閃存是如何存儲數(shù)據(jù)的？

想象一下，如果你的記憶力只在你醒著的時候起作用。每天早上起床的時候，腦子里一片空白！在你能做任何事情之前，你必須重新學習你所知道的一切。這聽起來像是一場噩夢，但這正是古早計算機所面臨的問題。當電源關閉時，普通計算機芯片會“忘記”所有內(nèi)容（丟失全部內(nèi)容）。大型個人計算機通過硬盤驅動器的強大磁性存儲器來解決這個問題，無論電源打開還是關閉，它都可以記住事情。但更小、更便攜的設備，例如數(shù)碼相機和MP3播放器，需要更小、更便攜的存儲器。他們使用稱為閃存的特殊芯片來永久存儲信息。閃存很聰明，但也相當復雜。它們究竟是如何工作的？

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計算機如何存儲信息

計算機是處理數(shù)字格式信息的電子機器。他們不像人們那樣理解單詞和數(shù)字，而是將這些單詞和數(shù)字更改為由零和一組成的字符串，稱為二進制（有時稱為“二進制代碼”）。在計算機內(nèi)部，單個字母“A”存儲為八個二進制數(shù)：01000001。事實上，鍵盤上的所有基本字符（大小寫字母 A-Z、數(shù)字 0-9 以及符號） ）可以用八個二進制數(shù)的不同組合來表示。問號 (?) 存儲為 00111111，數(shù)字 7 存儲為 00110111，左括號 ([) 存儲為 01011011。幾乎所有計算機都知道如何用此“代碼”表示信息，因為它是公認的全球標準。它稱為ASCII（美國信息交換標準代碼）。

計算機可以用0和1的模式來表示信息，但是這些信息到底是如何存儲在其內(nèi)存芯片中的呢？舉一個稍微不同的例子會有所幫助。假設您站在遠處，我想向您發(fā)送一條消息，而我只有八個標志可以用來執(zhí)行此操作。我可以將旗幟排成一行，然后通過升起和放下不同圖案的旗幟將消息的每個字母發(fā)送給您。如果我們都理解 ASCII 碼，發(fā)送信息就很容易了。如果我舉起一面旗幟，您可以假設我的意思是數(shù)字 1，如果我放下一面旗幟，您可以假設我的意思是數(shù)字 0。因此，如果我向您展示以下模式：

您可以看出我正在向您發(fā)送二進制數(shù) 00110111，相當于十進制數(shù) 55，因此用 ASCII 表示字符“7”。

這和記憶有什么關系？它表明使用類似標志來存儲或表示“7”這樣的字符，該標志可以位于兩個位置（向上或向下）。計算機內(nèi)存實際上是一個包含數(shù)十億個標志的巨大盒子，每個標志都可以向上或向下。不過，它們并不是真正的旗幟——它們是稱為晶體管的微型開關 ，可以打開或關閉。需要八個開關來存儲 A、7 或 [ 等字符。需要一個晶體管來存儲每個二進制數(shù)字（稱為一位）。在大多數(shù)計算機中，其中八個位統(tǒng)稱為一個字節(jié)。因此，當您聽到人們說計算機有這么多兆字節(jié)的內(nèi)存時，這意味著它可以存儲大約數(shù)百萬個字符的信息（mega表示百萬；giga表示數(shù)千萬或十億）。

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什么是閃存？

照片：一個典型的 USB 記憶棒，將其拆開，里面是閃存芯片（右側的大黑色矩形）。

普通晶體管是通過電打開或關閉的電子開關?，這既是它們的優(yōu)點，也是它們的缺點。這是一種優(yōu)勢，因為這意味著計算機只需通過其存儲電路傳遞電流模式即可存儲信息。但這也是一個弱點，因為一旦電源關閉，所有晶體管都會恢復到原始狀態(tài)，并且計算機會丟失它存儲的所有信息。這就像電子遭受了失憶癥的巨大攻擊！

斷電時“忘記”的存儲器稱為隨機存取存儲器（RAM）。還有另一種存儲器稱為只讀存儲器 (ROM)，它不會遇到此問題。ROM芯片在制造時就預先存儲了信息，因此當電源打開和關閉時它們不會“忘記”它們所知道的內(nèi)容。然而，它們存儲的信息是永久存在的：它們永遠不會被再次重寫。實際上，計算機會出于不同目的混合使用不同類型的內(nèi)存。它需要一直記住的事情——比如第一次打開它時要做什么——都存儲在 ROM 芯片上。當您在計算機上工作并且需要臨時內(nèi)存來處理事務時，它會使用 RAM 芯片；該信息稍后丟失也沒關系。您希望計算機無限期記住的信息存儲在其硬盤上。從硬盤驅動器讀取和寫入信息比從存儲芯片讀取和寫入信息需要更長的時間，因此硬盤驅動器通常不用作臨時存儲器。在數(shù)碼相機和小型 MP3 播放器等小工具中，使用閃存代替硬盤。它與 RAM 和 ROM 有某些共同點。與ROM一樣，它在斷電時會記住信息；與 RAM 一樣，它可以一次又一次地擦除和重寫。

照片：Apple iPod，過去和現(xiàn)在。左邊白色的是一款老式經(jīng)典 iPod，擁有 20GB 硬盤內(nèi)存。右側較新的黑色型號配備 32GB閃存，這使得它更輕、更薄、更堅固（如果掉落則不太可能死亡），并且耗電更少。

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閃存的工作原理——簡單解釋

數(shù)碼相機中的典型安全數(shù)字 (SD) 卡

閃光燈使用一種完全不同類型的晶體管，即使電源關閉也能保持打開（或關閉）狀態(tài)。普通晶體管具有三個連接（控制它的電線），稱為源極、漏極和柵極。將晶體管視為一根管道，電流可以像水一樣流經(jīng)其中。管道的一端（水流入的地方）稱為水源，可以將其想象為水龍頭或水龍頭。管道的另一端稱為排水管，水從這里排出并流走。在源極和漏極之間，擋住管道，有一個柵極。當門關閉時，管道被關閉，沒有電流流動，晶體管關閉。在這種狀態(tài)下，晶體管存儲零，當門打開時，電流流動，晶體管打開，并存儲一個值。但當電源關閉時，晶體管也會關閉。當重新打開電源時，晶體管仍然處于關閉狀態(tài)，并且由于無法知道在斷電之前它是打開還是關閉，所以為什么我們說它“忘記”了它存儲的任何信息。

閃存晶體管有所不同，因為它在第一個柵極上方有第二個（“浮動”）柵極。當門打開時，一些電流會從第一個門泄漏并保留在第一個門和第二個門之間。即使電源關閉，兩扇門之間仍然有電?，F(xiàn)在，如果嘗試通電，存儲的電流會阻止電流流動，因此在這種狀態(tài)下，晶體管會存儲零，如果清除儲存的電量，電流又可以流過；在這種狀態(tài)下，晶體管存儲一個“1”。這就是閃存晶體管存儲信息（無論電源打開還是關閉）的方式。

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閃存的工作原理——更詳細的解釋

這是對極其復雜事物的一種非常掩飾、高度簡化的解釋。

閃存中的晶體管類似MOSFET，只是頂部有兩個柵極，而不是一個。這就是閃存晶體管的內(nèi)部結構。見下圖，它是一個npn三明治，頂部有兩個門，一個稱為控制門，一個稱為浮動門。兩個柵極由氧化層隔開，電流通常無法通過氧化層：

我們?nèi)绾问褂盟鼇泶鎯?shù)據(jù)？源極和漏極區(qū)域都富含電子（因為它們是由 n 型硅制成），但由于它們之間存在缺電子的 p 型材料，電子無法從源極流向漏極。如果我們向晶體管的兩個觸點（稱為位線?和字線）施加正電壓，電子就會從源極被拉到漏極。有些還設法通過稱為隧道效應的過程蠕動穿過氧化層并卡在浮柵上：

即使正電壓被移除并且無論電路是否通電，電子都會無限期地停留在浮置柵極上。如果我們斷開位線和字線的正電壓，并嘗試使電流通過晶體管，從源極到漏極，則不會有任何電流流動：浮置柵極上的電子將阻止它。因此，在這種狀態(tài)下，我們說晶體管正在存儲零。通過在字線上施加負電壓可以將浮置柵極上的電子沖走。這會將電子排斥回它們來時的方向，清除浮動柵極并允許電流再次流過晶體管。在這種狀態(tài)下，我們說晶體管正在存儲一個值。

這不是一個容易理解的過程，但這就是閃存發(fā)揮其魔力的方式！

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閃存的使用壽命有多長？

閃存最終會磨損，因為其浮動柵極在使用一定次數(shù)后需要更長的時間才能工作。人們廣泛引用的說法是，閃存在被寫入和重寫約“10,000 次”后會出現(xiàn)性能下降，但這是一種誤導。根據(jù)英特爾的 Steven Wells 1990 年代的閃存專利，“雖然在大約一萬次切換操作之后切換開始需要更長的時間，但在延長的切換時間對系統(tǒng)操作產(chǎn)生任何影響之前，還需要大約十萬次切換操作?！?無論是 10,000 還是 100,000，對于每周使用一次的 USB 記憶棒或數(shù)碼相機中的 SD 存儲卡來說通常都可以，但對于計算機、手機或其他日常使用多年的小工具中的主存儲來說就不太令人滿意了。繞過該限制的一種實用方法是操作系統(tǒng)確保每次擦除和存儲信息時使用閃存的不同位（從技術上講，這稱為磨損均衡），因此不會太頻繁地擦除位。實際上，現(xiàn)代計算機可能會簡單地忽略并“小心翼翼地繞過”閃存芯片壞的部分，就像它們可以忽略硬盤驅動器上的壞扇區(qū)一樣，因此閃存驅動器的實際實際壽命限制要高得多：大約在 10,000 和 100 萬次之間。尖端閃存器件已被證明可以耐受 1 億次或更多次。

編輯：黃飛