想象一下，如果你的記憶力只在你醒著的時候起作用。每天早上起床的時候，腦子里一片空白！在你能做任何事情之前，你必須重新學(xué)習(xí)你所知道的一切。這聽起來像是一場噩夢，但這正是古早計算機(jī)所面臨的問題。當(dāng)電源關(guān)閉時，普通計算機(jī)芯片會“忘記”所有內(nèi)容（丟失全部內(nèi)容）。大型個人計算機(jī)通過硬盤驅(qū)動器的強(qiáng)大磁性存儲器來解決這個問題，無論電源打開還是關(guān)閉，它都可以記住事情。但更小、更便攜的設(shè)備，例如數(shù)碼相機(jī)和MP3播放器，需要更小、更便攜的存儲器。他們使用稱為閃存的特殊芯片來永久存儲信息。閃存很聰明，但也相當(dāng)復(fù)雜。它們究竟是如何工作的？

01

計算機(jī)如何存儲信息

計算機(jī)是處理數(shù)字格式信息的電子機(jī)器。他們不像人們那樣理解單詞和數(shù)字，而是將這些單詞和數(shù)字更改為由零和一組成的字符串，稱為二進(jìn)制（有時稱為“二進(jìn)制代碼”）。在計算機(jī)內(nèi)部，單個字母“A”存儲為八個二進(jìn)制數(shù)：01000001。事實(shí)上，鍵盤上的所有基本字符（大小寫字母 A-Z、數(shù)字 0-9 以及符號） ）可以用八個二進(jìn)制數(shù)的不同組合來表示。問號 (?) 存儲為 00111111，數(shù)字 7 存儲為 00110111，左括號 ([) 存儲為 01011011。幾乎所有計算機(jī)都知道如何用此“代碼”表示信息，因?yàn)樗枪J(rèn)的全球標(biāo)準(zhǔn)。它稱為ASCII（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）。

計算機(jī)可以用0和1的模式來表示信息，但是這些信息到底是如何存儲在其內(nèi)存芯片中的呢？舉一個稍微不同的例子會有所幫助。假設(shè)您站在遠(yuǎn)處，我想向您發(fā)送一條消息，而我只有八個標(biāo)志可以用來執(zhí)行此操作。我可以將旗幟排成一行，然后通過升起和放下不同圖案的旗幟將消息的每個字母發(fā)送給您。如果我們都理解 ASCII 碼，發(fā)送信息就很容易了。如果我舉起一面旗幟，您可以假設(shè)我的意思是數(shù)字 1，如果我放下一面旗幟，您可以假設(shè)我的意思是數(shù)字 0。因此，如果我向您展示以下模式：

您可以看出我正在向您發(fā)送二進(jìn)制數(shù) 00110111，相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù) 55，因此用 ASCII 表示字符“7”。

這和記憶有什么關(guān)系？它表明使用類似標(biāo)志來存儲或表示“7”這樣的字符，該標(biāo)志可以位于兩個位置（向上或向下）。計算機(jī)內(nèi)存實(shí)際上是一個包含數(shù)十億個標(biāo)志的巨大盒子，每個標(biāo)志都可以向上或向下。不過，它們并不是真正的旗幟——它們是稱為晶體管的微型開關(guān) ，可以打開或關(guān)閉。需要八個開關(guān)來存儲 A、7 或 [ 等字符。需要一個晶體管來存儲每個二進(jìn)制數(shù)字（稱為一位）。在大多數(shù)計算機(jī)中，其中八個位統(tǒng)稱為一個字節(jié)。因此，當(dāng)您聽到人們說計算機(jī)有這么多兆字節(jié)的內(nèi)存時，這意味著它可以存儲大約數(shù)百萬個字符的信息（mega表示百萬；giga表示數(shù)千萬或十億）。

02

什么是閃存？

照片：一個典型的 USB 記憶棒，將其拆開，里面是閃存芯片（右側(cè)的大黑色矩形）。

普通晶體管是通過電打開或關(guān)閉的電子開關(guān)?，這既是它們的優(yōu)點(diǎn)，也是它們的缺點(diǎn)。這是一種優(yōu)勢，因?yàn)檫@意味著計算機(jī)只需通過其存儲電路傳遞電流模式即可存儲信息。但這也是一個弱點(diǎn)，因?yàn)橐坏╇娫搓P(guān)閉，所有晶體管都會恢復(fù)到原始狀態(tài)，并且計算機(jī)會丟失它存儲的所有信息。這就像電子遭受了失憶癥的巨大攻擊！

斷電時“忘記”的存儲器稱為隨機(jī)存取存儲器（RAM）。還有另一種存儲器稱為只讀存儲器 (ROM)，它不會遇到此問題。ROM芯片在制造時就預(yù)先存儲了信息，因此當(dāng)電源打開和關(guān)閉時它們不會“忘記”它們所知道的內(nèi)容。然而，它們存儲的信息是永久存在的：它們永遠(yuǎn)不會被再次重寫。實(shí)際上，計算機(jī)會出于不同目的混合使用不同類型的內(nèi)存。它需要一直記住的事情——比如第一次打開它時要做什么——都存儲在 ROM 芯片上。當(dāng)您在計算機(jī)上工作并且需要臨時內(nèi)存來處理事務(wù)時，它會使用 RAM 芯片；該信息稍后丟失也沒關(guān)系。您希望計算機(jī)無限期記住的信息存儲在其硬盤上。從硬盤驅(qū)動器讀取和寫入信息比從存儲芯片讀取和寫入信息需要更長的時間，因此硬盤驅(qū)動器通常不用作臨時存儲器。在數(shù)碼相機(jī)和小型 MP3 播放器等小工具中，使用閃存代替硬盤。它與 RAM 和 ROM 有某些共同點(diǎn)。與ROM一樣，它在斷電時會記住信息；與 RAM 一樣，它可以一次又一次地擦除和重寫。

照片：Apple iPod，過去和現(xiàn)在。左邊白色的是一款老式經(jīng)典 iPod，擁有 20GB 硬盤內(nèi)存。右側(cè)較新的黑色型號配備 32GB閃存，這使得它更輕、更薄、更堅固（如果掉落則不太可能死亡），并且耗電更少。

03

閃存的工作原理——簡單解釋

數(shù)碼相機(jī)中的典型安全數(shù)字 (SD) 卡

閃光燈使用一種完全不同類型的晶體管，即使電源關(guān)閉也能保持打開（或關(guān)閉）狀態(tài)。普通晶體管具有三個連接（控制它的電線），稱為源極、漏極和柵極。將晶體管視為一根管道，電流可以像水一樣流經(jīng)其中。管道的一端（水流入的地方）稱為水源，可以將其想象為水龍頭或水龍頭。管道的另一端稱為排水管，水從這里排出并流走。在源極和漏極之間，擋住管道，有一個柵極。當(dāng)門關(guān)閉時，管道被關(guān)閉，沒有電流流動，晶體管關(guān)閉。在這種狀態(tài)下，晶體管存儲零，當(dāng)門打開時，電流流動，晶體管打開，并存儲一個值。但當(dāng)電源關(guān)閉時，晶體管也會關(guān)閉。當(dāng)重新打開電源時，晶體管仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，并且由于無法知道在斷電之前它是打開還是關(guān)閉，所以為什么我們說它“忘記”了它存儲的任何信息。

閃存晶體管有所不同，因?yàn)樗诘谝粋€柵極上方有第二個（“浮動”）柵極。當(dāng)門打開時，一些電流會從第一個門泄漏并保留在第一個門和第二個門之間。即使電源關(guān)閉，兩扇門之間仍然有電。現(xiàn)在，如果嘗試通電，存儲的電流會阻止電流流動，因此在這種狀態(tài)下，晶體管會存儲零，如果清除儲存的電量，電流又可以流過；在這種狀態(tài)下，晶體管存儲一個“1”。這就是閃存晶體管存儲信息（無論電源打開還是關(guān)閉）的方式。

04

閃存的工作原理——更詳細(xì)的解釋

這是對極其復(fù)雜事物的一種非常掩飾、高度簡化的解釋。

閃存中的晶體管類似MOSFET，只是頂部有兩個柵極，而不是一個。這就是閃存晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。見下圖，它是一個npn三明治，頂部有兩個門，一個稱為控制門，一個稱為浮動門。兩個柵極由氧化層隔開，電流通常無法通過氧化層：

我們?nèi)绾问褂盟鼇泶鎯?shù)據(jù)？源極和漏極區(qū)域都富含電子（因?yàn)樗鼈兪怯?n 型硅制成），但由于它們之間存在缺電子的 p 型材料，電子無法從源極流向漏極。如果我們向晶體管的兩個觸點(diǎn)（稱為位線?和字線）施加正電壓，電子就會從源極被拉到漏極。有些還設(shè)法通過稱為隧道效應(yīng)的過程蠕動穿過氧化層并卡在浮柵上：

即使正電壓被移除并且無論電路是否通電，電子都會無限期地停留在浮置柵極上。如果我們斷開位線和字線的正電壓，并嘗試使電流通過晶體管，從源極到漏極，則不會有任何電流流動：浮置柵極上的電子將阻止它。因此，在這種狀態(tài)下，我們說晶體管正在存儲零。通過在字線上施加負(fù)電壓可以將浮置柵極上的電子沖走。這會將電子排斥回它們來時的方向，清除浮動?xùn)艠O并允許電流再次流過晶體管。在這種狀態(tài)下，我們說晶體管正在存儲一個值。

這不是一個容易理解的過程，但這就是閃存發(fā)揮其魔力的方式！

05

閃存的使用壽命有多長？

閃存最終會磨損，因?yàn)槠涓訓(xùn)艠O在使用一定次數(shù)后需要更長的時間才能工作。人們廣泛引用的說法是，閃存在被寫入和重寫約“10,000 次”后會出現(xiàn)性能下降，但這是一種誤導(dǎo)。根據(jù)英特爾的 Steven Wells 1990 年代的閃存專利，“雖然在大約一萬次切換操作之后切換開始需要更長的時間，但在延長的切換時間對系統(tǒng)操作產(chǎn)生任何影響之前，還需要大約十萬次切換操作。”?無論是 10,000 還是 100,000，對于每周使用一次的 USB 記憶棒或數(shù)碼相機(jī)中的 SD 存儲卡來說通常都可以，但對于計算機(jī)、手機(jī)或其他日常使用多年的小工具中的主存儲來說就不太令人滿意了。繞過該限制的一種實(shí)用方法是操作系統(tǒng)確保每次擦除和存儲信息時使用閃存的不同位（從技術(shù)上講，這稱為磨損均衡），因此不會太頻繁地擦除位。實(shí)際上，現(xiàn)代計算機(jī)可能會簡單地忽略并“小心翼翼地繞過”閃存芯片壞的部分，就像它們可以忽略硬盤驅(qū)動器上的壞扇區(qū)一樣，因此閃存驅(qū)動器的實(shí)際實(shí)際壽命限制要高得多：大約在 10,000 和 100 萬次之間。尖端閃存器件已被證明可以耐受 1 億次或更多次。

編輯：黃飛