固态硬盘的工作原理，固态硬盘掉电也能存储数据的原理

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固态硬盘主要由主控、缓存、闪存组成，数据通过接口进入主控，经主控中转调配后储存到各个闪存颗粒中。闪存的基本存储单元是"浮栅晶体管"

浮栅被二氧化硅包裹，和上下绝缘，即使在去除电压之后，栅极内的电子也会被捕获，断电时也能保存电子，这就是固态硬盘掉电也能存储数据的原理。

现在浮栅中的电子数量高于中间值，表示“0”，如果要写入成"1"，要先擦除才能写入，在P级上施加正电压，浮栅中的电子会因为量子隧穿效应，穿过隧穿层被吸出来，现在浮栅中的电子数量低于中间值，表示1。

在控制栅施加正电压，这使得来自源极的电子穿过隧穿层并到达浮柵层，每次隧穿所需的电压取决于隧穿层的厚度，现在浮栅中的电子数量高于中间值，表示0

如果要读取数据，往控制极加一个较低的电压，就能导通这两个N级，因为电压较低，不足以让电子隧穿，而存储“0”的浮栅相比储存“1”的浮栅有更多电子，会抵消控制极的电压，所以控制极需要更大的电压才能导通两个N极，因此通过阈值电压的不同，来判断浮栅中是否有电子。单元中的电压与阈值电压进行比较，高于阈值电压识别为0，低于阈值电压识别为1。

每次对单元进行编程或擦除时，一些电子都会卡在氧化层中，抵消控制级的电压，这些电子的累积，使得控制极为了导通两个N极所需的电压越来越大，一旦氧化层不能够在编程和擦除状态之间找到可靠的区分点，则该单元被认为是坏的。

单阶存储单元SLC，电子数量只有两种状态，每个存储单元只能存储1bit的数据，由于只有两个级别，因此两个级别之间的电压余量非常“宽”，这使得读取单元的速度更快，原始误码率很低，因此微小的电荷泄漏具有相对较低的影响。同时也有一个缺点，就是相较于多阶存储单元，每个单元的成本更高。
MLC每个存储单元能存储2bt数据，有4种状态，阈值电压与3个电平进行比较。

TLC每个存储单元能存储3bit数据，有8种状态，阈值电压与7个电平进行比较。

QLC每个存储单元能存储4bit数据，有16种状态，阈值电压与15个电平进行比较，相较于单阶存储单元，多阶存储单元每个级别之间的电压“宽”度就分得非常细，寿命更短,读取速度更慢。多阶存储单元通过更多级别进行比较，读取操作需要更加精确，原始误码率高，任何电荷泄漏都会产生更大的相对影响，优点是单位容量高，成本相对较低。

现在你看到的单位是“块”，字线同时连接这一页上的所有晶体管的控制极，听以写入时都是以页为单位写入和读取数据的，每一列的浮栅晶体管都是串联的，它的每一列的两端，都有两个普通晶体管，两个晶体管的开关状态就可控制读写

给需要写入数据的字线高压，这一行的浮栅晶体管都会被注入电子，那么就要阻止其他浮栅晶体管注入电子，给不需要写入数据的字线一个较低的电压，导通位线，给不需要写入数据的位线一个电压，就能带走电子，阻止注入电子
给P极一个电压就可以擦除数据，要注意的是，因为整个块都共用一个P极，所以闪存都是以块为单位擦出数据的。

给不需要读取数据的字线一个较低的电压，导通位线，给不需要读取数据的位线一个电压导通即可，这样不需要读取的浮栅都被导通了，给控制栅加读取电压，判断漏极-源极之间是否处于导通状态。

以MLC为例，如果一个浮栅晶体管储存2bit数据，一页是4K就需要16384个浮栅晶体管，有256个页，一块就是1M，一个512GB的闪存就需要524288块，指甲盖大小的颗粒中就有2万亿个浮栅晶体管。主控过若干通道并行操作多块闪存颗粒，类似Raid0,这样大大提高了底层带宽。缓存虽然叫做缓存，但其实闪存并不需要缓存帮忙写入数据，主控每把一笔数据写入闪存中时，便会记录下该数据的逻辑地址到物理地址的映射关系，也就是映射表。

其中映射表设置了两个区块池，一个是空闲池，一个是数据池，空闲池记录的就是空闲块的地址，数据池记录的就是有效数据的地址，这样当想要读取数据时就会根据这个映射读取到真实的数据，缓存就是用来储存这张映射表的。

如果没有缓存颗粒，就会使用闪存颗粒中的部分空间来做缓存，写分为新写入和覆盖写两种，主控根据空闲池中的“地址”找到新的块，将数据写入到页，主控会把数据存放的“地址”记录到数据池中。

主控根据空闲池中的“地址”找到新的块，将现有的数据和需要改写的数据合并为新的，一起写入到页，将“地址”记录到数据池中，旧数据的“地址”就会被删除，而不是擦除块，这就是固态硬盘删除数据还有机会能找回的原因。

就是垃圾回收机制，主控根据空闲池中的“地址”找到新的块，根据数据池的地址，将有效数据迁移到新的块，将有效数据的地址记录到数据池中，然后擦除块，将块的“地址”记录到空闲池中，注意,如果整个块并没有被写满，但是块上有无效数据，主控并不会直接擦除块，而是把有效数据，写到其他页上继续使用，这就造成了写入放大。

覆盖写时会将现有的数据和需要改写的数据合并为新的，写入另一个块中，原本就已经写入过一次了，再加上这次搬迁就又多了一次写入，如果块上有无效的数据，会连同无效数据一起搬到别的块上，这样写入量变的更大，就会增加硬盘负担，影响闪存速度和闪存寿命。

禁用删除通知机制，刚好弥补了这一缺点，作为底层的固态硬盘并不知道哪些数据是有效的，哪些是无效的，禁用删除通知只是一种命令，只负责通知固态硬盘哪些是无效数据，这样覆盖写时就不会把无效数据，搬运到新块上了。

禁用删除通知命令是和垃圾回收是互补的，禁用删除通知命令给主控的可删除数据越多，垃圾回收操作需要转移的数据就越少，也就延长了硬盘的使用寿命，还有什么方法可以延长硬盘的使用寿命吗?动态磨损平衡

动态磨损平衡，主控在使用块进行擦写操作的时候，优先挑选写入次数低，相对年轻的块，还有更复杂的，静态磨损平衡，主控会把长期没有修改的老数据从年轻块当中搬岀，迁移到年老的块中，腾出年轻的块使用，如果所有闪存容量为256G，开放给用户使用也是256G，现在,我们把全盘写满，接着删除一些文件，能不能写入新的数据呢?

答案是不能，因为空间已经满了，无法把它回收到空闲池，在固态硬盘底层，如果要写入新的数据，必须要有可用的空闲块，才会擦除待回收的块到空闲池中，这样就需要部分预留空间，这就是买的256G的硬盘只有240G的原因

这部分空间主控是看不到的，这部分预留空间，不仅仅用做垃圾回收，事实上，SSD内部的一些系统数据，比如SSD固件,SSD系统管理数据，映射表也需要预留空间来存储。

总结，闪存需要先擦除才能写入,不能覆盖写。闪存是有寿命的每擦除一次寿命便会减少一点，删除的数据,并不会被马上擦除,只是逻辑地址被删除了所以被删除的数据还有一定的机会找回。缓存虽然叫做缓存,但其实闪存并不需要缓存帮忙写入数据。固态需要部分预留空间来作为缓存,垃圾回收,存储固件,存储系统数据等，这就是你买的固态硬盘标注容量，会比实际容量少的原因

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