从软盘到云存储,从20MB到100TB,揭开存储设备的前世今生

IT干货铺 2021-12-30

云存储闪存固态硬盘

3512 字丨阅读本文需 10 分钟

移动存储介质大家都用过,60/70后用软盘的比较多,80/90后用光盘、U盘或SD卡等比较多,00后可能直接云存储,或者存在手机上,再或者nvme的固态硬盘比较多,当然,现在新的存储介质(设备)层出不穷,旧设备旧技术的淘汰,势必会有新设备新技术来替代,总之,好用稳定是必需的。

那么,从软盘到硬盘,从20MB小可爱到100TB巨兽,随着主控与颗粒技术的不断进化,固态硬盘产品早已实现了精细化场景分类,下面,小编就来为大家揭开存储工具的前世今生。

1967年,IBM推出了世界上第一张软盘,直径32寸,代表了第一代移动存储设备,这个大家伙许多同学都没用过。再到现在,现在普遍用云存储云盘来存储,用移动硬盘存储重要资料,用U盘来做启动盘,或者同事之间传递大文件资料。

软盘‍

70/80的同学用3.5寸软盘的比较多。这个盘需配备一个专门的读写设备-软盘驱动器。这个盘,因为其容量的原因,大多数的情况下,只能用于存储比较小的Word等办公文件,或者,用于制作Windows 95/98的启动盘。

在那个网络还不普及的年代,可不要小看这个存储容量只有1.44M大小的软盘,能学校、公司或者网吧里来回倒腾几个文件,也是很惬意的。目前,这种存储介质(设备)已淘汰。

光盘

光盘有许多种,常见的有CD/DVD,CD的存储容量有700M左右,而DVD有单面单层和单面双层等几种,其存储容量有4.7GB和8.5GB两种。

相信80后对光盘刻录一定非常的熟练。各式各样的刻录机,形形色色的刻录盘,可以非常快速地把大量的文件刻录进光盘,较软盘来看,光盘更容易携带,但是,文件的刻录或者是读取需要借助光驱,如果光驱不支持刻录,只能读不能写。

目前,光盘还在少数场景下应用,例如教程、培训光盘、软件销售等。

U盘/移动硬盘

你可知道,U盘最早的发明专利,属于咱们中国的朗科公司。

1998年前后,U盘第一次登上历史舞台。U盘几乎所有人都使用过,它方便携带、小巧,不需要单独购买读取设备,可擦写,且文件不易丢失,几乎所有主板都支持USB设备,并且各系统(windows/linux/Mac os)都可以读取使用。

小编02/03年学习计算机的时候,听说过这个东西,但是很贵,也不容易买到,一直到几年后上大学才买过一个32M的。

后来,又出现了移动硬盘,不同于U盘的存储介质,移动硬盘以2.5寸磁盘为存储介质,再到后来,存储介质增添了更快速的固态硬盘。容量也变得更大,价格也更贵了。

SD/TF/CF/MS卡

这种存储介质是基于半导体快闪记忆器的存储设备。多数情况下,它被用在于数码相机、数码摄像机、手机或者是平板式电脑,用作存储或者扩充存储空间。SD卡最早发布在1999年,小编第一次见到这个设备的时候,大概在2010年,小县城,接触这些先进的存储设备较晚。

接下来,小编就详细来聊聊固态硬盘技术的发展。

闪存颗粒“超进化”:从2D NAND到3D NAND

聊起固态硬盘就有个无法绕开的话题坎,那就是玩家们经常讨论到“颗粒”。资深的玩家们应该知道,固态硬盘经常被讨论到的芯片包括主控、闪存和DRAM,而关于颗粒的讨论恰恰又是最高的那个。目前被广泛讨论的闪存颗粒其实属于NAND闪存,该类型的闪存自2009年出现在固态硬盘上至今,已经被广泛应用到我们日常使用的个人电脑上。

NAND闪存的工作方式有个特点,就是如果我们要给已经写入数据的闪存再写入数据,需要先把它的数据擦除,才能重新写入。随着被擦出和写入的次数增多,NAND闪存会有耗损,这也是固态硬盘寿命用“擦写次数”来形容的原因。

早期的NAND闪存都是铺设在平面上的,被称作“2D NAND”。举个不太恰当的例子,就像咱们设计停车场的停车位一样,地的面积固定的情况下无论路线如何精妙,这个停车场能容纳的车位都是有限的,为了应对越来越大的停车(数据存储)需求,那只好做多层的停车场,一层不够那就做二层甚至三层。在2D NAND时代,厂商为了尽量利用好有限的面积只有不断用新工艺,但随着串扰等问题导致闪存颗粒不再能单纯依靠工艺进步带来提升,东芝和三星开始押注3D NAND(三星将其称作V-NAND)。

NAND闪存也同理,“2D NAND”的容量是有限的,那就做“3D NAND”,目前镁光已经实现了176层NAND量产,闪存密度以及成本压缩达到了空前高度,在不久的未来,192层NAND也即将量产,届时更高容量、成本更低的固态硬盘有望诞生。

商用闪存类型多样化在争议声中成长的闪存类型:从SLC到QLC

根据固态硬盘的工作原理,其数据储存在半导体单元内,其中已经被广泛商用的类型主要有四种,分别是SLC、MLC、TLC、QLC,其中SLC属于1bit/cell,MLC属于2bit/cell,TLC属于3bit/cell,QLC属于4bit/cell。这个数值的意思是每个储存单元的数据,比如SLC一个单元只有一位数据,单个储存单元内的数据位数越多,就要求主控控制的精度越高。

因此SLC颗粒的耐用度P/E(寿命)、速度以及成本都是各类型中最高的,这些参数随着单元内数据的增加而减少,从MLC到TCL再到QLC,未来甚至还有5bit/cell的PLC成为商用产品。

通过数据对比可以更直观地知道不同类型的NAND闪存的参数差异,SLC NAND闪存的擦写次数在10000次以上,MLC NAND闪存的擦写次数在3000-10000之间,TLC闪存的擦写次数在1000-3000之间,QLC NAND闪存的擦写次数在1000次以内。

在目前固态硬盘的应用场景中,使用纯SLC NAND闪存的固态硬盘基本面向军用或者商用了,而MLC则大多以高端消费级产品和商用产品为主,应付咱们日常使用需求的固态硬盘,TLC NAND足矣,至于QLC NAND闪存的固态硬盘嘛,优点是容量足够大,单次完全擦写周期被延长了,那寿命的短板也可以被部分弥补。

就拿产品类型十分丰富的三星为例,他家的固态硬盘就涵盖了这四种闪存类型,各自的代表分别为采用MLC 3D NAND的三星970 Pro、采用TLC 3D NAND的三星980/三星860 EVO以及采用QLC 3D NAND的三星860 QVO。

在聊到闪存类型的时候,玩家们常常“意难平”于消费级MLC闪存产品逐渐转向商用,TLC闪存和QLC闪存开始成为消费级主流。这个过程的确一直以来都备受争议,但不可否认的是,消费者如今能用更少的钱买到容量更大,性能更高的固态硬盘产品。

主控芯片大升级:从技术完善,读写速度暴增几十倍

厂商们能放心地使用理论寿命更低的TLC和QLC闪存,主要原因是主控芯片愈发强大,我们能看到的大多数固态硬盘参数都离不开主控,比如读写速度快慢、接口协议、TRIM支持、磨损平衡以及垃圾回收机制等等。从过去费用高昂,读取速度仅有1、200MB/s的SATA固态硬盘,到如今顺序读取速度突破7000MB/s的PCIe 4.0固态硬盘,这些直观的参数进化离不开固态硬盘主控的不断升级。

固态硬盘的主控属于整个产品的“中枢大脑”,一方面他要通过外部接口与主机进行数据通信,接收和处理主机的明令,另一方面他还要管理“不那么智能”的闪存,更快速妥当地存储数据,并兼顾闪存芯片的寿命。

生涩抽象的概念不好懂,对咱们普通消费者更重要的是,从固态硬盘主控诞生至今,这个芯片已经得到了飞速发展,并支持更多保障数据完整和数据安全、监控硬盘健康、延长闪存颗粒寿命的技术,比如TRIM、S.M.A.R.T技术、坏块管理、LDPC纠错、断电保护等等。

正因为有了愈发强大的主控,过去长期被消费者鄙夷的TLC固态硬盘才得以“翻身”成为目前消费级固态硬盘的主流,甚至催生了一批得到用户认可的高端固态硬盘。主控芯片如此重要,对主控的研发能力也就成为了储存产品开发厂商的硬实力体现。

目前既有自研主控同样输出消费级产品的代表,自然是拥有强大供应链的三星,其自研主控只应用在自家产品上,目前被应用在三星980 Pro上的Elpis主控,在搭配V-NAND 3-bit MLC闪存(即TLC)以及2GB DDR4 SDRAM时,可实现最高7000MB/s的顺序读取速度和5100MB/s的顺序写入速度。

此外,马牌、联芸、群联、慧荣等主流一二线厂商,也针对不同定位提供了丰富的主控产品供第三方厂商采购,部分厂商还提供一站式的整合方案。市面上的固态硬盘产品能呈现出百花齐放之势,也离不开一众主控方案提供商的努力。

单盘容量大跨越:从2007年的32GB到2020年的8TB

前面铺垫的那么多技术性的概念,但不得不承认,对于咱们普通消费者来说,聊起硬盘首先想到的就是容量,毕竟作为影响咱们储存资料多少最直观表现,容量的变迁就是上面提到的闪存、主控等因素综合体现。

回归到标题上,世界上第一个商用固态硬盘在1991年由闪迪推出,它的容量只有20MB,到了2018年,由Nimbus Data推出的ExaDrive DC100 SSD具备了正如其名的惊人容量,这个100不是代表100GB,而是100TB!这27年间商用级固态硬盘的容量翻了百万倍,如果说商用产品距离咱们消费者端太远,那不妨回到消费级产品。

从2007年闪迪发布的2.5寸32GB固态硬盘,到2020年,消费者已经能买到8TB容量的固态硬盘,也怪不得越来越多消费者感知到,现在的固态硬盘的容量已经大有赶超机械硬盘的势头。虽然目前我们能买到的大容量固态硬盘大概率是“不受待见”的QLC闪存产品,但是固态硬盘本身随机读写性能优势是机械硬盘难以比拟的,也是在可预见的未来里,帮助大容量固态硬盘迅速普及的法宝。

至于玩家么担心的“寿命问题”,我们可以将当年初次使用TLC闪存的三星840 EVO与初次使用QLC闪存的三星860 QVO做对比,前者的1TB版本官方耐用值为72TBW,而后者的1TB版本官方耐用值已经涨到360TBW,虽然两者均远远落后于三星870 EVO 1TB版本的600TBW,但这也说明凭借如今的主控技术及闪存工艺,QLC固态盘的寿命没有想象中糟糕。值得再提一下的是,8TB容量版的三星870 QVO耐用值高达2880TBW,按每天写入1TB数据来算也能使用将近8年。

我们真正担心的是QLC固态硬盘的缓外性能衰减,以咱们评测过的三星860 QVO为例,其1TB版本的缓外写入速度只有80MB/s,这已经是低于机械硬盘的水平了,即便是4TB版本,其缓外写入速度也仅有160MB/s,所以目前QLC固态硬盘的定位依旧是储物盘,不太适宜频繁读写的作业环境。

结论

从最初的软盘,只有几十几百KB的存储容量,发展到现在的动辄数TB的存储容量,用了大概50多年的时间,这不仅体现在存储容量上,速度、稳定、接口形式、形态(大小)都发生了很大的变化,相信未来的50年,移动存储设备及介质必将迎来更快速的发展迭代,更小,更智能,更好用,甚至是更便宜,你说呢?

文章来源: 太平洋电脑网,海蓝office

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