TLC/QLC硬盘的死结 SSD为什么会掉速？

本文转载自，其他媒体转载须经超能网同意。

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。

·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。