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标题: 手机闪存和固态硬盘为什么擦除多了会损坏？ [打印本页]

作者: Jefflq 时间: 2018-9-4 13:44
标题: 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。

作者: BIGBON 时间: 2018-9-4 13:44
看着好艰难

作者: akmpswv 时间: 2018-9-4 13:44
现在mlc都是珍惜了，tlc是主流，qlc都马上登场了。

作者: rt45rti 时间: 2018-9-4 13:44
所以我就看了结论

作者: ZmAXxoJF 时间: 2018-9-4 13:44
64层tlc和原来的mlc比呢？三丧出的tlc传说寿命增加N倍呢

作者: aquila00 时间: 2018-9-4 13:44
(:з っ )っ MLC都快没了

作者: jansie1314 时间: 2018-9-4 13:44
完

作者: shichg123 时间: 2018-9-4 13:44
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。”这句出现的太早了……

应该是坏一两个单元还有ECC来挽救，然后坏的多了，快超出ECC纠错限制的时候才标坏块+数据转移。

作者: qinger0912 时间: 2018-9-4 13:44
还有……Cache的坑啥时候填啊？

作者: darny 时间: 2018-9-4 13:44
哇，你又来催稿了。

作者: yPfiXGyC 时间: 2018-9-4 13:44
啊，我是代表广大用户，例行催一下……??

作者: spiegesq 时间: 2018-9-4 13:44
照理来说3D TLC成本应该大幅下降才对，可售价并没有降低，反而是直接替代了同价位的MLC。论起来还是两三年前的MLC固态硬盘性价比最高，我有一句mmp我一定要讲。

作者: 给我闪 时间: 2018-9-4 13:44
因为三星的（其他厂商不知道）3D TLC闪存，中间的隔层不是二氧化硅了，而是改进材料，因此物理寿命增加很多

作者: dsadsadsasd 时间: 2018-9-4 13:44
把TLC卖两三年前MLC的价格就说不过去了，固态硬盘一个遵守摩尔定律的东西比机械硬盘降价还慢

作者: 快乐.每一天 时间: 2018-9-4 13:44
2D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

作者: YiHYcCgb 时间: 2018-9-4 13:44
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作者: wang34796882 时间: 2018-9-4 16:35
涨见识了

作者: lihangu 时间: 2018-9-4 16:44
虽然没看懂，但是感觉很厉害的样子，还是感谢楼主

作者: yangzheqq 时间: 2018-9-4 17:49
真的涨知识了多些这种文章

作者: yghlgh 时间: 2018-9-4 18:58
还是两三年前的MLC固态硬盘性价比最高

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