閃存的簡(jiǎn)介及其工作原理

想象一下，如果你的記憶力只在你醒著的時(shí)候起作用。每天早上起床的時(shí)候，腦子里一片空白！在你能做任何事情之前，你必須重新學(xué)習(xí)你所知道的一切。這聽(tīng)起來(lái)像是一場(chǎng)噩夢(mèng)，但這正是古早計(jì)算機(jī)所面臨的問(wèn)題。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，普通計(jì)算機(jī)芯片會(huì)“忘記”所有內(nèi)容（丟失全部?jī)?nèi)容）。大型個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)大磁性存儲(chǔ)器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，無(wú)論電源打開(kāi)還是關(guān)閉，它都可以記住事情。但更小、更便攜的設(shè)備，例如數(shù)碼相機(jī)和MP3播放器，需要更小、更便攜的存儲(chǔ)器。他們使用稱(chēng)為閃存的特殊芯片來(lái)永久存儲(chǔ)信息。閃存很聰明，但也相當(dāng)復(fù)雜。它們究竟是如何工作的？

01

計(jì)算機(jī)如何存儲(chǔ)信息

計(jì)算機(jī)是處理數(shù)字格式信息的電子機(jī)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(chēng)為二進(jìn)制（有時(shí)稱(chēng)為“二進(jìn)制代碼”）。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，單個(gè)字母“A”存儲(chǔ)為八個(gè)二進(jìn)制數(shù)：01000001。事實(shí)上，鍵盤(pán)上的所有基本字符（大小寫(xiě)字母 A-Z、數(shù)字 0-9 以及符號(hào)） ）可以用八個(gè)二進(jìn)制數(shù)的不同組合來(lái)表示。問(wèn)號(hào) (?) 存儲(chǔ)為 00111111，數(shù)字 7 存儲(chǔ)為 00110111，左括號(hào) ([) 存儲(chǔ)為 01011011。幾乎所有計(jì)算機(jī)都知道如何用此“代碼”表示信息，因?yàn)樗枪J(rèn)的全球標(biāo)準(zhǔn)。它稱(chēng)為ASCII（美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）。

計(jì)算機(jī)可以用0和1的模式來(lái)表示信息，但是這些信息到底是如何存儲(chǔ)在其內(nèi)存芯片中的呢？舉一個(gè)稍微不同的例子會(huì)有所幫助。假設(shè)您站在遠(yuǎn)處，我想向您發(fā)送一條消息，而我只有八個(gè)標(biāo)志可以用來(lái)執(zhí)行此操作。我可以將旗幟排成一行，然后通過(guò)升起和放下不同圖案的旗幟將消息的每個(gè)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(shè)我的意思是數(shù)字 1，如果我放下一面旗幟，您可以假設(shè)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(jìn)制數(shù) 00110111，相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù) 55，因此用 ASCII 表示字符“7”。

這和記憶有什么關(guān)系？它表明使用類(lèi)似標(biāo)志來(lái)存儲(chǔ)或表示“7”這樣的字符，該標(biāo)志可以位于兩個(gè)位置（向上或向下）。計(jì)算機(jī)內(nèi)存實(shí)際上是一個(gè)包含數(shù)十億個(gè)標(biāo)志的巨大盒子，每個(gè)標(biāo)志都可以向上或向下。不過(guò)，它們并不是真正的旗幟——它們是稱(chēng)為晶體管的微型開(kāi)關(guān) ，可以打開(kāi)或關(guān)閉。需要八個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)存儲(chǔ) A、7 或 [ 等字符。需要一個(gè)晶體管來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)二進(jìn)制數(shù)字（稱(chēng)為一位）。在大多數(shù)計(jì)算機(jī)中，其中八個(gè)位統(tǒng)稱(chēng)為一個(gè)字節(jié)。因此，當(dāng)您聽(tīng)到人們說(shuō)計(jì)算機(jī)有這么多兆字節(jié)的內(nèi)存時(shí)，這意味著它可以存儲(chǔ)大約數(shù)百萬(wàn)個(gè)字符的信息（mega表示百萬(wàn)；giga表示數(shù)千萬(wàn)或十億）。

02

什么是閃存？

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

普通晶體管是通過(guò)電打開(kāi)或關(guān)閉的電子開(kāi)關(guān)，這既是它們的優(yōu)點(diǎn)，也是它們的缺點(diǎn)。這是一種優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@意味著計(jì)算機(jī)只需通過(guò)其存儲(chǔ)電路傳遞電流模式即可存儲(chǔ)信息。但這也是一個(gè)弱點(diǎn)，因?yàn)橐坏╇娫搓P(guān)閉，所有晶體管都會(huì)恢復(fù)到原始狀態(tài)，并且計(jì)算機(jī)會(huì)丟失它存儲(chǔ)的所有信息。這就像電子遭受了失憶癥的巨大攻擊！

斷電時(shí)“忘記”的存儲(chǔ)器稱(chēng)為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）。還有另一種存儲(chǔ)器稱(chēng)為只讀存儲(chǔ)器 (ROM)，它不會(huì)遇到此問(wèn)題。ROM芯片在制造時(shí)就預(yù)先存儲(chǔ)了信息，因此當(dāng)電源打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)它們不會(huì)“忘記”它們所知道的內(nèi)容。然而，它們存儲(chǔ)的信息是永久存在的：它們永遠(yuǎn)不會(huì)被再次重寫(xiě)。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)會(huì)出于不同目的混合使用不同類(lèi)型的內(nèi)存。它需要一直記住的事情——比如第一次打開(kāi)它時(shí)要做什么——都存儲(chǔ)在 ROM 芯片上。當(dāng)您在計(jì)算機(jī)上工作并且需要臨時(shí)內(nèi)存來(lái)處理事務(wù)時(shí)，它會(huì)使用 RAM 芯片；該信息稍后丟失也沒(méi)關(guān)系。您希望計(jì)算機(jī)無(wú)限期記住的信息存儲(chǔ)在其硬盤(pán)上。從硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器讀取和寫(xiě)入信息比從存儲(chǔ)芯片讀取和寫(xiě)入信息需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因此硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器通常不用作臨時(shí)存儲(chǔ)器。在數(shù)碼相機(jī)和小型 MP3 播放器等小工具中，使用閃存代替硬盤(pán)。它與 RAM 和 ROM 有某些共同點(diǎn)。與ROM一樣，它在斷電時(shí)會(huì)記住信息；與 RAM 一樣，它可以一次又一次地擦除和重寫(xiě)。

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

03

閃存的工作原理——簡(jiǎn)單解釋

數(shù)碼相機(jī)中的典型安全數(shù)字 (SD) 卡

閃光燈使用一種完全不同類(lèi)型的晶體管，即使電源關(guān)閉也能保持打開(kāi)（或關(guān)閉）狀態(tài)。普通晶體管具有三個(gè)連接（控制它的電線），稱(chēng)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(chēng)為水源，可以將其想象為水龍頭或水龍頭。管道的另一端稱(chēng)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(gè)柵極。當(dāng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，管道被關(guān)閉，沒(méi)有電流流動(dòng)，晶體管關(guān)閉。在這種狀態(tài)下，晶體管存儲(chǔ)零，當(dāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)，電流流動(dòng)，晶體管打開(kāi)，并存儲(chǔ)一個(gè)值。但當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，晶體管也會(huì)關(guān)閉。當(dāng)重新打開(kāi)電源時(shí)，晶體管仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，并且由于無(wú)法知道在斷電之前它是打開(kāi)還是關(guān)閉，所以為什么我們說(shuō)它“忘記”了它存儲(chǔ)的任何信息。

閃存晶體管有所不同，因?yàn)樗诘谝粋€(gè)柵極上方有第二個(gè)（“浮動(dòng)”）柵極。當(dāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)，一些電流會(huì)從第一個(gè)門(mén)泄漏并保留在第一個(gè)門(mén)和第二個(gè)門(mén)之間。即使電源關(guān)閉，兩扇門(mén)之間仍然有電?，F(xiàn)在，如果嘗試通電，存儲(chǔ)的電流會(huì)阻止電流流動(dòng)，因此在這種狀態(tài)下，晶體管會(huì)存儲(chǔ)零，如果清除儲(chǔ)存的電量，電流又可以流過(guò)；在這種狀態(tài)下，晶體管存儲(chǔ)一個(gè)“1”。這就是閃存晶體管存儲(chǔ)信息（無(wú)論電源打開(kāi)還是關(guān)閉）的方式。

04

閃存的工作原理——更詳細(xì)的解釋

這是對(duì)極其復(fù)雜事物的一種非常掩飾、高度簡(jiǎn)化的解釋。

閃存中的晶體管類(lèi)似MOSFET，只是頂部有兩個(gè)柵極，而不是一個(gè)。這就是閃存晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。見(jiàn)下圖，它是一個(gè)npn三明治，頂部有兩個(gè)門(mén)，一個(gè)稱(chēng)為控制門(mén)，一個(gè)稱(chēng)為浮動(dòng)門(mén)。兩個(gè)柵極由氧化層隔開(kāi)，電流通常無(wú)法通過(guò)氧化層：

我們?nèi)绾问褂盟鼇?lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)？源極和漏極區(qū)域都富含電子（因?yàn)樗鼈兪怯?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(wú)法從源極流向漏極。如果我們向晶體管的兩個(gè)觸點(diǎn)（稱(chēng)為位線和字線）施加正電壓，電子就會(huì)從源極被拉到漏極。有些還設(shè)法通過(guò)稱(chēng)為隧道效應(yīng)的過(guò)程蠕動(dòng)穿過(guò)氧化層并卡在浮柵上：

即使正電壓被移除并且無(wú)論電路是否通電，電子都會(huì)無(wú)限期地停留在浮置柵極上。如果我們斷開(kāi)位線和字線的正電壓，并嘗試使電流通過(guò)晶體管，從源極到漏極，則不會(huì)有任何電流流動(dòng)：浮置柵極上的電子將阻止它。因此，在這種狀態(tài)下，我們說(shuō)晶體管正在存儲(chǔ)零。通過(guò)在字線上施加負(fù)電壓可以將浮置柵極上的電子沖走。這會(huì)將電子排斥回它們來(lái)時(shí)的方向，清除浮動(dòng)?xùn)艠O并允許電流再次流過(guò)晶體管。在這種狀態(tài)下，我們說(shuō)晶體管正在存儲(chǔ)一個(gè)值。

這不是一個(gè)容易理解的過(guò)程，但這就是閃存發(fā)揮其魔力的方式！

05

閃存的使用壽命有多長(zhǎng)？

閃存最終會(huì)磨損，因?yàn)槠涓?dòng)?xùn)艠O在使用一定次數(shù)后需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能工作。人們廣泛引用的說(shuō)法是，閃存在被寫(xiě)入和重寫(xiě)約“10,000 次”后會(huì)出現(xiàn)性能下降，但這是一種誤導(dǎo)。根據(jù)英特爾的 Steven Wells 1990 年代的閃存專(zhuān)利，“雖然在大約一萬(wàn)次切換操作之后切換開(kāi)始需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但在延長(zhǎng)的切換時(shí)間對(duì)系統(tǒng)操作產(chǎn)生任何影響之前，還需要大約十萬(wàn)次切換操作。”?無(wú)論是 10,000 還是 100,000，對(duì)于每周使用一次的 USB 記憶棒或數(shù)碼相機(jī)中的 SD 存儲(chǔ)卡來(lái)說(shuō)通常都可以，但對(duì)于計(jì)算機(jī)、手機(jī)或其他日常使用多年的小工具中的主存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)就不太令人滿(mǎn)意了。繞過(guò)該限制的一種實(shí)用方法是操作系統(tǒng)確保每次擦除和存儲(chǔ)信息時(shí)使用閃存的不同位（從技術(shù)上講，這稱(chēng)為磨損均衡），因此不會(huì)太頻繁地擦除位。實(shí)際上，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可能會(huì)簡(jiǎn)單地忽略并“小心翼翼地繞過(guò)”閃存芯片壞的部分，就像它們可以忽略硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上的壞扇區(qū)一樣，因此閃存驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際實(shí)際壽命限制要高得多：大約在 10,000 和 100 萬(wàn)次之間。尖端閃存器件已被證明可以耐受 1 億次或更多次。