技术不是必须的。三星970 Pro不使用这样的技术，970 EVO使用，但是SLC缓存不是没有成本的，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缓存意味着牺牲性能容量。这是魔鬼交换。丑陋的一点是你选择X味巧克力还是

使用SLC缓存可以提高SSD的写入速度，让SSD看起来NB，但意味着丢失一部分空，具体取决于厂商选择的方案。如果采用整个方案，就意味着只有1/3甚至1/4的容量可用。

和SLC一起缓存就像坐过山车

此外，即使使用SLC缓存，一旦写入的数据超过缓存容量，固态硬盘的性能也必须保持原样。此时，SSD硬盘将下降，因为在超过缓存加速空后，必须使用原始TLC/QLC性能。这个时候会很难看，100MB/s左右的写入速度很正常。

当然，SLC缓存带来的额外好处也不是没有，就是在意外断电的情况下损失会小一些。毕竟，SLC存储的是1位数据。

在每个固态硬盘制造商中，SLC缓存技术有不同的名称。三星叫TurboWrite，SanDisk叫nCache，Micron有动态写加速动态缓存加速技术。其实这些技术也分不同类型，包括全SLC Cahce和部分空 cache，其中整体模拟效果最好，但是空的浪费最大，所以SLC Cache技术一般分为部分空，具体应该选择多少空

另外，无论是整体还是部分空模拟，其实都有动态SLC缓存和静态SLC缓存。这两种技术也各有利弊。美光的DWA是一种动态写缓存加速技术，它的优点是在用户使用不同容量后能保持更好的加速性能。

总之，各大厂商在SLC cache都有自己的选择，cache 空、cache分配和加速策略可能不一样，技术路线也不优越。但是无论是哪一个，在SLC缓存空耗尽后，SSD的性能都会显示出应有的水平，也就是TLC/QLC的原有性能。

也就是SSD硬盘用的多空，剩下的空白容量就会少，不利于缓存加速，所以性能会更低，这也是很多人觉得用SSD硬盘越来越慢的根源。经常有人说降速就是由此而来的。

对于SSD降速问题，除了具体的问题，如果是缓存耗尽导致的，真的没有什么好的办法，除非你不怕转储数据的麻烦，要一直安全的擦除SSD硬盘。

如果担心降速，现在唯一的选择就是买MLC硬盘或者大容量SSD。容量不小于1TB，越大越好。