TLC/QLC硬盘的死结 SSD为什么会掉速？

如今已经是2019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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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：
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。