传统硬盘 (HDD) 与固态硬盘 (SSD)：有什么区别？

硬盘驱动器 (HDD) 是一种应用于笔记本和台式电脑的数据存储设备。为“非易失性”存储装置，HDD 能在断电状态下永久保留存储数据。操作系统 (OS) 根据程序指令控制HDD进行数据读写操作。驱动器的读写速度完全取决于驱动器本身的性能。

早期 HDD 是体积占据整个房间的巨型设备，容量仅约 3.75 兆字节。而今，轻松适配台式机的 HDD 容量已突破 18 TB。

HDD 的核心组件是被称为“盘片”的碟状载体。数据通过电荷效应存储于这些盘片表面。电荷由传动臂（即“读写头”）产生。读写头在盘片上的移动轨迹则由 CPU 和系统主板中的软件指令控制。

每个盘片都配有带磁头的传动臂，盘片在高速旋转时被划分为多个扇区。这些扇区包含数千个细分单元（称为比特），均可接收电荷。读写头通过识别扇区比特及其对应电荷状态，将其转化为二进制代码（1 或 0）。

在 HDD 发展历程中，盘片扇区布局经历了重大技术革新。早期硬盘采用纵向记录技术，将扇区水平排列于旋转的盘片上。但当通过缩小扇区尺寸来提升容量时，这种水平排列方式引发问题。在极小尺度下，比特会因温度变化发生电荷状态随机翻转，导致数据损坏。

“垂直记录”是一种为解决纵向记录中发现的问题而创造的方法。这种方法将扇区堆叠在两端，创建的存储容量是纵向记录的三倍多。不过，这样做的代价是对磁场的敏感度增加，因此需要设计更精确的读/写臂。

当 CPU 向 HDD 写入数据时，它会使用一个扇区或多个扇区的一部分，具体取决于文件的大小。当数据更新时，CPU 会指示 HDD 将其写入下一个可用扇区。从第一个扇区到这个新扇区的距离增加了读取数据需要的时间。虽然时间是以毫秒计算的，但更多的数据分离实例会导致速度明显减慢。这种数据分离被称为“磁盘碎片”，大多数操作系统都有一个内置程序来对磁盘进行碎片整理，重新排列数据，以便程序的信息集中在一个地方。

传统硬盘驱动器 (HDD) 作为比 SSD 更早存在的传承性技术。然而悠久的发展历程反而造就其独特优势——充足的技术沉淀使得这项技术在各个方面都趋于完善。

HDD 的用途是读取、写入和存储数据。它们是用于备份和正常计算机进程的可靠设备。HDD 技术已得到显著改进，降低了成本，同时提高了整体容量。

多年来，HDD 的容量不断增长，目前市售的存储容量已达到 20TB。当今的许多笔记本电脑和台式电脑都标配 250 GB 的存储。

性能通常通过设备的速度与可靠性来衡量。多年来，HDD 的数据处理速率已显著提升，充分满足其设计用途。

但相较于其他存储设备，HDD 的物理组件存在更多局限性。当盘片旋转过快时，精密传动臂的定位精度会下降；盘片转速存在物理上限，否则会因变形甚至断裂。达到最佳读写速率所需的盘片加速过程也会延长启动时间。

HDD 无需供电即可可靠地长期存储数据，是用于备份的首选存储手段。在持续使用的情况下，内置硬盘的使用寿命为三至五年。如果设备是外部硬盘驱动器并存储在受控空间中，则使用寿命可能会更长。设备的正常磨损很常见，尤其是由于在盘片的相同扇区上写入和重写数据。多个驱动器的长期存储可以像使用外部硬盘一样简单。从任何地方访问这些备份文件的另一种方法是使用网络直连存储 (NAS) 系统。NAS 是一个集中存储位置，允许授权网络用户存储和检索数据。

外置便携式硬盘具有与内置 HDD 相同的基本功能，可与笔记本电脑或台式电脑一起使用。外部驱动器与自己的外部电源一起出售。内部计算机硬盘驱动器是“便携式”的，这意味着它们可以轻松地从一台设备移动到另一台设备。但它们与所有设备的兼容性较差，需要付出更多努力才能移动。

HDD 是最经济实惠的存储类型，因为它们的每 GB 成本效率最高。随着存储容量的增加，较小 HDD 的价格会下降。例如，500GB 容量的 HDD 售价不到 40 美元。

计算机的核心组件，固态硬盘 (SSD) 在现代机器上具有迅捷的读取、写入和启动速度，这是传统硬盘所无法比拟的。

固态硬盘属于非易失性存储器 (NVM) 硬件，其数据存储无需活动部件。与传统硬盘 (HDD) 通过旋转磁碟和机械写磁头处理数据不同，固态硬盘采用半导体电荷存储技术。

内置式 SSD 安装于计算机内部，外置式 SSD 则如同移动硬盘般连接（通常通过 USB 3.0 接口），两者功能相似。SSD) 是一种基于集成电路而非机械组件的存储装置。集成电路不仅大幅缩小了整体尺寸，更实现了运行时的完全静音。以苹果 MacBook 为例，其采用 SSD 作为存储介质，这正是实现超薄机身设计的关键。

非易失性内存主机控制器接口规范 (NVMe) 是一种用于访问计算机非易失性存储介质的逻辑设备接口协议。NVMe 是在 SSD 驱动器上使用的标准规范，因此每个制造商都不会有唯一的设备驱动器。NVMe SSD 使用外围组件 Interconnect Express（PCIe 或 PCI Express），可以处理从操作系统到 SSD 的多个往返请求。PCIe 是系统板上常见的高速连接接口。

固态硬盘的工作原理是使用电子电路来存储和检索数据。数据存储在“块”中，这些块只能完整写入一次。为了保持顺序数据在一起并缩短响应时间，必须完全擦除该块并在不同的块上重写。遗憾的是，这些块不耐用，并且在擦除过程中会损坏。写入/擦除是 SSD 发生磨损的方式，也是为什么大多数 SSD 都集成了“磨损均衡”技术的原因，该技术可均匀分布磨损并延长设备的使用寿命。

SSD 中的部分电子电路采用NAND（“与非”逻辑门）闪存技术，由非易失性 NAND 晶体管构成。非易失性 NAND 晶体管通过硅存储芯片上的半导体电荷存储数据，这些芯片以阵列方式排列在电路板上，有时还会采用堆叠结构。这些堆叠结构被称为 3D NAND，因其将存储单元垂直堆叠而拥有远超传统技术的存储容量。单层单元 (SLC) 是 SSD 技术中成本最高但耐久性最强的类型。相应地，在每个存储单元中增加额外比特可降低成本，且每增加一个存储比特都会以不同方式标识。由此衍生出多层单元 (MLC)、三层单元 (TLC) 和四层单元 (QLC) 等技术。

控制器通过告诉闪存单元要访问或操作哪些内存来管理所有闪存单元。此外，它们还负责均匀分布数据和处理垃圾收集。

常见形态规格的 SSD 会采用类似 RAM 模块的数据缓存机制，以更快响应时间处理请求数据。相较于机械硬盘处理热请求时固有的低响应速度，HDD 的快速响应特性显得尤为可贵。

SSD 没有移动组件，因此其功耗要求比 HDD 更低。SSD 还依赖运转设备提供的恒定供电来运行。虽然未通电的 SSD 在断电时会丢失数据，但大多数 SSD 均配备内置电池，允许设备闲置并保持数据完整性。

每类存储技术皆有其优势与局限。因此，需要综合对比硬盘驱动器 (HDD) 与固态驱动器 (SSD) 的特性，才能为具体工作负载确定最适合的存储方案。

存储空间的一个主要区别是 SSD 使用闪存而不是磁盘。较新的 SSD 具有 128 GB、256 GB、512 GB、1 TB 和 2 TB 等常用容量。集成电路在缩小设备尺寸的同时，也提高了存储密度。

对普通消费者而言，目前市面最大容量的固态硬盘约为 8 TB。2018年，三星与东芝率先推出 30.72 TB SSD，虽然沿用 2.5 英寸标准规格，但通过采用SAS接口实现了 3.5 英寸硬盘的厚度。为展现技术潜力，Nimbus Data 更发布了采用 SATA 接口的 100 TB 超大容量 SSD。SSD 技术持续发展与精进，其可能性似乎永无止境。

机械硬盘凭借更悠久的发展历史，容量逐年显著提升，当前商用产品最高已达 20 TB。如今多数笔记本和台式电脑标配 250 GB 存储容量。

SSD 的数据访问速度显著超越 HDD。当 HDD 处理速度为 500MB/s 时，多数 SSD 可达 7000MB/s。这种速度优势体现为即时启动、登录设备与加载应用时更低延迟。此外，SSD 上的文件传输复制效率也大幅提升。此外，其功耗仅 HDD 的四分之一到三分之一，有效延长设备续航。

HDD 是一种更好的长期存储设备。SDD 对于长期存储载来说往往不太可靠，因为断电一年后就会出现数据泄漏。此外，当它们接近最大写入 TB (TBW) 时，其有效性会稳步下降，直到达到无法使用的状态。SSD 的 TBW 是设备可以存储和擦除的数据总量

在便携性方面，SSD 和 HDD 有相似之处。SSD 的外部版本是比固定内部版本更便携的 SSD。SSD 在数据中心尤其有用，因为数据中心需要快速地将大量数据从一个系统传输到另一个系统。外部 HDD 比内部 HDD 更便携，但它更多地用于长期存储空间而不是快速数据传输。

对于以较小容量的驱动器存储经常使用的数据，SSD 可提供最佳的性价比。容量越大，HDD 就越有利。有朝一日，SSD 的价格将与任何 HDD 一样具有相同的每 GB 成本效益。一块 500 GB 的 SSD 目前售价约为 55 美元，而一块 500 GB 的 HDD 则约为 24 美元（截至撰写本文时）。

凭借低功耗与紧凑尺寸，SSD 主要适用于需要快速数据检索和持续读写的移动计算设备。它们适合处理日常运算任务，但不建议像 HDD 那样用于长期数据存储。在需要快速迁移大文件的场景中，SSD 无疑是更优越的选择。