固態硬碟儲存原理

疏桐發表於2023-11-01

機械硬碟儲存

機械硬碟是利用磁性極粒來儲存資料的,所以機械硬碟通常又被稱作磁碟

儲存器發展歷史:

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固態硬碟儲存

固態硬碟主要由主控、快取、快閃記憶體組成,純電子結構,固態硬碟儲存資料的基本儲存單元是"浮柵電晶體",基本結構有:儲存電子的浮柵層,控制極G、襯底P、源極D與漏極S。浮柵被二氧化矽包裹,和上下絕緣,即使在去除電壓之後,柵極內的電子也會被捕獲,斷電時也能儲存電子,這就是固態硬碟掉電也能儲存資料的原理。

將浮柵層中的電子數量高於一定值計為0,低於一定值計為1

寫入資料:

寫入資料時,需要在控制極G施加一個高壓,這樣電子就可以穿過隧穿層,進入浮柵層,因為有絕緣層的存在,電子不能再向前移動了,就被囚禁在了浮柵層。而當我們把電壓撤去,這些電子依然會被囚禁在浮柵層,因為隧穿層本質上也相當於絕緣體,所以電子們只能被關押著,這樣一位資料就被儲存進去了。這些電子能被"囚禁"多長時間也就是固態硬碟能夠儲存資料的年限,一般一塊新的固態硬碟能夠儲存資料的年限為10年。因為隨著時間的流逝,不斷地有電子"越獄"成功。等"越獄"的電子多到一定的數量,我們儲存的資料就不見了。

擦除資料:

我們擦除固態硬碟上的資料其實就是在釋放這些可憐的電子,即在襯底上施加高壓,這樣電子被吸出來,資訊也就被擦除了。

讀取資料

當浮柵層中不存在電子時(儲存資料為1),我們給控制級一個低壓,由於電壓低,電子只能被吸引到靠近隧穿層的位置,卻無法穿過隧穿層,因而源極漏極可以導通,形成電流。如果檢測到電流,那麼說明它沒有儲存電子,則讀取資料為1。

當浮柵層中存在電子時(儲存資料為0),我們還給控制極一個低壓,由於浮柵層裡面的電子對這些電子有排斥作用,所以電子無法被吸引到靠近隧穿層的位置,源極漏極不會導通,不會形成電流。如果無法檢測到電流,那麼說明浮柵層儲存一定量電子,則讀取資料為0。

無數的浮柵電晶體堆疊在一塊就可以儲存大量的0和1,它們就類似於圖書館當中的書架一樣,儲存著無限的0101資料。

總結

相對於機械硬碟這種機械結構,固態硬碟這種純電子結構在存取速度方面的優勢就非常突出,在機械硬碟在讀取資料之前,需要先擺動磁頭臂到對應的磁軌上方,再等待對應的扇區轉過來。儘管目前的機械硬碟大部分都是7200轉/分鐘或者5400轉/分鐘的,看起來已經很快了,但是這兩個操作依然會導致大約十幾毫秒的延遲。這種延遲對於人類來講確實微不足道,但是對於計算機記憶體和CPU來講,就確實會產生顯著影響。而固態硬碟全程都是電子互動,電子訊號的速度要遠超磁頭臂和磁碟這種機械結構。如果你的資料是隨機分散在磁碟的各個角落,那機械硬碟需要經過多次的尋道和定址,多次等待扇區轉動到磁頭底下,所以機械硬碟在讀取分散性檔案的時候,效能就顯得非常弱,速度很慢,即隨機讀寫效能低下。

固態硬碟

SSD (Solid State Drive

現在固態硬碟大部分都是用 3D NAND 快閃記憶體顆粒

M2(Next Generation FormFactor

 

NVMe

NAND 容量大讀寫都快的特點適合做大容量儲存,事實上我們現在的固態硬碟基本都是 3D NAND 快閃記憶體;而 NOR 可以就地執行程式碼和真正隨機訪問的能力,加上很快的讀取速度就非常適合用來裝程式檔案,比如主機板上的 BIOS 通常就是 NOR 快閃記憶體

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