硬盤是如何儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的

這是你的個(gè)人電腦，里面的硬盤則是你的命根子，藏著你多年以來(lái)積累的文檔、照片、視頻和游戲。

這塊硬盤會(huì)以 0 和 1 組成的二進(jìn)制形式默默儲(chǔ)存著各種數(shù)據(jù)，隨時(shí)等待著被你寫入或者讀取。

硬盤分為機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤。對(duì)于機(jī)械硬盤，最重要的結(jié)構(gòu)是這些兩面涂有磁性材料的磁盤，在工作時(shí)會(huì)以每分鐘 7200 轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。

寫入數(shù)據(jù)時(shí)，距離盤面 3 納米的磁頭會(huì)利用電磁鐵，改變磁盤上磁性材料的極性來(lái)記錄數(shù)據(jù)，兩種極性分別對(duì)應(yīng) 0 或 1 。

而讀取數(shù)據(jù)時(shí)，旁邊的讀取器可以識(shí)別磁性材料的不同極性，再還原成 0 或 1 。

一片磁盤分為若干個(gè)磁道，每個(gè)磁道又分為各個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)是磁盤存儲(chǔ)的最小數(shù)據(jù)塊，大小一般是 512 字節(jié)。

因此，磁頭要想讀取某個(gè)文件，必須在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，先找到對(duì)應(yīng)的磁道，再等磁盤轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)扇區(qū)才行，一般會(huì)有十幾毫秒的延遲，這就讓機(jī)械硬盤在讀取分散于磁盤各處的數(shù)據(jù)時(shí)，速度將大幅降低。

基于電路的固態(tài)硬盤則不用擔(dān)心這種延遲。固態(tài)硬盤儲(chǔ)存數(shù)據(jù)靠的是閃存。

在工作時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)接口進(jìn)入主控制器，經(jīng)處理后再分配到閃存中儲(chǔ)存。

閃存的基本存儲(chǔ)單元是浮柵晶體管，主要有這些結(jié)構(gòu)。

其中的浮柵被二氧化硅包裹，和上下絕緣，在斷電時(shí)也能夠保存電子，當(dāng)電子數(shù)量高于一個(gè)中間值就表示 0 ，低于中間值就表示 1 。

晶體管每次寫入數(shù)據(jù)前都要先擦除，在 P 極上加一個(gè)電壓，浮柵中原有的電子會(huì)因?yàn)榱孔铀泶┬?yīng)通過(guò)絕緣層被吸出來(lái)，讓浮柵中的電子數(shù)量低于中間值，還原成 1 ；

如果要寫入 0 ，就在控制極加一個(gè)電壓，讓電子穿過(guò)絕緣層再注回浮柵，使電子數(shù)量高于中間值，表示 0 。

但在讀取時(shí)，閃存無(wú)法直接得知浮柵中有多少電子，只能曲線救國(guó)。

我們首先要知道，往控制極加一定大小的電壓，會(huì)導(dǎo)通這兩個(gè) N 極。控制極上的電壓越大，N 極間的電流也越大。

然而，存儲(chǔ) 0 的浮柵，相比存儲(chǔ) 1 的浮柵，有更多的電子，會(huì)抵消控制極上的電壓，所以控制極需要更大的電壓才能導(dǎo)通兩個(gè) N 極。

因此，當(dāng)我們不知道浮柵中有多少電子時(shí)，就可以往控制極加一個(gè)中間值電壓，如果兩個(gè) N 極導(dǎo)通，就能反推出浮柵中的電子較少，識(shí)別為 1；如果沒(méi)有導(dǎo)通，就說(shuō)明浮柵中的電子較多，識(shí)別為 0 。

傳統(tǒng)的單階存儲(chǔ)單元 SLC ，電子數(shù)量只有兩種狀態(tài)，只能保存一比特的數(shù)據(jù)。而多階存儲(chǔ)單元 MLC、TLC 和 QLC ，它們的電子數(shù)量有 4~16 種狀態(tài)，一個(gè)單元可保存 2~4 比特。

多階存儲(chǔ)單元大大降低了固態(tài)硬盤單位容量的成本，但也影響了硬盤壽命和性能。

晶體管擦寫數(shù)據(jù)時(shí)，二氧化硅絕緣層會(huì)困住一部分電子，這些電子的累積會(huì)逐漸抵消控制極上的電壓，使得控制極為了導(dǎo)通兩個(gè) N 極所需的電壓越來(lái)越大，當(dāng)這個(gè)偏移超過(guò)中間值，那么讀取時(shí)也就無(wú)法分辨 0 和 1 。

而多階存儲(chǔ)單元由于不同狀態(tài)之間分得非常細(xì)，也就更容易受這種偏移的影響，所以從 SLC 到 QLC ，它們總的擦寫次數(shù)呈幾何級(jí)數(shù)遞減。

相比機(jī)械硬盤可無(wú)限次擦寫，斷電后數(shù)據(jù)可保存十年，固態(tài)硬盤著實(shí)算是消耗品，儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)通常在斷電一年后就會(huì)因浮柵內(nèi)的電子衰減而徹底丟失數(shù)據(jù)。

不過(guò)，一塊消費(fèi)級(jí)的 MLC 或 TLC 固態(tài)硬盤也足夠你至少使用 5 年，且使用體驗(yàn)遠(yuǎn)超機(jī)械硬盤，讀寫速度可達(dá)后者的十倍以上。此外，由于沒(méi)有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，固態(tài)硬盤工作時(shí)也更安靜、更抗震。

而機(jī)械硬盤在長(zhǎng)期使用后，各種金屬部件的老化會(huì)讓讀寫速度像擠奶一樣細(xì)水長(zhǎng)流。

況且，機(jī)械硬盤長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)也未必是好事。比如本·拉登在死亡六年之后，CIA 公布了這位著名恐怖分子的硬盤數(shù)據(jù)，里面就存有大量的阿拉伯語(yǔ)字幕的日本動(dòng)漫。