📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸
✍️ Ping Chen
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使用管線化（Pipeline）技術可以提升區塊鏈的處理效能，但也可能會產生相應的代價。
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區塊鏈的擴容方案
說到區塊鏈的效能問題，目前討論度最高的應該是分片（sharding）技術，藉由將驗證者分成多組的方式，可以同時分別處理鏈上的交易需求，即使單分片效能不變，總交易量可以隨著分片/驗證者集的數量線性增加。
除了分片，另一個常用來提升程式效能的方案是將計算步驟拆解，以流水線的方式將複雜的運算攤平，降低系統的閒置時間，並大幅提升工作效率。為了達到管線化預期的目的，會需要先知道系統的瓶頸在哪。
區塊鏈的效能瓶頸
熟悉工作量證明設計哲學的人應該會知道，區塊鏈之所以需要挖礦，並不是為了驗證交易的正確性，而是要決定交易的先後順序，從而避免雙花和帳本分裂的發生。可以說，區塊鏈使用低效率的單線程設計，並付給礦工高額的成本，都只為了一件事，就是對交易的全局排序產生共識。
在這樣的基礎之上，區塊鏈在一段時間內可以處理的交易數量是有限的，這之中包含許多方面的限制，包括 CPU 效能、硬碟空間、網路速度等。其中，關於 TPS(每秒交易數) 提升和對硬體的要求大致上是線性增加的，但在設計共識演算法時，通訊複雜度常是平方甚至三次方的關係。
以現在的目標 TPS 來說，處理交易和生成一個合法的區塊並不困難，只是因為區塊鏈的特性，新區塊需要透過洪水法的方式擴散到全網路，每個節點在收到更新請求的時候都要先執行/驗證過區塊內的交易，等於整個廣播的延時會是「驗證區塊時間×經過的 hop 數量」這麼多。似乎網路越分散、節點越多，我們反而會需要降低計算量，以免讓共識不穩定。
管線化的共識機制
使用權益證明取代工作量證明算是行業發展的趨勢，除了環保或安全這些比較顯然的好處之外，權益證明對產生共識的穩定性也很有幫助。首先，權益證明在同一時間參與共識的節點數是已知的，比較容易控制數量級的邊界；其次，權益證明的出塊時間相較工作量證明固定很多，可以降低計算資源不足或閒置的機率。
相較於工作量證明是單一節點出塊，其餘節點驗證，權益證明的出塊本身就需要很多節點共同參與，瓶頸很像是從驗證轉移到通訊上。
以 PBFT 為例，每次產新區塊都需要經過 pre-prepare, prepare, commit 三個階段，你要對同意驗證的區塊簽名，還要對「你有收到某人的簽名」這件事簽名，再對「你有收到 A 說他有收到 B 的簽名」這件事簽名，過程中會有很多簽名飛來飛去，最後才能把一個區塊敲定。
為了降低每兩個區塊間都需要三輪簽名造成的延遲，後來的共識演算法包括 HotStuff 和 Casper FFG 採用了管線化的區塊驗證過程。也就是對區塊 T 的 pre-prepare 同時是對 T-1 的 prepare 和對 T-2 的 commit。再加上簽名聚合技術，出塊的開銷在複雜度等級和係數等級都降低許多。
然而，要保持管線化的區塊生產順利，需要驗證者集合固定不變，且網路通訊狀況良好。如果會經常更動驗證者集合或變換出塊的領導者，前後區塊間的相依性會是個大問題，也就是 T 的驗證者集合取決於 T-1 裡有沒有會導致刪除或新增驗證者的交易，T-1 的合法性又相依於 T-2，以此類推。
當激烈的分叉出現的時候，出塊跟共識的流水線式耦合就從優雅變成災難了。為了避免這種災難，更新的共識演算法會限制驗證者變更的時機，有些叫 epoch 有些叫 checkpoint，每隔一段時間會把前面的區塊徹底敲定，才統一讓驗證者加入或退出。到這些檢查點的時候，出塊的作業流程就會退化成原本的三階段驗證，但在大部分時候還是有加速的效果。
管線化的狀態更新
另一個可以用管線化加速的是區塊鏈的狀態更新。如前所述，現在公鏈的瓶頸在於提高 TPS 會讓區塊廣播變慢，進而導致共識不穩定，這點在區塊時間短的以太坊上尤其明顯。可是如果單看執行一個區塊內的交易所花的時間的話，實際上是遠遠低於區塊間隔的。
只有在收到新區塊的時候，節點才會執行狀態轉移函數，並根據執行結果是否合法來決定要不要把區塊資訊再廣播出去。不過其實只要給定了交易集合，新的狀態 s’ = STF(s, tx) 應該是確定性的。
於是我們有了一個大膽的想法：何不乾脆將交易執行結果移出共識外呢？反正只要大家有對這個區塊要打包哪些交易有共識，計算的結果完全可以當作業留給大家自己算吧。如果真的不放心，我們也可以晚點再一起對個答案，也就是把這個區塊執行後的新狀態根包在下個區塊頭裡面。
這就是對狀態更新的管線化，在區塊 T 中敲定交易順序但暫不執行，區塊 T+1 的時候才更新狀態（以及下一批交易）。這麼做的好處十分顯而易見，就是將原本最緊繃的狀態計算時間攤平了，從原本毫秒必爭的廣播期移出來，變成只要在下個塊出來之前算完就好，有好幾秒的時間可以慢慢來。新區塊在廣播的每個 hop 之間只要驗證交易格式合法（簽名正確，有足夠的錢付手續費）就可以放行了，甚至有些更激進的方案連驗簽名都省略了，如果真的有不合法交易混進去就在下個區塊處罰礦工/提案者便是。
把負擔最重的交易執行移出共識，光用想的就覺得效能要飛天，那代價呢？代價是區塊的使用程度會變得不穩定。因為我們省略了執行，所以對於一筆交易實際用掉多少 gas 是未知的。本來礦工會完整的執行所有交易，並盡可能的塞滿區塊空間，然而在沒有執行的情況下，只能以使用者設定的 gas limit 當作它的用量，能打包的交易會比實際的上限少。
緊接著，下一個問題是退費困難。如果我們仍然將沒用完的手續費退還給使用者，惡意的攻擊者可以透過發送 gas limit 超大，實際用量很小的交易，以接近零的成本「霸佔」區塊空間。所以像已故區塊鏈 DEXON 就直接取消 gas refund，杜絕濫用的可能。但顯然這在使用者體驗和區塊空間效率上都是次優的。
而最近推出的 smartBCH 嘗試擬了一套複雜的退款規則：交易執行後剩餘的 gas 如果小於 gas limit 的一半（代表不是故意的）就退款；如果剩餘量介於 50%-75% 可以退一半；超過 75% 推斷為惡意，不退款。乍看是個合理的方案，仔細一想會發現製造的問題似乎比解決的還多。無論如何，沒用掉的空間終究是浪費了，而根據殘氣比例決定是否退款也不會是個好政策，對於有條件判斷的程式，可能要實際執行才知道走哪條路，gas limit 一定是以高的情況去設定，萬一進到 gas 用量少的分支，反而會噴更多錢，怎麼想都不太合理。
安全考量，退費大概是沒希望了。不過呢，最近以太坊剛上線的 EIP1559 似乎給了一點方向，如果區塊的使用程度能以某種回授控制的方式調節，即使偶爾挖出比較空的區塊似乎也無傷大雅，也許能研究看怎麼把兩者融合吧。
管線化方案的發展性
考慮到以太坊已經堅定地選擇了分片的路線，比較激進的單鏈高 TPS 管線化改造方案應該不太有機會出線，不過管線化畢竟是種歷史悠久的軟體最佳化技巧，還是很有機會被使用在其他地方的，也許是 VDF 之於信標鏈，也許是 rollup 的狀態轉換證明，可以坐等開發者們表演。
倒是那些比較中心化的 EVM fork/sidechain，尤其是專門只 for DeFi 的鏈，管線化加速可以在不破壞交易原子性的前提下擴容，確實是有一些比分片優秀的地方可以說嘴，值得研究研究，但這就要看那些機房鏈們有沒有上進心，願不願意在分叉之餘也投資發展自己的新技術了。
給我錢
ping.eth
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雙硬碟好處 在 [分享] SSD HDD比較&SSD壽命選購&硬碟使用習慣 的美食出口停車場
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謝謝配合~
有幾張圖片 可以參考好讀版
https://www.ptt.cc/bbs/nb-shopping/M.1448108358.A.EAD.html
主要是想講 為什麼SSD容量要選大 使用上不要超過6成 保護HDD的使用習慣
本文除了希望更多人看懂之外 小弟對許多專有名詞也不甚熟悉 盡量以通俗的方式說明
文中如有謬誤或是誤導之處還請不吝指教 我也可以學到東西或更正觀念
本文
隨著SSD從原本貴桑桑的SLC轉至消費級MLC的產品大量出現
到現在準備邁入TLC世代(個人覺得 消費者 市場 是半推半就進行世代交替的)
價格理論上會越來越便宜 速度隨著新的標準 比如PCI NVMe等等會越來越快 註
註：關於SLC MLC TLC 還有QLC有興趣的可以自行google 簡單說明一下 可以略過
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%BA%E6%85%8B%E7%A1%AC%E7%A2%9F
意義分別是指Single-Level Cell(單元) Multiple- Triple- Quadruple-
指的是同一個單元能夠儲存的位元數 其他詳見wikipedia
速度部分SLC:MLC:TLC~=4:2:1
壽命部分SLC:MLC:TLC~=6:3:2
成本則因為同樣的資料量(比如3單位) SLC需要最多單元儲存 所以成本最高 TLC反之
我認為 SSD已經慢慢成為標準配備 負擔的起的狀況下 好一點的使用體驗何樂而不為呢
目錄
一、SSD與HDD比較
二、SSD壽命選購
三、硬碟使用習慣
SSD與HDD比較
在講SSD選購與壽命前 先簡單比較一下SSD相較於HDD的優缺點
優點
1.順暢
由於HDD的工作原理是用一或數片磁碟(註1)儲存資料(1&0)
然後一片(一層)磁碟對應一支讀寫頭
長時間使用下來 先不論硬碟的耗損(註2)
磁碟上會累積大量的"碎片" 讀寫頭就必須去搜尋同一個檔案的碎片
就有"搜尋時間"(註3)
而SSD是NAND flash 直接透過電流改變1&0狀態並儲存 就不會有所謂碎片的問題
速度就會快上HDD許多 尤其是在小檔案的讀寫 也就是4K速度 是HDD的至少50倍起跳
筆電用的2.5吋 5400/7200轉更能直接體現差異(約500倍上下)
註
1.磁碟直徑約為2.5或3.5吋 會因轉速不同略有增減 也有1.8吋的HDD
速度 噪音 耗電也有所不同 比如3.5吋供電需12V 2.5吋只有5V等等
其他詳見 #13Kpg3H1 https://goo.gl/QzyfpL 或至 Storage_Zone取經
2.硬碟的耗損包括讀寫頭 轉軸 電路板 耗損的程度也會影響速度
3.碎片的產生是由於檔案大小不一造成的
比如我一開始有三個檔案分別是2 3 4個單位○○●●●◎◎◎◎
如果中間三單位的檔案移除了 又寫入一個五單位的檔案
他並不會直接寫在後方 而是拆成 3 2 寫入:○○●●●◎◎◎◎●●
這就是碎片 當然 大部分的檔案不會只有幾個單位大小 所以碎片就會不斷累積)
**很多廠商喜歡強調連續讀寫速度 其實沒甚麼意義 除非你一天到晚在做大檔案讀寫
順暢(比如開機速度 程式開啟的速度)的原因是由於SSD在小檔讀寫壓倒性的速度
2.防震 無噪音 不震動 發熱量低
由於SSD本身沒有機械結構 所以不像HDD容易因運轉時晃動或撞擊而損壞
(上述提到的讀寫頭與磁碟表面不到一根頭髮的距離 硬碟裡面也是無塵的)
由於沒有機械結構 自然沒有噪音 也不會有些微的震動 發熱量也較低
3.省電
省電算是半個優點 這是一個迷思 實際上 在全速的情況下SSD也是跟HDD一樣耗電的
但是在待機的時候電量可能只有HDD的1/100(還有支援Devsleep的可以到幾乎不耗電)
4.安全性
SSD的資料刪除基本上就找不回來了 不像HDD還有救回的可能
**這部分有興趣可以到 Storage_Zone / "救資料天價原因" 最近有系列文
5.壽命長 對環境要求較低(*HDD有些企業級產品也很優秀 但是總體而言SSD更好一些)
HDD的工作溫度及儲存溫度都比SSD的RANG小 更不用談入塵 防震這些HDD先天的問題
實際上 HDD只要通電 壽命就會耗損 不通電長時間也會影響壽命
SSD只要"不寫入" 對壽命的影響是很小的
缺點
1.貴
這大概是消費者最直接感受 也最不能接受的 同價位SSD/HDD容量比大約是128G/1T
雖然後面會講到 大容量SSD的壽命更長 但是如果有大容量儲存需求
還是建議可以選配一顆HDD(後面也會講到怎麼樣避免HDD不防震的問題)
**雙碟的另外一個好處是可以由HDD來分攤SSD的寫入量
2.資料不能復原
如同優點的4 如果有重要資料因為不正常斷電或是誤刪 救回的機率不高
但是如同關鍵字 救資料天價原因 如果有壞軌等比較麻煩不能自己處理的
大概也不用想了 大概3W起跳 所以說 重要資料還是多備份的好
會掛就是會掛 吃人品 吃使用習慣
SSD壽命選購
簡單的說明過SSD HDD的工作原理 優缺點之後 來講講怎麼挑選SSD
內容比較多是個人看法 還請鞭小力一點m<(_ _)>m
這邊不個別討論SLC MLC TLC壽命 因為可以類推 另外TLC不代表比較差
比如現在最進步的SSD 三星的850/950 EVO系列 使用V-NAND(3D垂直flash技術)就是TLC
內文 (這是跟別人聊天的內容 稍作修改就貼上來了 可能比較口語一點)
首先 SSD最小的儲存單位叫做blocks 每個blocks有一定的寫入次數
同一批顆粒可以差到1個數量級左右都算正常 這就是各家生產顆粒的能力
還有所謂好的顆粒不是只有速度快而是在高壓力(大量頻繁連續的謝入)使用下
速度的維持&壽命的衰退 便宜的顆粒跟貴的顆粒主要差別就是差在這邊
寫入次數 速度 耐久(玻璃程度)
一般來說能夠自己生產顆粒的廠商都不簡單 更厲害的是能夠供給顆粒給別人的
目前比較大的就是 美光 TOSHIBA 海力士 恩... 還有一個 三星
SSD另外一個重要的元件 叫做主控 負責SSD的讀取寫入 主要工作就是"分配寫入次數"
盡量不要讓某部分顆粒被頻繁的寫入 這部分除了主要的Sandforce和Marvell陣營之外
也有不少是用台製主控或是自行製造的晶片也是有 反正我選Marvell XD
詳細比較可以估狗SF和MV的差別 這邊主要說明為什麼要選大容量
以下用醜醜的圖說明
以統計學來說 完全隨機的寫入應該會是呈現常態分佈
一顆新的SSD大概是這樣
長時間下來會有點像這樣
好的主控的任務就是盡量減少極端的次數 比如都沒有寫入過 或是寫入很多次
(統計學上來說 就是讓標準差不要太大(鐘形曲線變瘦))
(下圖取自維基百科 菊線的標準差最小 資料最集中
以SSD來說就是寫入次數越一致
峰值部分表示平均值 可以理解為SSD的平均寫入次數)
那曲線整體會隨著時間右移 (平均寫入次數會越來越多)
如果假設一定次數後會死亡(進入唯讀狀態甚至無法讀取)
紅色面積就是壞掉的blocks數
剩下可以用的blocks比例 可以換算成健康度
曲線右移的模式告訴我們 健康度衰減的方式並不是線性的
比如說從100%到90%時間是10個單位
90%到80%可能只要5個單位的時間
過了平均值(鐘形的峰值)後會大幅降低健康度
大概就差不多可以準備換了 因為資料會有危險
如同前面說過 資料沒辦法救
一般大概80%就會準備要換了(或是改成備用遊戲碟等等)這樣
這是先天壽命部分
那要怎麼做才能延長SSD壽命呢 除了盡量選擇大容量讓block的基數增加
再來就是SSD使用不要過6成 可以選配HDD分攤寫入量等等 留到使用習慣去講
硬碟使用習慣 (先從HDD開始講 因為SSD不一定每個人都要)
HDD
如同前面講的HDD的機械結構是由磁碟讀寫頭等組成
承軸有壽命 所以只要他有轉就會減損 **HDD長時間不通電也有資料遺失的風險喔
讀寫頭只要有工作 甚至放出收回的動作就會影響壽命(這個等一下特別講)
所以硬碟只要通電就會耗損
使用習慣部分
首先硬碟裡面是無塵 讀寫頭跟磁盤表面只有不到一根頭髮的距離
所以運轉時如果有垂直方向的加速度(比如搖晃 旋轉 震動等) 就有可能會刮到
一刮就是一整片壞軌 就GG惹
所以記得移動前先讓硬碟斷電(睡眠關機等)並減速(20秒~1分鐘)
當硬碟斷電的時候讀寫頭會收回
這時候移動就沒有關係 但是還是不能摔他(SSD可以摔 <3 阿 還是不要比較好啦)
當然我們還是希望硬碟完全靜止 斷電之後大約20秒~1分鐘讓減速
如果不減速 讀寫頭已經收回了 但是如果有側向加速度(比如橫向轉一下 轉軸平行地面)
承軸可能會有單側的磨損等 機率不大就是
那因為整個來說是機械結構 所以讀寫頭收回這件事情也會影響壽命
比如 WD有一個系列叫綠標 為了省電每8秒沒有使用硬碟 讀寫頭就會收回
進出次數超過1000次(具體數字有點忘了)就有資料遺失的風險
所以那個系列都會建議把這個省電功能關掉這樣
這是HDD傳統機械式硬碟部分
OK 所以保護的方法就是 移動前 關機或睡眠 休眠也可以 只是我覺得滿雞肋的
假設純SSD 開機可能還更快 HDD從休眠中喚醒又太慢
休眠跟睡眠的不同就是 睡眠是把記憶體的工作狀態存在記憶體 只供電給RAM儲存工作狀態
(就是對整個記憶體做一個screenshot) 喚醒很快(就是全部硬體 裝置通電後 從RAM釋出)
休眠則是在硬碟上開一塊記憶體大小的空間 做一樣的事情
不一樣的是 因為是"儲存"不是暫存 所以可以斷電
喚醒就是把這些東西從硬碟重新寫入記憶體 就會比較花時間 SSD普及之後我覺得關機就好
另外休眠會有一個檔案跟記憶體一樣大 其實滿占空間的 一般SSD我會把休眠關掉釋放空間
但是在WIN8 WIN10 有利用這個休眠檔 讓開關機加快 以SSD來說 沒有休眠檔大約20秒
有休眠檔約7秒 差距我認為是不大
HDD、睡眠、休眠大概就是這樣
另外很常聽到的一個名詞 磁碟重組
簡單講就是把HDD上的碎片整理成連續的空間 減少搜尋時間 減少讀寫頭工作量
有人會問 那在重組的過程不是也是在耗損讀寫頭壽命嗎
沒錯 但是他是有系統的(用演算法)在耗損 比起大量碎片累積漫無目的的耗損來得好多了
而且可以減少產生碎片的機會
(比如上面如果我在移除3單位檔案後先重組 5單位寫入時就不會有碎片 等等)
所以可以定期重組磁碟 這樣是好的 推薦可以使用Smart defrag
SSD
SSD個人建議最好不要使用超過6成 最多8成
那為什麼要6成呢 假設你使用了6成 對主控來說 他就有4成的空間可以做運用
更容易讓寫入次數平均 也減少主控的工作量
假設你只剩下2成blocks可以用 首先 必定會有2成(不一定固定是哪2成)被頻繁的寫入
可以想成一個班級有10個人 老師要調度人手做事 固定有8個人很忙 2個人很閒
這2個人就會優先被派去做新的事 工作量假設固定都是8個人
那就會有另外2個人空出來 老師就會叫這2個人去接替8個人裡面某2個人的工作
大家比較不會累死這樣
所以
老師(主控)很忙 學生也都很忙(只有2個人很閒)
那假設有1個學生累死了(blocks死亡) 剩下9個人處境就很淒慘啦
在曲線圖裡面 死亡的blocks會被移出系統 就會加速曲線往右邊移動 壽命就會快速變短
還有就是當我能夠使用的blocks不夠多的時候
SSD就會做垃圾回收(GC garbage collection) 也會造成幾秒鐘的卡頓等等
目前我的經驗是5~6成的時候 使用時幾乎不會卡頓 不小心超過6成甚至接近8成
就會有很明顯的卡頓 大概卡5~10秒
(我的SSD是SP300 64G 987次/14272小時 寫入4.13TB/讀取14.52TB 健康度99%)
原理大概是這樣
基本上我自己的經驗是 重灌 乾淨的系統連同一套office 2010加上更新包 大約20G不到
主要是我會把使用者這個資料夾做轉移 這差滿多的 這個一樣後面講XD
所以SSD我是覺得沒有特別用途128G應該夠用
當然 大一點的單位容量價格會比較低 壽命較長 速度較快
如果預算上沒有問題我建議直上256級別以上的
如果有大容量需求(比如照片 遊戲 迷片(?)) 我還是建議雙碟 因為光碟機真的不常用到
會有疑慮的點 HDD不耐震阿 我覺得使用上注意就可以了 移動的時候水平移動 小心輕放等
雙碟的另外一個好處就是 可以分擔SSD的寫入 如同我寫的 SSD的壽命只看寫入次數
講一下雙碟HDD主要能夠分攤的寫入量來源 ─ 使用者資料夾(所以建議可以轉移到HDD上)
所有你透過網路能夠"看到"的東西 不管是上網看影片 網頁 文字 圖片
只要你看得到的 就是已經下載到你的電腦了
這些資料會存在哪裡呢 會在"使用者/你的使用者名稱/APPDATA(一個隱藏目錄)"下對應的
資料夾(比如chrome有它的資料夾 firefox有它的資料夾)
這些都是無形的寫入 再來 你的桌面 下載 這些也是一樣
純SSD的壞處就是你沒有其他硬碟可以分散寫入量 就得考慮SD卡之類的 平常就要多注意
比較好的做法就是掛個RAMDISK(把記憶體當硬碟使用)
比如我今天只是下載個paper看過就好 就可以這樣子(RAM斷電後資料就消失)
RAM壽命非常的長 不要去超頻或是不正常斷電基本上不會壞 速度來說 RAM每秒4000MB以上
純SSD的好處 不多說 爽 耐震省電 壞處就是壽命稍微短一點點
另外 所有硬體都是一樣 不希望他們被突然斷電 SSD來說 資料會有遺失的風險 HDD也是
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至於SSD選購部分 目前以128G來說
便宜的方案我推X300(X110如果還有當然最好) 雖然是TLC 但是5年保
256級別穩定推MX200 16nm MLC Marvell主控 3年保 也可以考慮X110/X300 便宜5年保
ARC 100 240G 則是有好爸爸保固還有OP空間可以延長壽命 19nm MLC 5年保 沒有災情
主要是想針對為什麼容量要大 對速度的影響 使用上的建議這樣
這其實就跟我說的問題一樣 某一部分的blocks被頻繁高壓力的寫入下 容易導致整顆報銷
一般情況下的使用是感覺不到差異的 但是做大檔案讀寫的時候就會很明顯有掉速問題
還有其背後的壽命問題 所以我覺得 還是可以搭配HDD來輔助或是直接選擇MLC
當然 隨著技術進步 MLC斷貨 慢慢會只剩下TLC可以選擇 那其實也不用太擔心
除了還有貨趕快搶的X110 X300的價格真的不如ARC 100
雖然後者也快沒有了 主要考慮到 雖然多1~200 但是是5年保這樣
做轉移使用者(詳細可以私信不敢亂教 有機會再寫一篇:P)
主要就是一些基本設定有做 使用者不轉移都沒關係 我的寫入/讀取大概1:3
很大一部分是因為轉移掉了 就想我說的 有一些隱性的寫入 一般人大約1:1~1:2之間
HDD不耐震 假設同樣都在筆電裡 我帶來帶去 使用環境可能也比較多粉塵
SSD寫入量控制好 10~20年(256G級別)可能都不是問題
HDD光本身零件耗損 7.8年大概是極限
不過大概也差不多了(誤) 如果突然變很慢自己要注意
※ 編輯: leo840908 (140.116.114.91), 11/23/2015 00:57:35
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