固態(tài)硬盤和機械硬盤的工作原理

很多小伙伴只知道固態(tài)硬盤比機械硬盤“快”。

但是究竟“快”在哪里?

為什么固態(tài)硬盤比機械硬盤快?

其實，就在于固態(tài)硬盤和機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~

1機械硬盤的工作原理

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

機械硬盤在工作的時候，磁頭會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)磁粒極性朝下的時候記為0，磁粒極性朝上的時候記為1，這樣磁頭就可以通過識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：

那磁頭就會先擺動到第五磁道上空，然后等待第七扇區(qū)轉(zhuǎn)過來。當(dāng)?shù)谄呱葏^(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下面的時候，才可以讀取數(shù)據(jù)。

這就是機械硬盤的工作原理，也正是因為機械硬盤是利用磁性極粒來存儲數(shù)據(jù)的，所以機械硬盤通常又被稱作磁盤。

而固態(tài)硬盤同機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)。

2固態(tài)硬盤的工作原理

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

我們將浮柵層中的電子數(shù)量高于一定值計為0，低于一定值計為1。

那固態(tài)硬盤具體是如何工作的呢?接著往下看吧~

寫入數(shù)據(jù)

寫入數(shù)據(jù)時，需要在控制極G施加一個高壓，這樣電子就可以穿過隧穿層，進入浮柵層，因為有絕緣層的存在，電子不能再向前移動了，就被囚禁在了浮柵層。

而當(dāng)我們把電壓撤去，這些電子依然會被囚禁在浮柵層，因為隧穿層本質(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)就被存儲進去了。

這些電子能被“囚禁”多長時間也就是固態(tài)硬盤能夠存儲數(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。因為隨著時間的流逝，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，信息也就被擦除了。

通過上面的描述，我們了解了數(shù)據(jù)的寫入和擦除過程。

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)的原理也非常簡單。

當(dāng)浮柵層中不存在電子時(存儲數(shù)據(jù)為1)，我們給控制級一個低壓，由于電壓低，電子只能被吸引到靠近隧穿層的位置，卻無法穿過隧穿層，因而源極漏極可以導(dǎo)通，形成電流。

如果檢測到電流，那么說明它沒有儲存電子，則讀取數(shù)據(jù)為1。

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

如果無法檢測到電流，那么說明浮柵層儲存一定量電子，則讀取數(shù)據(jù)為0。

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

相對于機械硬盤這種機械結(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)勢就非常突出。

在機械硬盤在讀取數(shù)據(jù)之前，需要先擺動磁頭臂到對應(yīng)的磁道上方，再等待對應(yīng)的扇區(qū)轉(zhuǎn)過來。

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

這種延遲對于人類來講確實微不足道，但是對于計算機內(nèi)存和CPU來講，就確實會產(chǎn)生顯著影響。

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

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

了解固態(tài)硬盤的原理之后

想必你一定知道為什么固態(tài)硬盤有擦寫次數(shù)限制?

是因為在浮柵晶體管擦寫的過程中，電子反復(fù)在隧穿層反復(fù)進出，導(dǎo)致隧穿層損壞，不能有效的阻攔電子，失去了隧穿層應(yīng)有的作用。

原文標(biāo)題：固態(tài)硬盤究竟快在哪?

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審核編輯：湯梓紅