手機閃存和固態硬盤為什么擦除多了會損壞？

　　點擊上方“公眾號” 可以訂閱哦！

　　在我們閃存系列文章中多次提到，構成手機存儲和固態硬盤SSD的基本存儲單元的NAND閃存，它的壽命是由擦除次數來決定的。準確的來說，是由Program/Erase(P/E)次數來決定的。有很多朋友留言問其中的具體原因，今天我就專門撰文來詳細討論一下其中的原理。本文專注于NAND Flash，有些原理有可能同樣適用于NOR Flash，但本文并不關心。如果不做特殊說明，下文閃存（Flash）指代NAND Flash。如果有朋友對NOR Flash感興趣，見此專門文章：雜談閃存二：NOR和NAND

　　閃存的工作原理

　　閃存價格節節攀升，讓三星大賺特賺。其實它的基本原理在1980年代之后基本就沒有變化過。它的構成和場效應管(MOSFET)十分類似：

　　它由：源極（Source）、漏極（Drain）、浮動柵（Float Gate）和控制柵（Control Gate）組成。相對場效應管的單柵極結構，閃存是雙柵極結構。浮動柵是由氮化物夾在二氧化硅材料（Insulator）之間構成。

　　我們的寫操作（Program)是這樣：

　　在控制柵加正電壓，將電子（帶負電）吸入浮動柵。在此后，由于浮動柵上下的二氧化硅材料并不導電，這些電子被囚禁（Trap）在浮動柵之中，出不去了。這樣無論今后控制柵電壓有否，這個狀態都會保持下去，所以閃存可以掉電保存數據。注意寫操作完畢后，該閃存單元存儲的是0，后面我們將會介紹為什么。

　　我們的擦除操作（Erase）剛好相反：

　　在源極加正電壓利用浮空柵與漏極之間的隧道效應，將注入到浮空柵的負電荷吸引到源極，排空浮動柵的電子。這時讀取的狀態是1。

　　那為什么有電子是0，沒電子是1呢？以為讀取的時候，需要給控制柵加一個低的讀取電壓，對于被Program過的閃存單元來說，被囚禁的電子可以抵消該讀取電壓，造成源極和漏極之間是處于被關閉的狀態：

　　如果是被擦除過的就剛好相反，源極和漏極在控制柵的低電壓作用下，處于導通狀態：

　　也就是說通過向控制柵加讀取電壓，判斷漏極-源極之間是否處于導通狀態來讀取閃存單元的狀態，如果被Program過的，就是處于關閉OFF狀態，為0；而被Erase過的，就是處于導通狀態ON，為1。

　　理論上來說，閃存可以每個單元來單獨擦除和編程。但是為了節省成本，實際上作用在控制柵上的擦除電壓是整個塊（Block）連接在一起的，這就是為什么擦除要以塊為單位了。

　　為什么閃存會損壞

　　每次電子在包圍浮動柵的二氧化硅上進進出出，都會造成它的老化：

　　長此以往，浮動柵就不能很好的鎖住電子，電子會流失造成漏極-源極之間是否處于導通狀態錯誤，進而數據讀取錯誤。閃存控制器通過校驗發現錯誤后會將其標為不可用，而在OP空間找一塊來替代，并在FTL表里改變對應關系。

　　而 SLC（Single-Level Cell）的省錢版：MLC（Multi-Level Cell） 和 TLC（Triple-Level Cell） 的引入讓這個問題更加嚴重。原來SLC只有ON/OFF兩種狀態，現在的TLC要有8種狀態：

　　主要靠精確控制浮動柵里面的電子來實現，老化會讓這種控制很容易出錯。這樣就是為什么MLC和TLC相比SLC，生命周期更短的原因：

　　注意圖中的P/E Cycle。

　　結論

　　閃存單元的損壞是個不可逆的過程，壞了就是壞了，人死不能復生，節哀順變吧。幾個壞塊不會產生多大問題，OP空間完全可以罩得住，問題是只要產生壞塊，慢慢壞塊會越來越多，寫放大也會越來越嚴重，慢慢的就會產生讀寫錯誤，或者速度嚴重下降。這時我們一定要考慮換塊SSD了。

　　也許僅僅依靠抽象的判斷速度對普通用戶并不是很好掌握。就像買西瓜都要拍一下，實際上估計很多人都是做個樣子而已。真正科學判斷SSD的狀態要靠SMART(Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)等工具，我們可以借助SSD廠家提供的工具來查看SSD的健康情況，今后我會專文寫寫相關內容。