簡(jiǎn)述閃存的工作原理及存儲(chǔ)和記錄數(shù)據(jù)

手機(jī)和固態(tài)硬盤中用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的NAND閃存問(wèn)世于1987年，首次量產(chǎn)則是在4年之后。當(dāng)年的東芝閃存部門如今已經(jīng)成為新的KIOXIA鎧俠，不過(guò)NAND閃存的工作原理至今沒(méi)有發(fā)生太多的變化。

在每個(gè)閃存芯片中都有海量的存儲(chǔ)單元，下圖是一個(gè)閃存存儲(chǔ)單元示意圖，從上到下分別是控制柵極（Control Gate）、氧化層、浮柵層（Floating Gate）、隧道氧化層和襯底（Substrate）。左側(cè)是源級(jí)（Sources）右側(cè)是漏級(jí)（Drain），電流只能從源級(jí)向漏級(jí)單向傳導(dǎo)。

閃存記錄數(shù)據(jù)的關(guān)鍵在于浮柵層，當(dāng)其中被充滿電子時(shí)是已編程（寫入）狀態(tài)，代表二進(jìn)制0；當(dāng)其中沒(méi)有電子時(shí)是已擦除狀態(tài)，代表二進(jìn)制1。

上面的這個(gè)0和1的邏輯聽起來(lái)有些顛倒，不過(guò)當(dāng)你了解到閃存的讀取原理后就會(huì)覺(jué)得這樣才是對(duì)的：源級(jí)到漏級(jí)之間沒(méi)有電流（0），說(shuō)明浮柵中有電子。

當(dāng)源級(jí)到漏級(jí)之間有電流（1），說(shuō)明浮柵里沒(méi)有電子。

以上就是從閃存中讀取數(shù)據(jù)的原理，往復(fù)雜了說(shuō)它涉及到MOS管等復(fù)雜的半導(dǎo)體知識(shí)，但是如果朝簡(jiǎn)單的方向理解，我們也能輕松理解閃存表達(dá)數(shù)據(jù)的原理。

接下來(lái)是向閃存單元中寫入數(shù)據(jù)的方法：在控制柵極和漏級(jí)之間施加一個(gè)20V高電壓，就可以引發(fā)量子隧道效應(yīng)，使電子進(jìn)入到浮柵層中。由于氧化隧道層的絕緣效果，進(jìn)入到浮柵層的電子不容易流失掉，所以閃存可以在斷電后繼續(xù)保留數(shù)據(jù)。

反過(guò)來(lái)也可以使用20V高電壓反向?qū)⒏艑又械碾娮印俺殡x”出去，這就是閃存的擦除。閃存的獨(dú)特工作原理決定了閃存單元在寫入之前必須經(jīng)過(guò)擦除，而不能像磁記錄那樣直接覆蓋寫入。

對(duì)于原始的SLC閃存而言，一個(gè)存儲(chǔ)單元只需保留一比特?cái)?shù)據(jù)，非0即1，判斷起來(lái)非常簡(jiǎn)單。SLC閃存速度快、壽命長(zhǎng)，但容量小、每GB容量成本過(guò)高，不適合家用電腦的固態(tài)硬盤。

MLC閃存可以在每個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)2比特?cái)?shù)據(jù)，即00、01、10、11四種狀態(tài)，浮柵層中的電荷等級(jí)需要更加精細(xì)化。

到了TLC閃存（3比特/單元），狀態(tài)數(shù)量達(dá)到8種，而QLC閃存（4比特/單元）的狀態(tài)數(shù)量高達(dá)16種。

2007年鎧俠的前身東芝存儲(chǔ)率先提出了三維閃存層疊技術(shù)，現(xiàn)在的3D閃存已經(jīng)使用Charge Trap電荷捕獲層取代原有Floating Gate浮柵層，存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化，使得閃存寫入速度更快，可靠性更強(qiáng)，功耗水平更低。鎧俠TC10、RC10、RD10使用的都是3D TLC閃存。