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固态硬盘|数字存储完全指南——固态硬盘的历史、结构与原理( 五 )

数码固态硬盘半导体机械闪存


固态硬盘 SSD 的结构和原理
我在前面就给大家谈到 ， 现在固态硬盘大部分都是用 3D NAND 闪存颗粒（我们常常听说的 SLC/MLC/TLC/QLC 什么的就是不同工作模式下的闪存颗粒） ， 闪存颗粒其实就是很多很多浮栅晶体管制成的储存单元 ， 所以在这个小节我们会从浮栅晶体管的原理讲起 ， 带你从头到尾了解固态硬盘的工作原理 ， 不过不同于机械硬盘拥有直观的机械结构 ， 固态硬盘的工作基本上都发生于纳米级别的微观世界 ， 甚至是基于量子力学的工作原理 ， 会比机械硬盘难理解一点 ， 想要了解的同学们一定要有耐心一点 。

在进一步介绍固态硬盘的结构和原理之前 ， 我们先来了解一下固态储存器的几个分类 。
易失性和非易失性储存器

从名字应该就可以看到它俩的区别 ， 虽然都是把比特信息储存在电容器和晶体管组成的储存单元里 ， 都是用晶体管里面的电荷多少来代表 1 和 0 ， 但是易失性储存器一旦断电储存单元上面的信息就会很快丢失 ， 而非易失性储存器即使断电也能保存授权单元上面的数据 ， 简单来讲就是断电丢不丢数据的区别 。

因为易失性储存器的晶体管不像非易失性储存器那样 ， 有高电阻材料去留住电荷 ， 需要高电压还有量子隧穿效应来读写数据 ， 所以它工作需要的电压更低（通常在 1-2V 左右）并且读写速度更高 。 我们常见的内存条 RAM 就是一种易失性储存器 ， 如果我们对好的内存条跑分 ， 就会发现它的读写时间是在纳秒级别 ， 而且读写速度几十 GB/S 以上 ， 比固态硬盘之类非易失性储存器的性能好上一个量级 。


这也解答了很多人为什么不用内存来做固态硬盘的疑问 ， 因为不严格来讲正是因为「易失」所以才「快」 。 非易失性储存器我们上面也讲到了 ， 浮栅晶体管的特性让它即使断电也能将数据保存 10 年以上 ， 但多出来的一层高电阻材料让非易失性储存器读写速度和随机读写能力比起易失性储存器就要差上不少 ， 这也是为啥现代计算机需要用运行内存作为储存器和 CPU 之间的「桥梁」 ， 因为易失性储存器拥有纳秒级别的随机读写能力 ， 让它更能跟上 CPU 思考的速度提供数据 ， 免得 CPU 没有数据进行计算 ， 只能干等 。

有关于随机读写能力的重要性 ， 还有内存条等易失性储存器等详细的结构工作原理 ， 会在接下来其它储存设备的部分讲解 。
固态硬盘的基础：NAND/NOR Flash 闪存

在机械硬盘部分 ， 我们报废了一个机械硬盘才能看到它里面的结构 ， 而固态硬盘就简单多了 ， 特别是现在的 NVMe 固态硬盘 ， 直接就能看到所有的硬件结构 。


别看电路板什么的 ， 看起来很复杂 ， 但其实主要部件就两个 —— 用来放数据的储存颗粒和用来控制数据的主控芯片 ， 有些固态可能还会有一个缓存 DRAM 颗粒 。

先来说说放数据的储存颗粒 ， 现在固态硬盘绝大部分都是 NAND 闪存 ， 可以说现代设备能存点什么数据 ， 那基本上离不开它 。 而 NAND 闪存的基本存储单元就是浮栅晶体管 ， 我们常见的颗粒就是大量的它叠起来的 。


闪存最基础的结构：浮栅晶体管

我们先来看一个最简单的平面浮栅晶体管截面结构图 ， 浮栅晶体管还有其它几种类型 ， 我会放在后面文章简单提及一下：

为了方便大家理解 ， 这里同时放上每个组成部分使用的材料 ， 可以看到浮栅晶体管有一个硅底座（我们叫它 P- ） ， 左右分别用铜制作的端点来向另一种硅材料制成的 N级

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