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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。
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狗仔卡
发表于 2018-9-4 13:44:32
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