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如今已经是9102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?#19968;?#21487;?#26376;?#21040;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?#25042;?#21527;?还真不是,如今在大降价的环境下SSD硬盘各种“真香?#20445;?#20294;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?#20445;?#20998;析目前可能导致SSD掉速的种种原因及解决方案。如果想更好地理解SSD硬盘掉速问题,建议阅读一下我们之前做过的两篇横评:

花开正?#31508;保?#21313;?#30446;?20/128GB SSD横评(7年前我们的评测就开花了)

再度重拳出击,十六款240/256GB固态硬盘2014年度横评

超能课堂(152):QLC闪存?#31185;?#21527;?它可否堪用?

·SSD掉速之SLCMLC、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?#36824;齋LC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?#39068;?#20063;用不起。

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?#26174;?#21152;,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。

上图就是英特尔QLC闪存的660P硬盘的实?#26102;?#29616;,随?#21028;?#20837;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?#34892;?#20256;的不掉速功能,这个卖点?#31508;笔?#21560;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?#31508;?#30340;主控管理机制问题所致。

具体来说就是SSD的GC垃圾回?#25214;约癟RIM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?#22659;?span style="color: rgb(51, 51, 51); text-transform: none; text-indent: 0px; letter-spacing: normal; font-family:;" microsoft="" inline="">由于各种写入、?#22659;?#25805;作会在SSD留?#30053;?#20081;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?#21019;?#20648;数据的区域就会被清楚,恢复空盘水平以准?#24863;?#20837;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?#22659;?#25110;者?#26234;?#26684;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?#22659;?#20102;,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,?#36824;?#29616;在来说这些功能已经变?#38378;薙SD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,?#20174;?#21040;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?#35753;?#26174;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?#26234;?#20917;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。

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?#20102;?#26680;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。

?#36824;?#38477;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,?#28909;?#19977;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。

当然,更直接的手段还是加装散热片,所?#28304;?#23478;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,?#28909;?K没对齐、同步/异步闪存、AHCI/IDE模式等等,?#36824;?#36825;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?#32422;壕图?#20837;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,?#36824;?#23545;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:

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?#37096;?#20197;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?#24615;?#21435;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,?#36824;?#36890;常这?#20540;?#36895;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?#26234;?#20917;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。

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。

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?#25442;唬?#35828;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。


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?#23391;?#21407;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?#20040;?#20063;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%?#37096;?#20197;。

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?#20040;?#23601;是在用户用了不同容量之后都可以保持较好的加速性能。

总之,在SLC缓存上各大厂商有?#32422;?#30340;选择,缓存空间、缓存分配、加速策略?#21152;?#21487;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?#38477;停?#36825;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?#22266;?#25968;据的麻?#24120;?#32463;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。

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  • 游客  04-15 09:50

    TLC颗粒掉速很正常,但是听说一些用2258H的可以做到不掉速是什么回事?

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    30#

  • yjhercules终极杀人王 04-12 21:05

    yjhercules 终极杀人王 :

    我想到一种?#25215;?#20889;法
    也就是写入数据是按比比例算
    把tlc 分成8个区
    写入数据从第1区开始 也就是每个单元的第一个地址
    第n个单元就是n*8+1
    所有单元第一个地址用光,再写入每个单元第二个地址
    这样 电压就省事了
    缺点 某个单元坏了,就麻烦
    04-12 15:52 已有1次举报
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  • yjhercules 终极杀人王 :

    raid地址是交错
    这个地址不是交错
    raid 是 1 3 5 2 4 6数据
    而这个数据是1 9 17 也就是每次隔8个地址 写一?#38382;?#25454;
    这个只是偏移
    正常tlc 写入是1 2 3 4 5 6 7
    现在这种写入是1 9 17 28 37 46
    主要的问题是 一种电压 控制就可以了
    tlc 写入需要8种电压级别
    由于?#25215;?#20889;入,要频繁变换电压
    不如这种固定电压来的快
    04-12 16:15 已有2次举报
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  • slc颗粒
    一般256 512 1g 当缓存
    同时满这?#21019;?#30340;容量就需要 8倍的 tlc空间
    当然tlc 上还有一部?#26234;?#22495;是模拟slc
    如果32g空间 那实?#25163;?#35201;达到4g slc 最大负载量
    当然超过负载,slc 无法快速清空和跟进
    这降速了
    win系统也一样
    只要你系统盘有同样的数据
    如复制一个文件到某个ssd?#26234;?br /> 这时 缓存已经有了这个文件的信息
    你再把这个文件复?#39057;?#21478;外的ssd 盘 速度是2000-800 或者是更快
    当然一重启电脑 缓存清空 这时把同样文件写入另一sssd?#26234;?#23601;是实际速度了
    所以缓存和slc模拟 实际上是容量大小限制,
    这种缓冲并不是fifo 也就是进一个,相应的空间就腾空
    新数据?#21152;謾?br /> 我这tlc msata 120g 缓存小
    写入只330m 只能维持5g不到
    然后就是一直全盘写入150m了

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    29#

  • itck终极杀人王 04-12 19:07

    yjhercules 终极杀人王 :

    我想到一种?#25215;?#20889;法
    也就是写入数据是按比比例算
    把tlc 分成8个区
    写入数据从第1区开始 也就是每个单元的第一个地址
    第n个单元就是n*8+1
    所有单元第一个地址用光,再写入每个单元第二个地址
    这样 电压就省事了
    缺点 某个单元坏了,就麻烦
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  • yjhercules 终极杀人王 :

    raid地址是交错
    这个地址不是交错
    raid 是 1 3 5 2 4 6数据
    而这个数据是1 9 17 也就是每次隔8个地址 写一?#38382;?#25454;
    这个只是偏移
    正常tlc 写入是1 2 3 4 5 6 7
    现在这种写入是1 9 17 28 37 46
    主要的问题是 一种电压 控制就可以了
    tlc 写入需要8种电压级别
    由于?#25215;?#20889;入,要频繁变换电压
    不如这种固定电压来的快
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  • 不是南亚SLC颗粒嘛?

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    28#

  • yjhercules终极杀人王 04-12 16:15

    yjhercules 终极杀人王 :

    我想到一种?#25215;?#20889;法
    也就是写入数据是按比比例算
    把tlc 分成8个区
    写入数据从第1区开始 也就是每个单元的第一个地址
    第n个单元就是n*8+1
    所有单元第一个地址用光,再写入每个单元第二个地址
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  • raid地址是交错
    这个地址不是交错
    raid 是 1 3 5 2 4 6数据
    而这个数据是1 9 17 也就是每次隔8个地址 写一?#38382;?#25454;
    这个只是偏移
    正常tlc 写入是1 2 3 4 5 6 7
    现在这种写入是1 9 17 28 37 46
    主要的问题是 一种电压 控制就可以了
    tlc 写入需要8种电压级别
    由于?#25215;?#20889;入,要频繁变换电压
    不如这种固定电压来的快

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    27#

  • tdn0102教授 04-12 16:02

    yjhercules 终极杀人王 :

    我想到一种?#25215;?#20889;法
    也就是写入数据是按比比例算
    把tlc 分成8个区
    写入数据从第1区开始 也就是每个单元的第一个地址
    第n个单元就是n*8+1
    所有单元第一个地址用光,再写入每个单元第二个地址
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  • 这不就是Raid吗(

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    26#

  • yjhercules终极杀人王 04-12 15:52

    我想到一种?#25215;?#20889;法
    也就是写入数据是按比比例算
    把tlc 分成8个区
    写入数据从第1区开始 也就是每个单元的第一个地址
    第n个单元就是n*8+1
    所有单元第一个地址用光,再写入每个单元第二个地址
    这样 电压就省事了
    缺点 某个单元坏了,就麻烦

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    25#

  • 游客  04-12 12:41

    游?#20572;?/h3>原来还是有SLC做缓存,威刚的好实在啊,75GSLC。
    04-12 09:08
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  • 那说的用TLC/QLC 运?#24615;赟LC模式下。。。这是用容量和寿命换来的,照你的意思,q200ex全盘SLC不是 ...

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    24#

  • 仙德法歌博士 04-12 12:11

    游?#20572;?/h3>?#28909;?#25991;中提到三星的970pro没有使用SLC加速方案,那又是怎么一个掉速情况?
    这也是970系列里惟一 ...
    04-11 20:14
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  • 970PRO没有掉速,全盘稳跑1700MB/s,http://www.85133482.com/61492.html,超能自测。

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    23#

  • wayti1314大学生 04-12 10:57

    目前的tlc已经做得不错了,qlc还是未知,用过20多块固态,主流的tlc已经不逊色于老mlc,目前还在生产的消费级mlc也就三星pro了,q200虽说是mlc,但是全盘模拟slc,?#21152;?#22826;满后也很容易出?#20540;?#36895;,性能还不如最新的860evo、西数蓝盘这些3d tlc,至于寿命,我觉得都够用

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    22#

  • 游客  04-12 10:36

    请问SLC缓存是否会随着?#26234;?#20063;被分割。之前为了规避这种问题,一般250G以内的都?#29615;智?...

    支持(0)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

    21#

  • zeroxcen大学生 04-12 10:15

    游?#20572;?/h3>关于文中最后说的“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?#38477;汀?#36825;个有点看不懂啊。一个盘SLC缓存的数量不是固定的吗??#28909;?#19968;个100G的盘其中10G是SLC缓存,如果使用到显示剩余空间10G的时候,这时SLC是多少呢?10G吗?如果这样的话往里面写入数据不还是使用SLC的很快的速度吗?
    04-11 23:28
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  • 没有仔细看文章。
    SLC缓存分为两种,一种是固定容量SLC,一种是全盘模式SLC。全盘SLC在可?#27599;?#38388;小于设定的SLC容量时,就会减少SLC缓存的空间

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    20#

  • 游客  04-12 09:25

    MLC掉速是怎么一回事尼?

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    19#

  • 游客  04-12 09:08

    原来还是有SLC做缓存,威刚的好实在啊,75GSLC。

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    18#

  • 游客  04-12 07:06

    Прод?#23398;?РЕДКИЙ Жилой и Доходный объ?#25903;堙?в Уфе, Росс ...

    支持(0)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

    16#

  • 游客  04-12 03:38

    游?#20572;?/h3>关于文中最后说的“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?#38477;汀?#36825;个有点看不懂啊。一个盘SLC缓存的数量不是固定的吗??#28909;?#19968;个100G的盘其中10G是SLC缓存,如果使用到显示剩余空间10G的时候,这时SLC是多少呢?10G吗?如果这样的话往里面写入数据不还是使用SLC的很快的速度吗?
    04-11 23:28
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  • 望星喵 一代宗师 :

    http://bbs.pceva.com.cn/thread-114168-1-1.html
    04-12 00:50
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  • 垃圾三星

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    15#

  • 游客  04-12 03:17

    看完了才发现原来现代SDD说的不是海力士牌SSD啊

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    14#

  • 乱古研究生 04-12 02:12

    文章很好,详细的解释了SSD的各?#20540;?#36895;原因,但是没介绍英特尔的傲腾,速度和价格这么贵,是否在掉速方面有更好的解决方法

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    12#

  • 望星喵一代宗师 04-12 00:50

    游?#20572;?/h3>关于文中最后说的“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?#38477;汀?#36825;个有点看不懂啊。一个盘SLC缓存的数量不是固定的吗??#28909;?#19968;个100G的盘其中10G是SLC缓存,如果使用到显示剩余空间10G的时候,这时SLC是多少呢?10G吗?如果这样的话往里面写入数据不还是使用SLC的很快的速度吗?
    04-11 23:28
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  • http://bbs.pceva.com.cn/thread-114168-1-1.html

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    11#

  • 望星喵一代宗师 04-12 00:44

    话说我突然意识到了为何会有人认为slc容量=mlc/2=tlc/4=qlc/8由此推导出qlc问世价格理当腰?#35835;恕?br />
    就p2这种?#25216;?#30452;有点万恶之源的意思,因为总是有人不去点数字?#19988;?#21435;点上面有多少格子……但是其?#30340;?#20010;格子只是表示一个cell里可?#28304;?#20648;多少可能性的数据……

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    10#

  • 游客  04-11 23:28

    关于文中最后说的“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?#38477;汀?#36825;个有点看不懂啊。一个盘SLC缓存的数量不是固定的吗??#28909;?#19968;个100G的盘其中10G是SLC缓存,如果使用到显示剩余空间10G的时候,这时SLC是多少呢?10G吗?如果这样的话往里面写入数据不还是使用SLC的很快的速度吗?

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    9#

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