固態硬盤，或者說閃存技術就是在各種技術中脫穎而出的那個勝者，它不是效率最高的那個，但卻是性價比比較高同時適用場景相對廣泛的一個技術。
那下面我們就來聊聊現在廣泛使用的最新技術，也是購買儲存設備的第一選擇 —— 固態硬盤（SSD）。
說到固態硬盤，大家對于它的第一印象應該都差不多，那就是快和貴。固態硬盤貴自有貴的道理，它技術原理上保證了速度與容量上限會不斷刷新，同時擺脫了機械結構，不會像機械硬盤那樣晃一下數據爆炸，還能做進小型化和各種奇奇怪怪形態的設備上。
雖然比起機械硬盤，現在固態硬盤仍然比較貴。但隨著固態硬盤價格不斷走低，以后它始終會成為我們的主力儲存設備，機械硬盤只能退而其次成為擔任倉庫盤的角色，甚至不會再出現在我們電腦里（現在很多人的筆記本已經是這樣子了），就像現在磁帶的現狀（20 后或者 30 后的孩子們以后可能會奇怪地問我們，為什么以前的人們要把數據放在一個旋轉的盤上）。
到了今年，也許我們閉著眼睛買固態硬盤，也不會有太差的體驗，但固態硬盤作為一個新型儲存設備，大多相關技術和參數對大眾來講比較高深和新穎，坑還是蠻多的。我們更要仔細了解一下固態硬盤的原理，工作方式，還有如何查看它的實際性能，幫助我們理解接下來實際去購買和使用的部分。
固態硬盤的歷史
通常人們以儲存讀取部分有沒有活動的機械部件，來區分固態硬盤和機械硬盤，下面出現的設備都滿足這個條件。
如果我們自己買過 M.2 固態硬盤或者拆過固態硬盤外殼的話，就會發現里面有很多一個一個的顆粒，這些儲存顆粒就是固態硬盤儲存數據的地方。說起來有點神奇，而這些儲存顆粒誕生的基礎 —— 浮柵晶體管（MOSFET）和非易失性儲存器（NVM，像是 EEPROM 這類的都是非易失性儲存器）甚至比機械硬盤出現的更早，只不過機械硬盤的結構和原理注定了它開始階段能發展得更快。
最早使用非易失性儲存器儲存數據的裝置可以追溯到 1950 年，還記得機械硬盤歷史上最著名的廠商 IBM 嗎，這次首先應用這項技術的還是它（真的牛啤，我查了下 1950-1999 年 IBM 儲存相關的專利，占了全球的 10% 以上）。那個時候甚至有兩種技術同步發展：磁芯儲存器和卡式只讀儲存器。
磁芯儲存器的原理簡單粗暴，把磁性材料制作成的小圈通過電線串起來排成陣列，每個小圈都可以磁化或者去磁，代表了 0 和 1，計算機就可以通過讀取導線電壓或者給導線輸送電壓，改變某個特定小圈的磁性來實現儲存讀取數據。
更絕的是它的組裝真就是手工，由女性工人使用顯微鏡手動穿線（有我們這邊穿珠子兼職那味了）。之前 NASA 登月 50 年的時候，國內瘋狂報道阿波羅衛星軟件編程真的是「編織」出來的，指的就是磁芯儲存器（阿波羅上面的約 32KB）。
至于，另外一個卡式只讀儲存器（CCROS，好像沒有正式中文名）原理就更簡單了，可以想象成是一堆打孔鐵片疊在一起。
用專門的機器把編好的程序等等按照特殊的編碼方式在鐵片上打孔，然后交給計算機就能讀取，這里就可以看出來數據是沒有辦法修改的，想要改數據只能重新找個新的鐵片去打孔。這兩個技術原理和制造實在是不太適合發展，所以在我們第一章提到的磁鼓儲存器出來之后就迅速被淘汰了。
他倆的淘汰其實跟真空管時代結束是一起的，之前計算機是用真空管 —— 把電路封裝在玻璃管里形成二極管/三極管等等，然后用它們來實現計算機最基礎的與（A 和 B）或（A 或 B）非（非 A 非 B）門，第一臺電子計算機就是這樣出現的。和真空管時代結束后就來到了我們現在很熟悉的半導體時代，半導體時代的計算設備干的還是真空管時代計算設備的那些判斷，不過真空管變成了半導體制作的浮柵晶體管，由于半導體晶體管可以通過「生長」快速巨量制造出來，而且理論上可以做到非常小，比如現在我們所說的 5nm 納米 CPU 工藝，就是可以把一個晶體管里的溝道長度做到 5 納米大小，所以才會有我們現在的算力大爆炸（詳細的原理我們下面原理部分會介紹）。
現在還用真空管的，基本上就只剩下 HiFi 發燒友們玩的功放了（在廣東真空管又叫做膽，膽機就是這樣來的），而半導體和 1959 年在貝爾實驗室發明的晶體管幾乎是現在所有數碼設備的基礎，儲存設備也不例外，接下來出現的技術和設備都是使用半導體的了。
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即使放到 76 年后固態硬盤的價格也不是一般公司能夠承受得起的，Bulk Core 價格查不到，但是同時期推出的給 IBM 大型機使用的 STC4305（它用來儲存的技術和我們現在相機的成像原理很像），45MB 售價 40 萬美元，相當于現在的 167 萬美元（dollar times，2021），在那個年代買家公司給自己打工幾十年都夠了，大家自己仔細品品。
在 ROM 出來之前大部分固態都是使用 RAM（也就是我們今天運行內存那種）保存數據的，需要電池來維持數據，斷電之后數據便會丟失。
固態儲存設備的基石：浮柵晶體管/（只讀）儲存器 ROM
半導體和晶體管可以說是現在整個電子世界的基石，而浮柵晶體管其實是 1967 年由亞洲人發明的，分別是韓裔美國工程師 Dawon Kahng（姜大元）與華裔美國工程師 Simon Min Sze（施敏）。
關于浮柵晶體管的原理和結構我們會在下面介紹，浮柵晶體管也是半導體晶體管的一種，它之所以和現在 CPU 使用的晶體管區別開來，并且適用于儲存設備，是因為它被高電阻材料包圍的結構特性，可以讓其中包含的電荷在很長一段時間內保持不變，注意這個很長一段時間指的是以 10 年以上。
姜大元和詩敏不僅發明了浮柵晶體管，而且提出了實際的應用場景 —— 利用浮柵組成的儲存單元制作出只讀儲存器（EPROM）。
我們現在常見的 ROM 其實就是只讀儲存器（Read-Only-Memory）的縮寫，EP 指的是可擦除（Erasable）可編程（Programmable）。也就是說它可以通過高電壓的設備把數據放進浮柵晶體管儲存單元里，之后就沒辦法修改了，所以說是只讀。而可擦除則是利用強紫外線來直接把浮柵晶體管里面的電荷都放跑，這樣就達到了擦除的效果，之所以只能用紫外線，是因為浮柵晶體管本身被高電阻材料包圍，很難用電去「吸」出里面的電荷。
后
以前我們老是覺得玩游戲存檔速度要存到天荒地老，就是因為 以前 EEPROM 技術限制只能單字節擦除和寫入，這個速度寫個存檔可以想象速度想快也快不起來。
同時因為 EEPROM 和 EPROM 其實都是同一種浮柵晶體管，受到強紫外線照射會把儲存器清空，而陽光里面最不缺的就是紫外線，所以以前我們老是發現卡帶放久了就會「掉檔」（有過掉檔重玩的痛苦記憶的同學可以留個評論哈哈），就是因為放存檔的 EEPROM 里面電荷都被陽光（通常幾個星期）或者室內的熒光燈（可能要幾年）曬跑了。
這兩項儲存器先天結構就優于當時的機械硬盤，單從速度方面也比當時的機械硬盤快幾十倍，所以當時一些固態儲存公司開始發展起來，比如我們現在常見的閃迪就是這個時候進入市場的。英特爾也開始研發閃存，同時用固態給處理器加速（現在傲騰加速條系列也保留著那個時候的基因），很多人還開始給自己的個人電腦配上了固態（不是用來儲存，太貴了，只用來加快電腦運行）。
這個時候的固態硬盤其實已經有進入民用的條件，1980 年 256KB 的固態儲存才 1000 美元左右（折合現在 3000 美元），按照當時的電腦價格來講并沒有到離譜的程度。
用到現在的成熟技術：閃存 Flash
1980 年，在東芝工作的日本科學家 Fujio Masuoka（舛岡富士雄）在 EEPROM 基礎上發明了閃存。這位科學家也是個牛人，EEPROM 的前身 SAMOS 儲存器也是他發明的，閃存應用之后，他的團隊還發明了第一個 3D 晶體管（GAAFET），優勢是可以在 7 納米以下的尺寸工作，直到現在 3 納米 GAAFET 還是世界上最小的納米電子器件，2021 年都還沒有實現量產，這位牛人可謂是包圓了固態儲存領域。
實際上 NOR 和 NAND 閃存都是舛岡富士雄先后（1980,1986）發明出來的，但他的發明在東芝卻不被重視，還要自己拿著樣品去參加 IEEE 大會，引起了轟動后被英特爾注意到才大力研發，甚至發明 NAND 閃存后只有幾百美元獎金和一個閑職，這也導致了后來富士雄 2006 年起訴東芝，獲得百萬美元賠償的結果。
作為發明公司，東芝是第一個開始賣閃存固態的，1987 年推出了他們的第一款商用 NAND 閃存，1988 年英特爾推出了第一款商用的 NOR 閃存，但東芝不受重視的態度讓它基本沒有市場，英特爾則靠著相關技術霸占市場，獲得了幾十億美元的利潤。
閃存分為兩個類型，平時我們或許聽過 NAND 和 NOR 閃存就是指這兩個類型，從名字就可以看出它們是用原理對應的邏輯門來命名的，具體原理下面會講。簡單來講就是之前那些 ROM 必須完全擦除才能重寫，速度又慢又浪費壽命，而閃存可以做到按塊/頁進行擦除，寫入和讀取，而且可以做到很快速的擦除，閃存的名字是按照發明者同事的建議命名的，擦除過程就是像閃光燈一樣迅速，所以叫做閃存。閃存就是為了「更快」而誕生的。
從結構上看，這兩款閃存的區別是：
NAND 閃存單元體積比較小，所以密度更高，同樣成本可以做到更大容量，同時按塊方式讓擦寫讀取速度都很快，擦寫壽命也比較長；缺點是必須按照塊來擦寫，也沒有真正的隨機訪問能力，也可靠性相對較低。
NOR 閃存單元體積比較大，容量就很小，擦寫速度非常慢，但讀取速度很快。可以按字節為單位提供真正的隨機訪問能力，這意味著它可以就地執行代碼（不用把代碼搬到運行內存），可靠性也比較高，也因為如此擦寫壽命比較短。
從這兩個閃存類型可以看出，NAND 容量大讀寫都快的特點適合做大容量儲存，事實上我們現在的固態硬盤基本都是 3D NAND 閃存；而 NOR 可以就地執行代碼和真正隨機訪問的能力，加上很快的讀取速度就非常適合用來裝程序文件，比如主板上的 BIOS 通常就是 NOR 閃存。這兩個類型和它們的詳細區別在下面都會詳細介紹。
年
固態硬盤 SSD 的結構和原理
我在前面就給大家談到，現在固態硬盤大部分都是用 3D NAND 閃存顆粒（我們常常聽說的 SLC/MLC/TLC/QLC 什么的就是不同工作模式下的閃存顆粒），閃存顆粒其實就是很多很多浮柵晶體管制成的儲存單元，所以在這個小節我們會從浮柵晶體管的原理講起，帶你從頭到尾了解固態硬盤的工作原理，不過不同于機械硬盤擁有直觀的機械結構，固態硬盤的工作基本上都發生于納米級別的微觀世界，甚至是基于量子力學的工作原理，會比機械硬盤難理解一點，想要了解的同學們一定要有耐心一點。
在進一步介紹固態硬盤的結構和原理之前，我們先來了解一下固態儲存器的幾個分類。
易失性和非易失性儲存器
從名字應該就可以看到它倆的區別，雖然都是把比特信息儲存在電容器和晶體管組成的儲存單元里，都是用晶體管里面的電荷多少來代表 1 和 0，但是易失性儲存器一旦斷電儲存單元上面的信息就會很快丟失，而非易失性儲存器即使斷電也能保存授權單元上面的數據，簡單來講就是斷電丟不丟數據的區別。
因為易失性儲存器的晶體管不像非易失性儲存器那樣，有高電阻材料去留住電荷，需要高電壓還有量子隧穿效應來讀寫數據，所以它工作需要的電壓更低（通常在 1-2V 左右）并且讀寫速度更高。我們常見的內存條 RAM 就是一種易失性儲存器，如果我們對好的內存條跑分，就會發現它的讀寫時間是在納秒級別，而且讀寫速度幾十 GB/S 以上，比固態硬盤之類非易失性儲存器的性能好上一個量級。
這也解答了很多人為什么不用內存來做固態硬盤的疑問，因為不嚴格來講正是因為「易失」所以才「快」。非易失性儲存器我們上面也講到了，浮柵晶體管的特性讓它即使斷電也能將數據保存 10 年以上，但多出來的一層高電阻材料讓非易失性儲存器讀寫速度和隨機讀寫能力比起易失性儲存器就要差上不少，這也是為啥現代計算機需要用運行內存作為儲存器和 CPU 之間的「橋梁」，因為易失性儲存器擁有納秒級別的隨機讀寫能力，讓它更能跟上 CPU 思考的速度提供數據，免得 CPU 沒有數據進行計算，只能干等。
有關于隨機讀寫能力的重要性，還有內存條等易失性儲存器等詳細的結構工作原理，會在接下來其它儲存設備的部分講解。
固態硬盤的基礎：NAND/NOR Flash 閃存
在機械硬盤部分，我們報廢了一個機械硬盤才能看到它里面的結構，而固態硬盤就簡單多了，特別是現在的 NVMe 固態硬盤，直接就能看到所有的硬件結構。
放
級
浮
看到這里你已經把機械硬盤，結構原理相關的內容都學得差不多了，實際上固態硬盤的結構原理部分涉及到的知識，甚至比我介紹要復雜得多。
標籤註解：
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“哥，為什么你的腿不一樣長? “因為這樣才能練金雞獨立的功夫給你看啊。 “為什么你走路一顛一顛的? “因為這樣你在我背上才容易睡著啊。 1 葉子來我家時，我已經很大了。我很大是指我已經會做飯洗衣服了。 葉子一直不說話，只睜著大大的眼睛，警惕地看著一切。我使出我的獨門絕技——金雞獨立來，我“獨立了半個小時，還不斷地做鬼臉，她終于笑了，清晰地說：“哥，我餓了。 這是葉子第一次叫我“哥。那年我11歲，葉子4歲。 我背著葉子出去玩，總是被人指指點點。葉子不知道他們在指什么，她總是在我顛顛跑著時，伏在我的背上沉沉睡去，有時，還流口水。 我知道他們在嘀咕什么。 葉子的父母因販毒被判了死刑，而這是我父親偵破的最大一起案子。他為此立了功。可他越立功，母親越要離開他，母親說：“我再也不過這樣擔驚受怕的日子了! 母親再婚的消息傳來時，正是中秋的夜晚。一輪圓月掛天邊，遙遠而冷寂。偶爾有黃葉飄落在院子里。父親喝了很多酒，哭了。我不知道說什么好。我從來沒見過父親哭，而且那樣無助和傷心。 一只小手伸過來，輕輕地撫摩父親粗糙的臉盤兒，葉子說：“大爸，不哭，大爸。父親抱過她，用手抹了把淚，說：“不哭，大爸還有葉子和小林呢。 葉子一直喊父親“大爸。父親說，那天，當他們沖進葉震天家里時，葉子正蜷縮在角落里，她已經一整天沒吃東西了。他們搜集了證據后撤退，誰都沒注意到這么一個小東西正無聲無息地跟在他們身后，她緊緊抓住父親的衣服，仰著頭看著高大的父親，一句話也不說。“像只倔強的小貓。那眼神讓人心里真不落忍。父親說。 父親帶了葉子回家。母親走后，家里一直很沉寂，而葉子來了，開始有了喧鬧的聲音，父親說“又有了人氣。我和葉子玩鬧時，父親的眼里總是充滿柔情。無數次月圓月缺，無數次落葉飄黃后，我和葉子都長大了。門前的路上撒滿了她清脆如鈴鐺的笑聲。每次聽到她脆生生的“哥，我回來啦、“大爸，我回來啦時，我就會從面前的一堆舊電器中抬起頭，笑意瞬時籠罩了臉。那是一天中最開心的時刻。 2 葉子出落成大姑娘，走到哪里都吸引人的目光。和她一起上街，她還是和從前一樣緊緊挽住我的胳膊，于是，所有人的目光就都落在了我身上。我輕輕挪開她的手說：“葉子，別這樣。 葉子不解地說：“這有什么?以前你還背我呢。我說：“那時你小，現在你長大了。葉子怔怔地看著我，忽然恨恨地說：“我知道你為什么這樣，因為含香! 我想搖頭，但我卻點頭了。含香是鄰居大媽為我介紹的對象。我已經23歲了。大家都說，該談戀愛了。含香在一家商場賣文具，見第一面，我就答應了。大媽說，含香人很好，只是家境不好，父母在農村。說閨女結婚，姑爺得出錢給家里蓋房子。 我又毫不猶豫地答應了。這幾年修理電器也攢了一些錢，除了預留給葉子上大學的費用外，我可以把剩下的給含香。 葉子看著我，眼睛里突然盈滿淚水，頭也不回地跑了。 門前的小路上綠樹成陰，陽光跳躍其間，卻是空落落的。 3 那一年，事情格外多。 先是喜事。葉子考上北京的一所名牌大學了。晚飯時，喜氣洋洋的父親突然對我說：“你也該和含香結婚了。葉子把碗一放，說：“我去同學家玩。 很晚了，葉子還沒有回來。 我不放心，到路口等她。等了一個多小時，看到葉子時，她正驚恐地奔跑著，后面跟著兩個男人，他們叫著：“美女，別跑了，跟哥去玩玩。怒火一下子從我胸中噴薄而出，我抓起一塊磚頭沖過去，不管不顧地奮力廝打著，我聽到葉子在尖叫，我卻漸漸體力不支，我被那兩個人按在地上，拳頭落在我的胸口，我反抗著，掙扎著……一聲低沉的怒喝：“誰敢在老子門口撒野? 是父親!他高大的身軀鐵塔般佇立在夜色里。 那兩個家伙顯然知道父親。他們拔腿就跑。葉子把我扶起來，父親輕輕地說：“回家吧。一分鐘前那鏗鏘的氣概已無影無蹤，高大的身板竟然已經有些佝僂了，月光下，白發格外刺人的眼。 他老了。 葉子洗漱后睡去，父親在院里坐下，對我說：“喝兩盅吧。我點頭，坐下，父親嘆口氣說： “我知道你心里放不下葉子。可是，孩子，葉子上的是名牌大學，遲早是要飛出去的……父親的眼睛開始混濁。我把杯里的酒一飲而盡，說：“爸，別說了!我知道。我從小就知道。 父親握著我的手嗚嗚地哭了，像個孩子。 我想大醉，可是不能。因為父親已經醉了，他已經老了。我把父親扶進房間，站在小院里，像往常一樣金雞獨立，月光下，我的影子很長。涼風襲來，臉龐有淚滑了下來。 我把蜷起的腿放下來。看著它，它比另外一條腿短三寸，沒有絲毫氣力。 葉子4歲時，曾問我：“哥，為什么你的腿不一樣長?那時，我總爽快地告訴她：“因為這樣才能練金雞獨立的功夫給你看啊。葉子說：“為什么你走路一顛一顛的?我說：“因為這樣你在我背上才容易睡著啊。 4 葉子上大學后，我就結婚了。含香還好，只是她的父母像填不滿的無底洞。我終于發怒了。葉子還有一個學期才畢業，這筆錢是給她的。含香的父母不干了，說：“你一個瘸子，要不是城里人，我們會把含香這樣水靈靈的大姑娘嫁給你嗎?……久而久之，含香也開始不滿了。她說：“你為什么對葉子這么好?不就是個死刑犯的女兒!我啪地打了含香一個耳光。 這一個耳光徹底打跑了她。 我把一切都瞞著，我對葉子說我們很好，勿念。葉子順利畢業了，進了南方一家著名的大公司，可我知道她的理想其實是當老師，過平淡從容的生活。我問她為什么要這樣選擇，她在電話里沉沉地說：“因為我需要錢，很多很多錢。我急了，說：“你要那么多錢干什么?她說：“因為我要治好你的腿!你和大爸以為我什么都不知道嗎?你們錯了。我什么都知道。為什么我的父母是那樣的人?為什么他們要作這樣的孽?她的嗓音越來越嘶啞，最后，她說：“為什么你會選擇含香而不是我?我知道，那是因為，我不配你。 我愣住了。 我捶著我的腿，我沒有告訴葉子，我已經和含香離婚了。現在我和父親還有我10個月大的兒子小龍生活在一起。日月流轉，我們家又是3個人生活。只不過，總是有一個新成員。 5 葉子拼命地工作掙錢，很快就按揭供了一套房子。葉子說：“很大的房子呢!交樓后我就把你們都接過來住。 葉子咯咯笑著，她的聲音從電話里傳出來，小龍突然喊：“媽媽!那以后，一聽到電話里葉子的聲音他都這樣喊。我的心隱隱作痛，不過，我沒制止小龍。他像我小時候一樣渴望著母親的一切。 春節時，葉子回來了，比以前更漂亮了。她抱起小龍親個不停，說：“喊姑姑。小龍卻喊：“媽媽、媽媽。葉子愣住，臉紅了，我訥訥地說：“小孩子剛學會說話，媽媽又不在，你，你別在意啊。 葉子放下小龍，直直地盯著我，像要看到我的心底，火道：“你憑什么不要我?小龍都知道喊我媽媽!你看他和我多親!你憑什么不要我?她握起拳頭，不住地捶打著我。 父親看見了，嘆口氣：“唉，誰知道老天是這么個安排呢。 葉子用胳膊圈住父親，頭緊緊挨住父親的頭，說：“大爸，走，過完春節咱就走，都到南方去。而且我已經給哥找了個門面呢。有手藝到哪兒都一樣掙錢! 父親呵呵笑著說，“南方的房子都是天價呢。住在那樣的房子里我只怕都不敢下腳呢，踩在地板上不就跟踩在錢上一樣嗎? 我問：“按揭買房子要還很多年吧?葉子將一只手抽出來，握住我的手，說：“錢，總是按揭得完。可是，哥，大爸，我欠你們的情，按揭一生都不夠呢。我還來不及說話，葉子又很快說：“所以，我們下輩子還要在一起。下下輩子，還要在一起，行不行，哥?我握住葉子的手說：“傻丫頭，感情真要有按揭的話，一生就夠了。我笑著看她，沒有告訴她，我這按揭的一生，從11歲就開始了，葉子的話卻在我耳畔輕輕響起：“哥，我的這一生，從4歲就開始按揭了。
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