再见读头！或闪存如何工作
嗨，极客时间！我们经常谈论SSD的优点，消解神话有关的固态存储，就在最近，甚至在生产访问。但是，事实上，闪存如何工作？不同类型的NAND有什么区别？欢迎所有希望了解这些问题的人关注。回顾过去
在开始对话之前，让我们简要回顾一下硬盘驱动器。如您所知，后者将信息存储在几个磁性板中，这些磁性板通常称为拼盘。以简化的形式，带有读取头的致动器接收信息，并且为了完成读取/写入过程，磁盘一直在旋转。在这里呆很长时间几乎没有道理，但要明白这一点很重要。由于磁盘磁头的块必须与用于读取或写入数据的特定区域（磁道）重合，并且磁盘不断旋转，因此它们需要一些时间才能访问信息，并且所需的扇区将位于磁头下方，特别是在请求混乱的情况下。尽管HDD的延迟以毫秒为单位进行度量，但这足以使CPU等待，其延迟以纳秒为单位进行度量。在平均一毫秒，一百万纳秒的时间内，硬盘驱动器需要10到15毫秒来搜索信息并开始读取信息。是的，现在有一些解决方案，其转速达到每分钟1.5万转，但是即使最快的HDD也不会达到我们想要的速度。一点理论
也许您和我会对“非常”快速的HDD感到满意（正如Henry Ford所说：“如果我问人们他们想要什么，他们会要求我制造快马”），但会带动制造商，其中包括您的谦卑的仆人，利益不会停滞不前。出现了SSD（固态驱动器或固态驱动器），其中的信息不是存储在旋转磁盘上，而是使用NAND闪存存储。我们将详细介绍它。在NAND的情况下，信息存储在存储单元阵列中-这些单元是具有浮栅（Floating Gate）的晶体管。根据电压的方向，电子在控制门和NAND通道之间移动。一旦将电压施加到控制栅极，电子便开始被向上吸引-产生的电场帮助它们到达浮栅，克服了由氧化物制成的障碍。后者用作绝缘体，因为有了它，电子才不会移动到浮栅之外。这就是单元编程的过程。擦除单元的过程与之完全相反-向通道施加电压，电子从浮栅通过氧化物通过控制栅的接地移回氧化物。具有单个晶体管的单元如下操作。根据浮置栅极上电荷的存在或不存在，确定晶体管的状态为打开还是关闭。当将提供给控制栅极的电压视为存储单元的初始化时，可以通过源极和漏极之间的电压来判断浮置栅极上电荷的存在与否。如果在浮动栅极上放置电子并向控制栅极施加电压，则晶体管将关闭。我们得到了可以存储一位的存储单元。当使用热电子注入方法时，电压将施加到漏极和控制栅极，这将导致电子移动通过势垒。具有两个晶体管的单元是单个晶体管的修改。在这种情况下，晶体管（正常）将位线与浮栅晶体管隔离。通过向控制栅极施加负电压（源极为正电压）将电荷从浮栅中移除。结果，我们有了Fowler – Nordheim隧道：电子从浮动栅区域移动到源极（隧道）。重写周期。在用新电子对新电池进行编程之前，必须先清除旧电子。实际上，由于SSD资源对于任何数量的记录数据都足够容易，因此大多数用户不必注意重写周期的数量。是的，有令人讨厌的例外，但这就是为什么制造商的保证。在SSD中，闪存由块组成，而闪存由页组成。信息被写入这些页面，并且为了更新数据，仅重写不相关的页面是不够的。因此，首先将数据从旧页移动到新页，然后发送到另一个块，然后才删除具有不相关数据的块。一旦擦除该块，就可以自由写入新数据。这样一个棘手的过程-在视觉格式下，似乎更容易理解。显然，没有移动磁盘（实际上没有移动部件）是SSD相对于硬盘的主要优势之一，这就是SSD能够以比HDD更高的速度工作的原因。为了清楚起见，这是有关各种类型的NAND和HDD的延迟时间的摘要表。SLC，MLC，TLC不仅是缩写，还指示每个单元中的位数。对于SLC（单），这是1位，对于MLC（多），这是2位，对于TLC（三重），分别是3位。因此，尽管单元数相同，但MLC所存储的信息是SLC的两倍。通常，这些类型的NAND的工作原理是相同的，这不能说是持久性。在一段时间内，由于由电子活性引起的氧化物层的减少，电池的物理结构可能会磨损。结果，电子积累负电荷并被卡住，施加了更高的电压，并且氧化物层再次减小。事实证明，这样的恶性循环。SLC，MLC和TLC的耐力有所不同。例如，如果我们采用密度为16 Gbit的NAND晶体，则尽管每个单元中只有一位，但我们获得了16 Gbit SLC。因此，对于MLC，它将是32 Gbps，对于TLC，将是48 Gbps。的确，在后一种情况下，仍然必须切割NAND晶体，因此，对于MLC而言，其等效值为32 Gbit。您认为谁能承受最大的电压变化？SLC具有两个级别（0.1），是该参数的最佳指示器-这种类型的NAND可以承受各种电压波动。随着级别的增加，该范围减小，因此，单元中具有8个级别和3位的TLC具有最少的重写周期数。由于芯片减少问题一直是一个问题，因此3D NAND正在取代现代的平面NAND闪存。由于在向单元写入数据时不需要高压，因此不易磨损。制造商正在积极开发这一领域并给出自己的技术名称（对于Samsung-3D V-NAND，对于Toshiba-BiCS 3D NAND等）。关键是在这种情况下，我们得到了一个具有顶层的圆柱体，它充当控制百叶窗，而内层则充当绝缘体。单元本身彼此位于下方，形成堆叠。控制逻辑位于存储阵列下方，释放了芯片区域，随后他们在此处找到存储单元的“原位”。一点练习
我们不能独自观察以上所有情况（至少在没有特殊设备的情况下）。这是印刷电路板制造，焊接，安装芯片和微电路之后的所有情况：OCZ Trion 150在这里，我们可以看到闪存和缓冲微电路，以及一个小心地用热橡皮筋覆盖的控制器。是的，这里的主题不是关于SSD设备，而是关于闪存的工作，但是没有控制器就没有地方。这就是为什么。控制器将记录分发到闪存单元，从内存和TRIM单元中读取（稍后会详细介绍）-通常，“我们无可替代”这一短语与他无关。正是他控制着SATA和PCIe上的数据传输，并在NAND上分发信息以减少磨损。如果没有固件的帮助，当然不能在这里做。控制器并行连接到闪存，并且如您所见，它扮演着关键角色之一。例如，Trion 150使用东芝控制器，而Vertex 460A 0已经拥有OCZ的Barefoot 3 M10。哦，是的，我几乎忘记了缓存。它是可靠的控制器伴侣：一旦给出了将文件更改为SSD的命令，该块首先进入更改发生的高速缓存。此时，NAND中不相关的数据将被删除，控制器将找到放置在缓冲区中的信息的位置。主要原理是选择磨损最少的单元，这是控制器的工作，在其发出命令后，已更改的数据将发送到新的“房屋”。现在，大多数固态硬盘（包括OCZ的固态硬盘）也支持TRIM（一种记录无关数据的特殊技术）。在这种情况下，不需要的信息不会被记录在其他存储块中，这不仅有利地影响重写周期的数量，而且还影响记录速度本身。哲学时刻
显然，与传统硬盘相比，NAND是真正的突破，但也有其自身的问题和缺点。是的，NAND在存储容量方面具有广阔的前景，但是每GB的价格还有很多不足之处。该参数在不久的将来不太可能能够“捕获”硬盘驱动器。通过使用SLC缓存和快速数据标准，SSD变得更加高效，具有良好的带宽。尽管如此，从长远来看，人们认为还会有其他东西来取代NAND。实际上，3D NAND是第一个“钟”，它表明了这一点。现在NAND肯定在马背上-他们说真正的山王。而且他将至少在接下来的4-5年内继续担任国王。 Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN392891/
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