浅析SSD和HDD的相同与不同（一）
HDD（Hard Disk Drive, 硬盘）和SSD（Solid State Drive，固态硬盘）是存储领域乃至整个信息技术领域举足轻重的两种设备。它们的发明和推广，改变了人们记录和存储信息的方式，影响整个信息时代和数字化时代的发展，也和人类的经济生活的方方面面紧密联系在一起。以至于今天我们浏览一条新闻、发一次朋友圈、进行一次网购，都会触发对某个数据中心服务器上的HDD或SSD数据的访问和存储。
两者都叫硬盘，一定有很多相同之处，同时它们之间物理特性的差别也决定了两者有着更多的不同之处。下面会从：
● 产品的功能、作用与目标
● 产品迭代的核心驱动力
● 关键参数指标
● 产品形态
● 数据传输接口类型
● 产业布局
● 制造和测试流程
这七个方面浅析HDD和SSD的特性，以及两者的相同和不同之处。同时，对这七个方面都会给出一个量化的相似指数，0%代表完全不同，100%代表完全相同。当然，这个指标是编辑的主观判断，欢迎各位一起参与探讨。
产品的功能、作用与目标 相似指数100%
在这方面，HDD和SSD可以说是完全一致的。
作为存储设备，HDD和SSD产品的主要功能都是存储和访问数据。其作用也都是作为数字化时代信息的载体。在追求的目标上，也都是：通过不断的技术革新和迭代，实现更低的单GB存储成本，以及更快、更安全的数据存储和访问方式。图1是2010-2017年HDD和SSD单GB成本的走势图。从图中可以看出，2010年的时候，HDD的单GB成本已经在0.1美元，甚至0.05美元以下；SSD的每GB成本则要高出好几十到上百倍。
而这之后SSD单位GB的成本在持续地快速下降，至今虽然和HDD的单GB成本还有几倍的差距，但是已经不是10年前那种数量级上的差距了。在产品功能、作用与目标上，HDD和SSD可谓是三观一致，殊途同归。为何说是殊途同归，主要是因为两者在追求持续降低单GB成本这一共同目标上，走的是完全不同的两条路。在下一节：产品迭代的核心驱动力，将解释为什么说两者走的是完全不同的道路。
图1: HDD和SSD单GB成本趋势图
产品迭代的核心驱动力 相似指数5%
产品迭代的核心驱动力是指HDD和SSD这两种产品在实现更低的单GB存储成本的这一主要目标的过程中，所依赖的关键技术。
作为磁记录产品的HDD，是通过磁记录技术的革新来达成的，在这一过程中，起关键作用的器件是磁头和磁碟。从HDD的发展历程，记录密度的提升主要依赖的是磁记录技术的革新。
如：TMR(Tunneling Magneto-resistive Recording, 隧道磁阻磁记录)，GMR(Giant Magneto-resistive Recording, 巨磁阻磁记录)，PMR(Perpendicular Magnetic Recording，垂直磁记录)，TFC（Thermal Fly-height Control 不同温度条件下动态控制磁头的飞行高度）, SMR（Shingled Magnetic Recording, 瓦片式磁记录），HAMA(Heat-Assisted Magnetic Recording，热辅助磁记录)，MAMA(Microwave-Assisted Magnetic Recording，微波辅助磁记录)等。当然还有其他一些技术，如：提高马达转速，氦气填充技术；固件方面的Adaptive TPI/BPI(动态轨道密度和线密度)，定期数据搬移以优化ATI/FTI（Adjacent Track Interference/Far Track Interference临近轨道干涉和远端轨道干涉）等，都为提高磁盘的线密度和面密度起到辅助作用。但是说到核心驱动力无疑还是磁记录技术的革新。
在追求另外一个目标，更快的数据存储方面，则依赖于接口速率的提升(PATA, SATA1, SATA2, SATA3, SAS), 马达转速，缓存等，但是起决定性作用的也还是磁记录密度的提升。比如，SATA 6Gbps接口的盘和SAS 12Gbps接口的盘，最大读写速度上都只能达到280MB/s左右, 原因就在于HDD的数据传输通路的瓶颈在磁头把数据写到磁碟的过程。
作为以半导体为存储介质的SSD，其存储密度的提升，则主要依赖于Nand Flash颗粒的技术革新，从SLC到MLC，TLC，QLC的演进，从2D堆叠到3D堆叠技术，以及追求更高的堆叠层数(32层，64层，96层，112层，128层等)，都是为了存储密度的提升。在追求更快的存储这一目标方面，SSD主要依赖的是数据接口技术（SATA，SAS，PCIe3.0 PCIe4.0, PCIe5.0），Nand接口技术(DDR2, DDR3, DDR4), DRAM缓存等。
但是在SSD提升存储密度和存储速度的过程中，幕后还有一个不可或缺的角色，那就是主控。无论是要适配更高密度的Nand，还是要支持新的接口协议（如PCIe5.0）或新的NVMe协议等，都需要一颗主频更高，性能更强劲的主控。不同于HDD的控制器，在推动产品技术进步的过程中的作用好像无足轻重。SSD的主控绝对说得上是举足轻重的角色。所以，对于SSD来说，推动其产品迭代的核心驱动力是Nand Flash和主控技术的革新。
表1是从1955年IBM发明世界上第一块HDD后（严格来说是一台重达1吨的设备）到2016年，HDD记录密度增长倍数，其倍数为惊人的6.5亿倍。这就好比说，我们今天花费35美元能买到1TB的硬盘存储容量，在1955年的时候需要花费约227亿美元(6.5亿倍)的成本才能制造出来。HDD记录密度的年复合增长率约为60%，几乎每18个月会翻一倍，和摩尔定律有着异曲同工的契合。
对于SSD的存储密度，我没有查询最早的Nand Flash的存储密度来计算其增长率。但是从图2可以看出，2015年Nand的存储密度已经超过了HDD。另外，2021年最新的Nand Flash的存储密度接近7 Tbpsi，已经远超HDD的记录密度。所以可以推断SSD的存储密度年复合增长率也是相当惊人的。
图2：Areal Density (HDD Vs Nand)
关键参数指标 相似指数50%
本节会探讨一下SSD和HDD关注的关键参数指标有哪些，二者的侧重点有何不同，以及两者的差距在哪里。
首先我们看一下HDD有哪些关键参数。图3是从某HDD厂商官网上找到的最新的数据中心HDD的技术指标。从中可以看出，在性能方面，HDD主要的指标是：缓存大小、转速、平均延时、接口传输速率、持续的数据传输速率(可以理解为读写带宽)。在可靠性方面，主要指标有：误码率(不可纠的)，Load/Unload次数，可用性、MTBF(平均无故障时间)，AFR（年失效率）、工作负载和保修年限。另外还有噪音、功耗、尺寸、环境要求等。
图3：HDD关键指标
让我们再看一下SSD有哪些关键参数。图4、5是DapuStor最新的基于自研主控(DPU600)的企业级SSD产品的关键参数指标。从中可以看出，在性能方面，SSD关注的指标有：读写带宽，4K随机读/写IOPS(IO Per Second), Latency, QoS(Quality of Service, 服务质量)，另外还有IOPS和带宽的一致性等性能参数(限于篇幅没有都贴出来)。可靠性方面，有MTBF，UBER和Data Retention等指标。另外还有功耗，产品寿命指标（这里给出的是5年质保期内的平均DWPD值）。
图4：DapuStor R5100 SSD基本指标
图5：DapuStor R5100 SSD QoS指标
从上面的梳理可以看出来，HDD和SSD关注的技术指标还是有许多是一致的，比如，性能方面的指标：带宽，延时；可靠性方面的：MTBF, UBER, 工作负载和年限等。其次，由于两个产品本身特性不同，所以也有一些关键参数是不一样的。比如，HDD机械方面的一些参数：转速、噪音和磁头加载次数等参数，SSD则没有这些参数。同样的，由于Nand Flash的特性，SSD需要关注的一些参数，如：Data retention，DWPD，是HDD没有的。另外，SSD对性能方面参数的关注，明显比HDD要多很多。比如，IOPS，QoS，带宽和IOPS一致性等参数，SSD都需要关注。
接下来，我们把HDD和SSD共有的一些参数做些比较。当然，由于两款产品的应用场景和成本等方面有很大区别，所以从某种程度上来说这两款产品的可比性不是很强，另外这个比较本身不是为了说明孰优孰劣。从表中可以看出，SSD的读写带宽比HDD提升了23和28倍，延时降低了438倍，同时为了维持较高的读写性能，功耗是HDD的2.5倍。但是如果我们把功耗和带宽放到一起，计算一个简单的能效比，就会发现：读取同样GB的数据量，SSD消耗的电能约为HDD的1/10。也就是说，在能效比方面，SSD比HDD有10倍的提升！
由于篇幅限制，本篇只从产品的功能、作用与目标，产品迭代的核心驱动力和关键参数指标这3方面，对比了HDD和SSD的异同。下篇将继续从产品形态，数据传输接口类型，产业布局，以及制造和测试流程这4个方面为您解读HDD和SSD的异同。敬请关注下期！