為什么固態(tài)硬盤比機(jī)械硬盤快？

很多小伙伴只知道固態(tài)硬盤比機(jī)械硬盤“快”。

但是究竟“快”在哪里？

為什么固態(tài)硬盤比機(jī)械硬盤快？

其實(shí)，就在于固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤完全不同的工作原理，決定了兩者的速度差異。

今天就讓我們一起學(xué)習(xí)一下吧~

機(jī)械硬盤的工作原理

機(jī)械硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由馬達(dá)、磁盤、磁頭臂、磁頭組成。

機(jī)械硬盤在工作的時(shí)候，磁頭會(huì)懸浮于磁盤面上方幾納米的距離。磁盤面上有很多的小格子，小格子內(nèi)有很多的小磁粒。

這些磁盤上的磁粒有一定的極性，當(dāng)磁粒極性朝下的時(shí)候記為0，磁粒極性朝上的時(shí)候記為1，這樣磁頭就可以通過(guò)識(shí)別磁盤磁粒的極性讀取數(shù)據(jù)了。

而磁頭也可以利用其變化的磁場(chǎng)改變磁盤磁粒的極性，這樣就做到寫入和改寫磁盤數(shù)據(jù)了。

為了能夠精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)所在磁盤面上的位置，磁盤本身又被劃分了無(wú)數(shù)的扇區(qū)和磁道。

假設(shè)：

數(shù)據(jù)存放在磁盤的第五磁道的第七扇區(qū)上：

那磁頭就會(huì)先擺動(dòng)到第五磁道上空，然后等待第七扇區(qū)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。當(dāng)?shù)谄呱葏^(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下面的時(shí)候，才可以讀取數(shù)據(jù)。

這就是機(jī)械硬盤的工作原理，也正是因?yàn)闄C(jī)械硬盤是利用磁性極粒來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，所以機(jī)械硬盤通常又被稱作磁盤。

而固態(tài)硬盤同機(jī)械硬盤的工作原理完全不同，固態(tài)硬盤采用純電子結(jié)構(gòu)。

固態(tài)硬盤的工作原理

固態(tài)硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單元叫浮柵晶體管，基本結(jié)構(gòu)有：存儲(chǔ)電子的浮柵層，控制極G、襯底P、源極D與漏極S。

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我們將浮柵層中的電子數(shù)量高于一定值計(jì)為0，低于一定值計(jì)為1。

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那固態(tài)硬盤具體是如何工作的呢？

寫入數(shù)據(jù)

寫入數(shù)據(jù)時(shí)，需要在控制極G施加一個(gè)高壓，這樣電子就可以穿過(guò)隧穿層，進(jìn)入浮柵層，因?yàn)橛薪^緣層的存在，電子不能再向前移動(dòng)了，就被囚禁在了浮柵層。

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而當(dāng)我們把電壓撤去，這些電子依然會(huì)被囚禁在浮柵層，因?yàn)樗泶颖举|(zhì)上也相當(dāng)于絕緣體，所以電子們只能被關(guān)押著，這樣一位數(shù)據(jù)就被存儲(chǔ)進(jìn)去了。

這些電子能被“囚禁”多長(zhǎng)時(shí)間也就是固態(tài)硬盤能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的年限，一般一塊新的固態(tài)硬盤能夠保存數(shù)據(jù)的年限為10年。因?yàn)殡S著時(shí)間的流逝，不斷地有電子“越獄”成功。

等“越獄”的電子多到一定的數(shù)量，我們保存的數(shù)據(jù)就不見了。

擦除數(shù)據(jù)

我們擦除固態(tài)硬盤上的數(shù)據(jù)其實(shí)就是在釋放這些可憐的電子，即在襯底上施加高壓，這樣電子被吸出來(lái)，信息也就被擦除了。

通過(guò)上面的描述，我們了解了數(shù)據(jù)的寫入和擦除過(guò)程。?

那么又是如何讀取數(shù)據(jù)的呢？

讀取數(shù)據(jù)

關(guān)于它讀取數(shù)據(jù)的原理也非常簡(jiǎn)單。

當(dāng)浮柵層中不存在電子時(shí)（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1），我們給控制級(jí)一個(gè)低壓，由于電壓低，電子只能被吸引到靠近隧穿層的位置，卻無(wú)法穿過(guò)隧穿層，因而源極漏極可以導(dǎo)通，形成電流。

如果檢測(cè)到電流，那么說(shuō)明它沒(méi)有儲(chǔ)存電子，則讀取數(shù)據(jù)為1。

當(dāng)浮柵層中存在電子時(shí)（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為0），我們還給控制極一個(gè)低壓，由于浮柵層里面的電子對(duì)這些電子有排斥作用，所以電子無(wú)法被吸引到靠近隧穿層的位置，源極漏極不會(huì)導(dǎo)通，不會(huì)形成電流。

如果無(wú)法檢測(cè)到電流，那么說(shuō)明浮柵層儲(chǔ)存一定量電子，則讀取數(shù)據(jù)為0。

無(wú)數(shù)的浮柵晶體管堆疊在一塊就可以存儲(chǔ)大量的0和1，它們就類似于圖書館當(dāng)中的書架一樣，存儲(chǔ)著無(wú)限的0101數(shù)據(jù)。

相對(duì)于機(jī)械硬盤這種機(jī)械結(jié)構(gòu)，固態(tài)硬盤這種純電子結(jié)構(gòu)在存取速度方面的優(yōu)勢(shì)就非常突出。

在機(jī)械硬盤在讀取數(shù)據(jù)之前，需要先擺動(dòng)磁頭臂到對(duì)應(yīng)的磁道上方，再等待對(duì)應(yīng)的扇區(qū)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。

盡管目前的機(jī)械硬盤大部分都是7200轉(zhuǎn)/分鐘或者5400轉(zhuǎn)/分鐘的，看起來(lái)已經(jīng)很快了，但是這兩個(gè)操作依然會(huì)導(dǎo)致大約十幾毫秒的延遲。

這種延遲對(duì)于人類來(lái)講確實(shí)微不足道，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)內(nèi)存和CPU來(lái)講，就確實(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

而固態(tài)硬盤全程都是電子交互，電子信號(hào)的速度要遠(yuǎn)超磁頭臂和磁盤這種機(jī)械結(jié)構(gòu)。

如果你的數(shù)據(jù)是隨機(jī)分散在磁盤的各個(gè)角落，那機(jī)械硬盤需要經(jīng)過(guò)多次的尋道和尋址，多次等待扇區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)到磁頭底下，所以機(jī)械硬盤在讀取分散性文件的時(shí)候，性能就顯得非常弱，速度很慢，即隨機(jī)讀寫性能低下。

編輯：黃飛

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