硬盘知识：浅析HDD和SSD的工作原理

硬盘知识：浅析HDD和SSD的工作原理

硬盘是计算机中最重要的存储设备之一，其性能直接影响到计算机的整体运行速度。目前市面上主要有两种类型的硬盘：HDD（机械硬盘）和SSD（固态硬盘）。它们在结构、工作原理和性能上都有很大的差异。本文将从技术角度深入浅出地讲解这两种硬盘的工作原理，帮助读者更好地理解它们的优缺点。

HDD的结构和工作原理

1. 认识机械硬盘的内部结构：

HDD机械硬盘主要由主轴马达、磁盘、磁头臂、磁头、永磁铁等组成。

2. 机械硬盘的工作原理：

工作时，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。

• 读数据：磁粒极性，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。
• 写数据：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。

HDD的扇区和磁道的概念

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。

如何读取存放在磁盘的第五磁道的第七扇区上的数据：

1. 磁头就会先摆动到第五磁道上空
2. 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。这就是机械硬盘数据读取的原理。

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。

SSD的内部结构组成

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。

SSD的数值表示方式

以QLC举例举例：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。

SSD的数据写入、擦除

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，（就算去掉电压）电子不能再向前移动了，就被囚禁在了浮栅层。

擦除数据时，我们擦除固态硬盘上的数据其实就是在释放这些被困的电子，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。

SSD的数据读取原理

擦读取时，当浮栅层中不存在电子时（数据=1），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，形成电流代表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，不会形成电流代表0。

SSD对比HDD的性能优势分析

1. 为什么SSD的延迟比HDD低？

SSD内部的无数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，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。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。

2. SSD写穿的含义：

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。