固態硬盤和機械硬盤的工作原理

很多小伙伴只知道固態硬盤比機械硬盤“快”。

但是究竟“快”在哪里?

為什么固態硬盤比機械硬盤快?

其實，就在于固態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習一下吧~

1機械硬盤的工作原理

機械硬盤的內部結構主要由馬達、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，小格子內有很多的小磁粒。

這些磁盤上的磁粒有一定的極性，當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據了。

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據了。

為了能夠精準定位數據所在磁盤面上的位置，磁盤本身又被劃分了無數的扇區和磁道。

假設：

數據存放在磁盤的第五磁道的第七扇區上：

那磁頭就會先擺動到第五磁道上空，然后等待第七扇區轉過來。當第七扇區轉到磁頭下面的時候，才可以讀取數據。

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據的，所以機械硬盤通常又被稱作磁盤。

而固態硬盤同機械硬盤的工作原理完全不同，固態硬盤采用純電子結構。

2固態硬盤的工作原理

固態硬盤存儲數據的基本單元叫浮柵晶體管，基本結構有：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量高于一定值計為0，低于一定值計為1。

那固態硬盤具體是如何工作的呢?接著往下看吧~

寫入數據

寫入數據時，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，因為隧穿層本質上也相當于絕緣體，所以電子們只能被關押著，這樣一位數據就被存儲進去了。

這些電子能被“囚禁”多長時間也就是固態硬盤能夠存儲數據的年限，一般一塊新的固態硬盤能夠保存數據的年限為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量，我們保存的數據就不見了。

擦除數據

我們擦除固態硬盤上的數據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，我們了解了數據的寫入和擦除過程。

那么又是如何讀取數據的呢?

讀取數據

關于它讀取數據的原理也非常簡單。

當浮柵層中不存在電子時(存儲數據為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，則讀取數據為1。

當浮柵層中存在電子時(存儲數據為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，則讀取數據為0。

無數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中的書架一樣，存儲著無限的0101數據。

相對于機械硬盤這種機械結構，固態硬盤這種純電子結構在存取速度方面的優勢就非常突出。

在機械硬盤在讀取數據之前，需要先擺動磁頭臂到對應的磁道上方，再等待對應的扇區轉過來。

盡管目前的機械硬盤大部分都是7200轉/分鐘或者5400轉/分鐘的，看起來已經很快了，但是這兩個操作依然會導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，但是對于計算機內存和CPU來講，就確實會產生顯著影響。

而固態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構。

如果你的數據是隨機分散在磁盤的各個角落，那機械硬盤需要經過多次的尋道和尋址，多次等待扇區轉動到磁頭底下，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。

了解固態硬盤的原理之后

想必你一定知道為什么固態硬盤有擦寫次數限制?

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

原文標題：固態硬盤究竟快在哪?

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審核編輯：湯梓紅