速度是每個極客的追求，爲了提升充電速度，我研究了各種充電頭，寫了篇「關於PD快充和快充充電器選購指南，看這一篇就夠了」，還被張大媽首頁推薦了。今天我們就來聊一聊機械硬盤 / 固態硬盤 / U盤 / NAS 等設備的理論極限速度是多少，看看讀寫速度受限到底出在哪個環節，以及如何提升日常所用硬盤的讀寫速度，讓你的硬盤發揮到理想性能。
一、速度基礎知識
談及速度就要首先要明確下「速度單位」的概念：
比特（bit，b）是表示信息的最小單位，是二進制數的一位包含的信息，只有兩種狀態：0 和 1。例如：一個計算機的字長爲 16 比特，即 16 個二進制位，則它所表示的數值信息即爲 0-65535 。
字節（Byte，B）是計算機信息技術用於計量存儲容量的一種計量單位，作爲一個單位來處理的一個二進制數字串，是構成信息的一個小單位。最常用的字節是八位的字節，即它包含八位的二進制數。1 Byte = 8 bit。
B 與 iB 的區別：1KB（Kilobyte）= 1000Byte，1KiB（Kibibyte）=1024byte。硬盤生產商是以 GB（十進制，即 10 的 3 次方，如 1GB = 1000MB，1MB = 1000KB）計算的，而電腦（操作系統）是以 GiB（2 進制，即 2 的 10 次方， 如 1MiB =1024KiB）計算的。但是國內用戶一般理解爲 1MiB = 1M =1024KB，所以爲了便於中文化的理解，翻譯 MiB 爲 MB 也是可以的。同樣根據硬盤廠商與用戶對於 1MB 大小的不同理解，硬盤實際容量按計算機實際的 1MiB =1024KB 算都不到標稱容量，這也可以解釋爲什麼新買的硬盤「缺斤短兩」並沒有它所標示的那麼大。比如我買的兩塊大小分別爲 2T 和 500G 的硬盤在電腦上顯示實際容量只有 1863GB 和 465GB。
帶寬（bps）指單位時間能通過鏈路的數據量。通常以 bps(bit per second) 來表示，即每秒可傳輸之位數。我們所說的網速、傳輸速度是指每秒傳輸的字節（MB/s，KB/s）。常見的千兆路由器、百兆寬帶網絡都是指的 Mbps，要換算成網速的話還得除以 8。比如 100M 帶寬 = 12.5MB/s 網速，千兆網絡理論最大傳輸速度爲 125MB/s（ 1Gbps = 1Gbit / second = 125 MB/s）。所以就不要抱怨你家的幾十兆電信寬帶咋沒有幾十兆的下載速度啦~
二、硬盤能有多快
1、硬盤原理與理論速度
機械硬盤（HDD）主要由：盤片，磁頭，盤片轉軸及控制電機，磁頭控制器，數據轉換器，接口，緩存等幾個部分組成。磁頭可沿盤片的半徑方向運動，加上盤片每分鐘幾千轉的高速旋轉，磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進行數據的讀寫操作。信息通過離磁性表面很近的磁頭，由電磁流來改變極性方式被電磁流寫到磁盤上，信息可以通過相反的方式讀取。
固態硬盤（SSD）是用固態電子存儲芯片陣列而製成的硬盤，具有快速讀寫、質量輕、能耗低以及體積小等特點，不過一旦硬件損壞，數據較難恢復等，閃存具有擦寫次數限制的問，耐用性（壽命）相對較短。
硬盤一般都是通過SATA接口與主板相連，雖然 SATA3 接口的理論速度是 6Gbps，但機械硬盤沒一個能夠跑滿甚至說摸到 50% 都是奢望。 此外機械硬盤的傳輸速度跟所傳輸的文件大小有關係，文件越小越碎片的話速度越慢。目前傳統硬盤傳輸速度平均 250MB/s（來源）。也有種說法是讀寫平均速度約在60 ~ 170MB/s之間（來源）。而採用 SATA 接口的固態硬盤速度在500MB/s左右，NVMe 固態能達到3000MB/s。
（圖片來源【呼呼科普】瞭解固態硬盤SSD，竟然如此簡單！）
2、機械硬盤緩存
緩存爲機械硬盤的讀寫提供高速的數據緩衝，無論是向硬盤寫入數據還是讀出數據都是先讀到緩存然後在輸入電腦的，藉以保證數據傳輸的穩定性和更高的速度。更大的高速緩存容量可以大幅提高機械硬盤的突發讀寫速度，特別是當機械硬盤需要頻繁修改數據時，可以使其性能發揮到極致，又可以大幅提高機械硬盤的壽命。
由於緩存的作用，傳輸大文件的時候開始速度很快，後來速度慢慢降下來，這裏牽涉到兩個概念：硬盤的平均傳輸速率和突發傳輸速率。
突發傳輸速率是硬盤在接到讀寫命令的瞬間，從硬盤緩存中讀出數據的速度，由於緩存是半導體，其讀寫速度遠大於硬盤實際讀寫速度，甚至可以達到 GB/s級別。
平均傳輸速率主要由硬盤的轉速和磁頭尋道時間決定，這個速度就是後期穩定速率，是硬盤接到讀寫命令、驅動磁頭尋道、讀寫數據、然後經外部接口將數據送出的速率，是硬盤實際持續工作可以達到的速率。也就是上面說到的 60-250MB/s。
3、機械硬盤 PMR 與 SMR 技術
我們平常選購硬盤只注重品牌、容量、轉速等參數，其實除了這幾項之外還有項廠家從來不標，普通消費者也無從得知，卻是很重要的參數——硬盤驅動器 (HDD) 磁性記錄技術。主要有兩種：垂直磁性記錄 (PMR) 和疊瓦式磁性記錄 (SMR) 。具體原理和區別可以看 B站 bonjour呼呼的視頻，和知乎問答爲什麼目前市面上的機械硬盤大都不標註是否使用SMR技術？
簡單說就是 SMR 技術在提升單碟容量的同時，減少了盤片數量，也降低了售價。不過 SMR 硬盤在改寫數據時會覆蓋掉鄰近磁軌的數據，要先把這些數據存到臨近的緩衝區，然後寫入新數據，再把舊數據寫回去，導致掉速、發熱、噪音等問題。使用 SMR 技術的硬盤在剛買來的「空白」狀態下可能和非 SMR 硬盤無異；但在使用一段時間、磁盤空間逐漸被數據填滿後，SMR 的問題就會開始暴露了，也就是讀取數據沒問題，但寫入（改寫）數據會特別慢，SMR 硬盤容量越滿，寫入越慢。
一般來說，緩存爲 64MB 的都是垂直技術(PMR)，256MB 的都是疊瓦式。買機械硬盤的話儘量繞開 SMR 硬盤，選購指南可以參考小白購買機械硬盤避坑以及選擇指南。也可以查看這個 Excel 表格鏈接，裏面有希捷/西數/東芝等兩百多款機械硬盤的詳細參數，讓你一眼辨別你的硬盤是不是 SMR。現在非 SMR 硬盤越來越少了，你的硬盤就算是 SMR 也別太擔心，既然 SMR 作爲一種新技術並大規模的商用了，日常使用也是沒有什麼問題的，畢竟硬盤都有兩年質保，免費換新呢，不過官方質保並不包括數據恢復，平時還是要做好數據備份，要知道硬盤可是整套電腦主機裏面最容易故障的硬件。
4、硬盤讀寫速度測試
瞭解完 HDD 和 SSD 的理論速度上限後，接下來測試下我手上的幾塊機械硬盤和固態硬盤看看實際傳輸表現如何。我的幾塊硬盤買的都比較早，之前買的時候也不懂，現在看了下，NAS 和電腦裏面幾塊希捷機械硬盤都不是疊瓦的，不用擔心容量快滿了掉速的問題。 不過這幾款已經停產了，現在希捷 2T 款機械硬盤都是疊瓦式的了。 固態硬盤宿舍用的是東芝 Q300，一款 TLC 顆粒的 240GB 固態硬盤。教研室之前用的是三星的 850 EVO，只有 120GB，用滿了之後換了個 500GB 的 860 EVO。不要問我爲啥不買更好的 MLC 顆粒的，學生黨窮啊。
測試硬盤速度的時候要在兩個硬盤之間複製纔是平均傳輸速率，如果複製文件是在一個硬盤不同分區進行，最後的速度要慢於平均傳輸速率，因爲硬盤要同時進行讀寫操作。下面是測試軟件 CrystalDiskMark 的界面介紹。
CrystalDiskMark 測速結果如下所示：
測試結果表明希捷的新款 2TB 機械硬盤的整體性能比老款 500GB 和 1TB 的硬盤好些，不過差別不是太大。固態硬盤性能全方位領先機械硬盤，大容量的固態硬盤性能明顯比小容量的要更好（具體原因可以看上面提到的呼呼的科普視頻）。SSD 連續讀測試（seq）速度差別不大，寫速度是 HDD 的 2-3 倍。4K 隨機讀寫速度跟機械硬盤不是一個量級的，這也是固態硬盤真正比機械硬盤強大的地方，像 DLL 一類的小文件，在軟件運行時會頻繁地調用它，尤其是在啓動的時候。而 SSD 的優勢就是快速地讀寫這些小文件，從而使磁盤性能提升，不會出現卡頓。
跑分結果只能做個參考，接下來看看實際在硬盤間拷貝一份大電影文件速度如何：
可以看到從 SSD 寫入 HDD 或者 HDD 同磁盤之間的寫入能達到 200MB/s，這應該是機械硬盤寫入速度的上限了。而 HDD 不同磁盤之間的傳輸受到同時讀寫操作的影響，速度降到了 50MB/s，希捷 1T 硬盤速度圖還能看到明顯的三角形曲線，這是由於硬盤讀寫的區域不同（靠近圓心或者遠離），或者磁盤出現壞道導致的。
從 HDD 寫入 SSD，受到 HDD 讀取性能的影響，兩塊三星 SSD 的寫入速度只有 150MB/s，固態硬盤之間的讀寫速度達到了 250MB/s，東芝 SSD 的表現讓人大跌眼鏡，同樣是 TLC 固態硬盤，性能比三星的也差太多了吧！
5、USB2.0 VS USB3.0 U盤讀寫速度測試
硬盤速度測試完了，手上還有一些 USB2.0（黑色內芯）、USB3.0（藍色內芯）的U盤和移動硬盤設備，也來測試下它們的讀寫速度。
可以看到 USB2.0 和 USB3.0 的速度差太多了，基本可以和 USB2.0 的設備說拜拜了。同樣是 USB3.0 的U盤和移動硬盤的讀取速度差別不大，而寫入速度卻相差十幾倍。也就是要跟別人分享你下載的小姐姐的話拿移動硬盤拷貝要比U盤快上十倍的時間。
6、硬盤小結
目前提升機械硬盤速度的方法主要是加大緩存和提升轉速。理論上緩存是越大越好的，但是必須考慮的一個問題就是性價比，大的緩存成本是很高的，但是其帶來的性能提升往往是沒有想象中的大，現在的 PMR 硬盤大都是 64MB 緩存，SMR 由於寫入特性一般是 256MB。
至於轉速的話也不是越高越好，越高的轉速意味着更大耗電和噪音，在移動和碰撞時也更容易損壞，現在主流的 2.5 英寸筆記本硬盤是 5400 轉的，3.5 英寸的臺式機硬盤的是 7200 轉。15000 轉/分的硬盤多數都是用在服務器上面，服務器是一旦上架幾乎不會移動的，而且服務器硬盤多數都做了raid，因此也不怕壞個把硬盤，因此纔會爲了追求讀寫速度、忽略硬盤損壞的風險，更加不用考慮耗電高和噪聲大的問題了。
希捷還曾宣佈引入多驅動電機技術，使得 HDD 的性能翻番。雙電機意味着可以傳遞 / 檢索多一倍的數據，也就是讀寫性能翻倍。不過由此帶來了成本和重量問題，該技術還未見產品面世。
如同電池技術一樣，機械硬盤的性能提升放佛遇到了瓶頸停滯不前，7200 轉/分和 64MB 的搭配已經快十年沒啥變化。5G時代即將來臨，勢必對讀寫速度提出更高的要求，接下來就要看固態硬盤的了，至於是 SLC、MLC 還是TLC 又是一個很深的話題了。
總結一下，有錢就上固態硬盤，尤其是系統盤，SSD 會帶來整機性能質的提升。性價比較高的機械硬盤依然是裝機必備，機械硬盤儘量選擇非疊瓦技術的，U盤至少要買 USB3.0 的，同時配套的 USB-HUB 也要是 USB3.0。這樣就是當下發揮硬盤性能的最優解啦！
三、NAS 能有多快
NAS（Network Attached Storage：網絡附屬存儲）是私有云，也是雲存儲的一種。簡單來說就是把你的硬盤插上網線，使硬盤裏的內容連上網，你在任何其他地方都能訪問。百度網盤之類的公有云數據存儲在百度公司的服務器上，而NAS的數據存儲在你本地的硬盤裏。NAS具體介紹之前在我的公共號裏寫過一篇安利 NAS瞭解一下，有興趣的可以看一下。NAS可以實現遠程訪問、文件共享、數據備份、搭建服務器等等功能，總之是非常非常推薦的。
目前來說，價格還是影響 NAS 普及的主要原因，NAS 的硬件門檻不高，主打的軟件服務也沒有太大的技術壁壘，我相信日後隨着諸如價格屠夫小米之類的互聯網廠商參與進來，NAS 的價格會降到普通人能買來體驗的水平，到那時 NAS 可能就會跟移動硬盤一樣成爲生活中不可或缺的電子設備之一了。
我用的是羣暉入門款雙盤位 NAS - DS218J，兩塊 2T 的硬盤組成 raid1，實現數據的冗餘備份，保證數據安全。可以方便的從任意終端（筆記本、臺式機、手機、ipad）訪問，通過手機上的 DS Photo 一鍵備份所有手機照片，省下一大筆購買 iCloud 的錢。
NAS 與電腦傳輸數據走的是網線，那麼傳輸速度就會收到網線帶寬的影響，百兆網線理論傳輸速度 12.5MB/s，跑滿應該不成問題，千兆網線理論傳輸速度 125MB/s，看起來也不低了，跟硬盤之間的理論傳輸速度差不多。那麼 NAS 的讀寫速度有哪些影響因素呢，怎麼才能達到理論速度呢？在我看來主要有以下幾點：
1、百兆網絡 VS 千兆網絡
上面說了，千兆網絡的帶寬是百兆網絡的十倍，我們來測試下真是情況如何，首先測試下百兆網絡，使用的是水星100M 交換機，將電腦和 NAS 都連到百兆交換機上。
可以看到在百兆網絡環境下，考慮到各種損耗，硬盤讀寫速度 11MB/s，基本已經跑滿百兆帶寬了，百兆網絡顯然已經喂不飽 NAS 了。
接下來換成千兆網絡測試一下，使用中高端的華碩AC-66U千兆路由器，上圖是我宿舍目前網絡的實際拓撲圖。宿舍網絡一般都是幾十兆寬帶，所以用個普通的百兆交換機就夠了。由於我既有校園網需求（ipv6下視頻，校內資源訪問），又有電信網需求（玩遊戲、看視頻速度快），就整了個MT-VIKI 的 RJ45-2 網絡切換器。當 SWITCH 切換到電信網的時候，NAS 就通過路由器和電腦連上了。電腦和 NAS 交換數據走的是二層的千兆路由器，一層的百兆交換機不會造成影響。
實測 NAS 和 電腦之間相互傳文件的速度達到 100MB/s，基本接近千兆網線的極限速度了，是同一硬盤不同分區之間的 50MB/s 拷貝均速的兩倍。
千兆網絡的傳輸速度還是讓人滿意的，確實是百兆網絡速度的十倍。那麼萬兆網絡呢？雖然目前萬兆路由器、萬兆網線和萬兆網卡都比較貴，市面上還是有的賣的，那麼全都換上萬兆設備能大幅提升 NAS 讀寫速度嗎？答案是讓人失望的，由於木桶理論，傳輸速度受到速度最低那個設備的限制，在萬兆網絡環境下，實際讀寫速度就受限於機械硬盤的 150MB/s 的速度瓶頸。
那麼換成讀寫速度最快的固態硬盤呢？嘿，還真有人這麼幹了！ B站翼王就 DIY 了一臺萬兆網絡NAS，將 NAS 和主機的萬兆網卡用光纖直連，在內存緩存的作用下，複製小文件速度達到了 1GB/s，真是太爽了！雖然從機械盤拷文件還是會受機械盤本身速度的限制，但是網絡不會成爲瓶頸，同時幾個硬盤考進去也不會衝突。
那麼，再快十倍，使用十萬兆網絡呢？翼王又這麼幹了！ 使用雙口 56G 網卡鏈路聚合後搭建了 10萬兆寬帶。當然成本也是非常高的，光支持 56G 帶寬的網線就得 200 塊一米，鏈路聚合需要兩根一起工作價格再翻番。光是單個接口 56G 的速度換算到 Windows 下都有 6000MB/s 的讀寫，而我們平時用的 NVMe 固態只有 3000MB/s 的讀取和 2000MB/s 的寫入，目前最快的固態硬盤都已經不夠用了。然後.....就只能將內存當硬盤用了！ 翼王把 6 根 8G 內存條分了下，每邊當 24GB 的硬盤使用。
受到系統內核、CPU 性能等限制，文件傳輸只能點對點跑單通道，做不了連鏈路聚合，軟件依然跑出來 5700MB/s 的成績。
直接通過任務管理器拷貝文件，達到了 2GB/s，這時候的瓶頸就出現在資源管理器身上了，它需要實時顯示剩餘時間和複製速度，做文件驗證等等。
現在的傳輸速度都是以 MB/s 爲單位的，相信在不久的將來，就像 MB/s 取代 KB/s 那樣，GB/s 和 TB/s 都會成爲日常吧！
2、超五類 VS 六類網線：
超五類線可以傳輸千兆網絡，考慮到傳輸損耗的話就低於千兆了。6 類網線可以提供 2 倍於超五類網線的性能，並且具有更小的串擾，回波損耗方面也要好很多。那麼換成 6 類網線的話會不會提升 NAS 與電腦之間的傳輸速度呢？
我手上沒有 6 類網線，找了個網上的測試看一看。
可以看到超五類網線和六類網線的傳輸速度基本沒有什麼區別，爲什麼會這樣呢？首先機械硬盤固有的速度瓶頸是無法突破的，換成六類網線頂多跑滿千兆網絡極限。其次對於家庭網絡而言超五類線已然夠用，在短距離下超五類線與六類線的速度差別並沒有指標上那麼明顯，更多的是在遠距離傳輸下才會體現出差距。總之就是：換網線沒啥用。
3、鏈路聚合技術
鏈路聚合指將多個物理端口匯聚在一起，形成一個邏輯端口，以實現出/入流量吞吐量在各成員端口的負荷分擔，交換機根據用戶配置的端口負荷分擔策略決定網絡封包從哪個成員端口發送到對端的交換機。當交換機檢測到其中一個成員端口的鏈路發生故障時，就停止在此端口上發送封包，並根據負荷分擔策略在剩下的鏈路中重新計算報文的發送端口，故障端口恢復後再次擔任收發端口。鏈路聚合在增加鏈路帶寬、實現鏈路傳輸彈性和工程冗餘等方面是一項很重要的技術。
在 NAS 上所說的鏈路聚合就是用兩根網線同時把你的電腦、NAS 和路由器連到一起，每個網線分擔一半。這樣就能實現帶寬翻倍，前提是你的 NAS，路由器，電腦都需要支持鏈路聚合（有兩個網口）。
不過鏈路聚合技術只是帶寬翻倍，並不能實現單用戶傳輸速度翻倍。也就是適合多個用戶訪問 NAS 的使用場景，比如兩臺電腦同時訪問 NAS，每個用戶都有 100MB/s 的速度，互不衝突。單個用戶訪問的話還只是 100MB/s 千兆網極限速度。
4、NAS 小結
要想提升家庭NAS的傳輸速度，最重要的還是路由器性能。千兆網絡是必不可少的，所以去挑一臺更快更好的千兆路由器吧！
四、全文總結
上表是目前與硬盤相關的協議與速度總結，目前硬盤類產品最快的就是雷電3 了，高達 40Gbps 的傳輸速度使其能夠雙 4K（4096×2160）60Hz 顯示器輸出，或外置 GTX2080Ti 顯卡。再快的話就是內存了，DDR3 1600Mhz 的內存帶寬速度就是 1600Mhz*64/8 = 12.8GB/s，上面提到的翼王拿內存條當硬盤使，讀寫速度輕輕鬆鬆突破5GB/s。
機械硬盤選購的話儘量避免疊瓦式的，固態硬盤的話得看清楚M.2 接口的走的是 SATA 通道還是PCI-e 通道，主板不支持的話就買個靠譜的 SATA 接口 SSD。U盤沒啥說的，選 USB3.0 的就好了，USB3.1 接口的U盤目前沒啥必要，畢竟大部分電腦的接口還只是藍色內芯的 USB3.0，等將來主板上普及了 Type-C 接口再說吧。
硬盤產品的實際傳輸與很多因素有關，讀取速度比寫入速度快得多。表最後一項產品實際常見速度是目前做的最好的產品在最佳環境下的理想速度，大部分使用情況下是達不到這個速度的，不過最低也要能達到七八成吧，如果你的產品與列表裏的參數差的太多，你就要檢查下到底問題出在哪個環節了。
最後祝大家都越來越快！
日常勤備份再說一遍哦，謝謝觀看
