固态硬盘和机械硬盘的工作原理

很多小伙伴只知道固态硬盘比机械硬盘“快”。

但是究竟“快”在哪里?

为什么固态硬盘比机械硬盘快?

其实，就在于固态硬盘和机械硬盘完全不同的工作原理，决定了两者的速度差异。

今天就让我们一起学习一下吧~

1机械硬盘的工作原理

机械硬盘的内部结构主要由马达、磁盘、磁头臂、磁头组成。

机械硬盘在工作的时候，磁头会悬浮于磁盘面上方几纳米的距离。磁盘面上有很多的小格子，小格子内有很多的小磁粒。

这些磁盘上的磁粒有一定的极性，当磁粒极性朝下的时候记为0，磁粒极性朝上的时候记为1，这样磁头就可以通过识别磁盘磁粒的极性读取数据了。

而磁头也可以利用其变化的磁场改变磁盘磁粒的极性，这样就做到写入和改写磁盘数据了。

为了能够精准定位数据所在磁盘面上的位置，磁盘本身又被划分了无数的扇区和磁道。

假设：

数据存放在磁盘的第五磁道的第七扇区上：

那磁头就会先摆动到第五磁道上空，然后等待第七扇区转过来。当第七扇区转到磁头下面的时候，才可以读取数据。

这就是机械硬盘的工作原理，也正是因为机械硬盘是利用磁性极粒来存储数据的，所以机械硬盘通常又被称作磁盘。

而固态硬盘同机械硬盘的工作原理完全不同，固态硬盘采用纯电子结构。

2固态硬盘的工作原理

固态硬盘存储数据的基本单元叫浮栅晶体管，基本结构有：存储电子的浮栅层，控制极G、衬底P、源极D与漏极S。

我们将浮栅层中的电子数量高于一定值计为0，低于一定值计为1。

那固态硬盘具体是如何工作的呢?接着往下看吧~

写入数据

写入数据时，需要在控制极G施加一个高压，这样电子就可以穿过隧穿层，进入浮栅层，因为有绝缘层的存在，电子不能再向前移动了，就被囚禁在了浮栅层。

而当我们把电压撤去，这些电子依然会被囚禁在浮栅层，因为隧穿层本质上也相当于绝缘体，所以电子们只能被关押着，这样一位数据就被存储进去了。

这些电子能被“囚禁”多长时间也就是固态硬盘能够存储数据的年限，一般一块新的固态硬盘能够保存数据的年限为10年。因为随着时间的流逝，不断地有电子“越狱”成功。

等“越狱”的电子多到一定的数量，我们保存的数据就不见了。

擦除数据

我们擦除固态硬盘上的数据其实就是在释放这些可怜的电子，即在衬底上施加高压，这样电子被吸出来，信息也就被擦除了。

通过上面的描述，我们了解了数据的写入和擦除过程。

那么又是如何读取数据的呢?

读取数据

关于它读取数据的原理也非常简单。

当浮栅层中不存在电子时(存储数据为1)，我们给控制级一个低压，由于电压低，电子只能被吸引到靠近隧穿层的位置，却无法穿过隧穿层，因而源极漏极可以导通，形成电流。

如果检测到电流，那么说明它没有储存电子，则读取数据为1。

当浮栅层中存在电子时(存储数据为0)，我们还给控制极一个低压，由于浮栅层里面的电子对这些电子有排斥作用，所以电子无法被吸引到靠近隧穿层的位置，源极漏极不会导通，不会形成电流。

如果无法检测到电流，那么说明浮栅层储存一定量电子，则读取数据为0。

无数的浮栅晶体管堆叠在一块就可以存储大量的0和1，它们就类似于图书馆当中的书架一样，存储着无限的0101数据。

相对于机械硬盘这种机械结构，固态硬盘这种纯电子结构在存取速度方面的优势就非常突出。

在机械硬盘在读取数据之前，需要先摆动磁头臂到对应的磁道上方，再等待对应的扇区转过来。

尽管目前的机械硬盘大部分都是7200转/分钟或者5400转/分钟的，看起来已经很快了，但是这两个操作依然会导致大约十几毫秒的延迟。

这种延迟对于人类来讲确实微不足道，但是对于计算机内存和CPU来讲，就确实会产生显著影响。

而固态硬盘全程都是电子交互，电子信号的速度要远超磁头臂和磁盘这种机械结构。

如果你的数据是随机分散在磁盘的各个角落，那机械硬盘需要经过多次的寻道和寻址，多次等待扇区转动到磁头底下，所以机械硬盘在读取分散性文件的时候，性能就显得非常弱，速度很慢，即随机读写性能低下。

了解固态硬盘的原理之后

想必你一定知道为什么固态硬盘有擦写次数限制?

是因为在浮栅晶体管擦写的过程中，电子反复在隧穿层反复进出，导致隧穿层损坏，不能有效的阻拦电子，失去了隧穿层应有的作用。

原文标题：固态硬盘究竟快在哪?

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审核编辑：汤梓红