闪存基本原理

系列文章目录

一、SSD主控
二、PCIe和NVMe控制器前端子系统

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三、闪存基本原理

闪存是SSD的存储介质（NAND Flash），它是一种非易失性存储器（Non-volatile memory）,所谓非易失性，也就是掉电以后数据也还是在的。
相对应的，也有易失性存储器，我们叫它RAM，也可以说是内存，在通电时可以保存数据，掉电时数据丢失。我们常见的电脑内存DRAM就是 RAM的一种，还有一种叫做SRAM
DRAM 动态内存
SRAM 静态内存

1.结构

传统的2D闪存的基本存储单元叫做Cell，是一种类NMOS的浮栅晶体管，也叫做Floating gate
结构图如下：

浮栅层用于存储电子，假设有电子为0，无电子为1，那就可以表示最基本的两种状态了
衬底和控制栅分别控制擦与写，不可覆写，只能擦掉旧的再写新的

写操作：在控制栅施加大的正电压，将游离于衬底的电子透过二氧化硅层吸到浮栅层，完成写操作
擦除操作：与写操作相反，需要在衬底施加一个正电压，将浮栅层的电子吸出来，完成数据擦除动作

这里引入一个概念是，衬底与浮栅层之间的二氧化硅层的构造类一个有洞的橡胶，平时的时候，电子很难透过它来往于浮栅层和衬底，但是当我们进行擦写操作的时候就像是再用力扯这块橡皮，使得孔洞变大，电子得以穿过。但是呢，我们重复的擦写操作，循环去拉扯它，会导致这个二氧化硅层老化，从而没办法很好的约束电子的游动，所以闪存是有擦写上限的，当我们擦写上限到了，浮栅层的电子没办法很好的保存，反应到SSD端就是我们存储的数据丢失

读操作：控制栅加电压进行读取动作，这里的电压是低于写操作的电压的，也就是有一个电压阈值。

同样引用上面带孔洞橡胶的说法，我的理解是，本身二氧化硅层隔绝了通路，当我在控制栅加电压时，相当于把原本趋于封闭的二氧化硅层，也就是这个带孔洞的橡胶层慢慢拉开，这里的阈值就是，当我拉开这块橡胶到我能看到浮栅层是否有电子，或者说电子刚好可以进入浮栅层时，我就知道里面有没有数据了，此时通路导通，我们读取到数据

疑问是：假设这种理解是正确的，那么当我读取的时候，假设我偶尔偷跑电子进浮栅层，在进行N次读取后，浮栅层的电子越来越多。是造成read disturb的根因

对于存储在浮栅层的电子来说，一直关闭在封闭的空间中，长时间不去读取，就会有电子流失的风险，还是刚刚那个比喻，浮栅层与衬底间的二氧化硅层类似一块带洞的橡皮，虽然平时紧绷状态可以防止电子流失，但他始终带洞，也是有可能随着时间推移不小心放跑电子的。所以保存的电子会有遗失的风险，久而久之，里面存储的电子可能就遗失过多无法判断是0还是1了。这就是 Data Retention,而擦写次数越多的闪存，其数据保持力就越差，就越容易触发Data Retention

2.衍生问题

1.闪存类型：

SLC 一个Cell只能存储1位数据
MLC 一个Cell可以存储2位数据
TLC 一个Cell可以存储3位数据
QLC 一个Cell可以存储4位数据
SLC只用关心有电子还是没有电子
后面的几种就是，在有没有电子的情况下还要关注它有多少，透过有多少电子的范围判断其数据状态

2.read disturb:

多次读取后造成过多电子进入浮栅层，扰乱了判断，浮栅层电子越多，读取时的阈值电压也相对变大，按照原有的阈值电压去读取就可能造成误判，造成数据错误

3.data retention:

存入浮栅层的电子在长时间没人管的情况下，偷偷跑掉了，电子遗失导致阈值电压减小，读取数据时造成误判，数据丢失

4.固件如何防止：

SSD固件在应对read disturb和data retention问题的时候，通常的做法就是设定一个阈值，当我读数据比较容易发生误判，需要多次尝试的时候，把数据再重新写一遍

好，那问题来了，data retention是电子流失，假如我把装满学习资料的SSD，断电保存当传家宝，若干时间后再拿出来恐怕就啥也没了吧？