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2020-12-23 00:00:00
固态硬盘中闪存如何存储和记录数据？
固态硬盘现在几乎是每个人都在用的了，那么我们有没有想过为什么固态硬盘可以存储和记录数据呢？我们一起来了解一下：固态硬盘由三个主要零件组成，包含Controller控制芯片、DRAM以及NAND Flash闪存，一些固态硬盘是不需要配Dram的，Nand Flash颗粒是存储和记录数据的存储介质，在每个闪存芯片中都有海量的存储单元，从上到下分别是控制栅极（Control Gate）、氧化层、浮栅层（Floating Gate）、隧道氧化层和衬底（Substrate）。左侧是源级（Sources）右侧是漏级（Drain），电流只能从源级向漏级单向传导。
闪存记录数据的关键在于浮栅层，当其中被充满电子时是已编程（写入）状态，代表二进制0；当其中没有电子时是已擦除状态，代表二进制1。上面的这个0和1的逻辑听起来有些颠倒，不过当你了解到闪存的读取原理后就会觉得这样才是对的：源级到漏级之间没有电流（0），说明浮栅中有电子。当源级到漏级之间有电流（1），说明浮栅里没有电子。往复杂了说它涉及到MOS管等复杂的半导体知识，但是如果朝简单的方向理解，我们也能轻松理解闪存表达数据的原理。向闪存单元中写入数据的方法：在控制栅极和漏级之间施加一个20V高电压，就可以引发量子隧道效应，使电子进入到浮栅层中。由于氧化隧道层的绝缘效果，进入到浮栅层的电子不容易流失掉，所以闪存可以在断电后继续保留数据。反过来也可以使用20V高电压反向将浮栅层中的电子"抽离"出去，这就是闪存的擦除。闪存的独特工作原理决定了闪存单元在写入之前必须经过擦除，而不能像磁盘记录那样直接覆盖写入。对于原始的SLC闪存而言，一个存储单元只需保留一比特数据，非0即1，判断起来非常简单。SLC闪存速度快、寿命长，但容量小、每GB容量成本过高，不适合家用电脑的固态硬盘。
MLC闪存可以在每个存储单元中存储2比特数据，即00、01、10、11四种状态，浮栅层中的电荷等级需要更加精细化。到了TLC闪存（3比特/单元），状态数量达到8种，而QLC闪存（4比特/单元）的状态数量高达16种。东芝存储率先提出了三维闪存层叠技术，现在的3D闪存已经使用Charge Trap电荷捕获层取代原有Floating Gate浮栅层，存储单元的结构也发生了较大的变化，使得闪存写入速度更快，可靠性更强，功耗水平更低。我们通过了解闪存颗粒的工作原理，也就知道固态硬盘是如何存储和记录数据的。
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