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手机闪存和固态硬盘为什么擦除多了会损坏?

在我们闪存系列文章中多次提到,构成手机存储和固态硬盘SSD的基本存储单元的NAND闪存,它的寿命是由擦除次数来决定的。准确的来说,是由Program/Erase(P/E)次数来决定的。有很多朋友留言问其中的具体原因,今天我就专门撰文来详细讨论一下其中的原理。本文专注于NAND Flash,有些原理有可能同样适用于NOR Flash,但本文并不关心。如果不做特殊说明,下文闪存(Flash)指代NAND Flash。

闪存的工作原理

闪存价格节节攀升,让三星大赚特赚。其实它的基本原理在1980年代之后基本就没有变化过。它的构成和场效应管(MOSFET)十分类似:

它由:源极(Source)、漏极(Drain)、浮动栅(Float Gate)和控制栅(Control Gate)组成。相对场效应管的单栅极结构,闪存是双栅极结构。浮动栅是由氮化物夹在二氧化硅材料(Insulator)之间构成。

我们的写操作(Program)是这样:

在控制栅加正电压,将电子(带负电)吸入浮动栅。在此后,由于浮动栅上下的二氧化硅材料并不导电,这些电子被囚禁(Trap)在浮动栅之中,出不去了。这样无论今后控制栅电压有否,这个状态都会保持下去,所以闪存可以掉电保存数据。注意写操作完毕后,该闪存单元存储的是0,后面我们将会介绍为什么。

我们的擦除操作(Erase)刚好相反:

在源极加正电压利用浮空栅与漏极之间的隧道效应,将注入到浮空栅的负电荷吸引到源极,排空浮动栅的电子。这时读取的状态是1。

那为什么有电子是0,没电子是1呢?以为读取的时候,需要给控制栅加一个低的读取电压,对于被Program过的闪存单元来说,被囚禁的电子可以抵消该读取电压,造成源极和漏极之间是处于被关闭的状态:

如果是被擦除过的就刚好相反,源极和漏极在控制栅的低电压作用下,处于导通状态:

也就是说通过向控制栅加读取电压,判断漏极-源极之间是否处于导通状态来读取闪存单元的状态,如果被Program过的,就是处于关闭OFF状态,为0;而被Erase过的,就是处于导通状态ON,为1。

理论上来说,闪存可以每个单元来单独擦除和编程。但是为了节省成本,实际上作用在控制栅上的擦除电压是整个块(Block)连接在一起的,这就是为什么擦除要以块为单位了。

为什么闪存会损坏

每次电子在包围浮动栅的二氧化硅上进进出出,都会造成它的老化:

长此以往,浮动栅就不能很好的锁住电子,电子会流失造成漏极-源极之间是否处于导通状态错误,进而数据读取错误。闪存控制器通过校验发现错误后会将其标为不可用,而在OP空间找一块来替代,并在FTL表里改变对应关系。

而 SLC(Single-Level Cell)的省钱版:MLC(Multi-Level Cell) 和 TLC(Triple-Level Cell) 的引入让这个问题更加严重。原来SLC只有ON/OFF两种状态,现在的TLC要有8种状态:

主要靠精确控制浮动栅里面的电子来实现,老化会让这种控制很容易出错。这样就是为什么MLC和TLC相比SLC,生命周期更短的原因:

注意图中的P/E Cycle。

结论

闪存单元的损坏是个不可逆的过程,坏了就是坏了,人死不能复生,节哀顺变吧。几个坏块不会产生多大问题,OP空间完全可以罩得住,问题是只要产生坏块,慢慢坏块会越来越多,写放大也会越来越严重,慢慢的就会产生读写错误,或者速度严重下降。这时我们一定要考虑换块SSD了。

也许仅仅依靠抽象的判断速度对普通用户并不是很好掌握。就像买西瓜都要拍一下,实际上估计很多人都是做个样子而已。真正科学判断SSD的状态要靠SMART(Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)等工具,我们可以借助SSD厂家提供的工具来查看SSD的健康情况,今后我会专文写写相关内容。

最新评论
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评论 3 条

    jeck 1年前 回复TA

    3D Flash不是靠缩小cell与cell之间的间距了,而是靠往上堆,32层64层等等,所以cell之间的干扰也会小很多。之前缺货,自然涨价,现在不缺了

    piter 1年前 回复TA

    D转3D 良率不好 所以flash很紧张 缺货 自然涨价 现在良率提升了 价格在往下走

    1年前 回复TA

    64层tlc和原来的mlc比呢?三丧出的tlc传说寿命增加N倍呢

    1年前 回复TA

    64层tlc和原来的mlc比呢?三丧出的tlc传说寿命增加N倍呢

    piter 1年前 回复TA

    D转3D 良率不好 所以flash很紧张 缺货 自然涨价 现在良率提升了 价格在往下走

    jeck 1年前 回复TA

    3D Flash不是靠缩小cell与cell之间的间距了,而是靠往上堆,32层64层等等,所以cell之间的干扰也会小很多。之前缺货,自然涨价,现在不缺了

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