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固态硬盘，或者说闪存技术就是在各种技术中脱颖而出的那个胜者，它不是效率最高的那个，但却是性价比比较高同时适用场景相对广泛的一个技术。 那下面我们就来聊聊现在广泛使用的最新技术，也是购买储存设备的第一选择 —— 固态硬盘（SSD）。 
说到固态硬盘，大家对于它的第一印象应该都差不多，那就是快和贵。固态硬盘贵自有贵的道理，它技术原理上保证了速度与容量上限会不断刷新，同时摆脱了机械结构，不会像机械硬盘那样晃一下数据爆炸，还能做进小型化和各种奇奇怪怪形态的设备上。
虽然比起机械硬盘，现在固态硬盘仍然比较贵。但随着固态硬盘价格不断走低，以后它始终会成为我们的主力储存设备，机械硬盘只能退而其次成为担任仓库盘的角色，甚至不会再出现在我们电脑里（现在很多人的笔记本已经是这样子了），就像现在磁带的现状（20 后或者 30后的孩子们以后可能会奇怪地问我们，为什么以前的人们要把数据放在一个旋转的盘上）。
到了今年，也许我们闭着眼睛买固态硬盘，也不会有太差的体验，但固态硬盘作为一个新型储存设备，大多相关技术和参数对大众来讲比较高深和新颖，坑还是蛮多的。我们更要仔细了解一下固态硬盘的原理，工作方式，还有如何查看它的实际性能，帮助我们理解接下来实际去购买和使用的部分。
固态硬盘的历史
通常人们以储存读取部分有没有活动的机械部件，来区分固态硬盘和机械硬盘，下面出现的设备都满足这个条件。
如果我们自己买过 M.2 固态硬盘或者拆过固态硬盘外壳的话，就会发现里面有很多一个一个的颗粒，这些储存颗粒就是固态硬盘储存数据的地方。说起来有点神奇，而这些储存颗粒诞生的基础 —— 浮栅晶体管（MOSFET）和非易失性储存器（NVM，像是 EEPROM 这类的都是非易失性储存器）甚至比机械硬盘出现的更早，只不过机械硬盘的结构和原理注定了它开始阶段能发展得更快。 
最早使用非易失性储存器储存数据的装置可以追溯到 1950 年，还记得机械硬盘历史上最著名的厂商IBM 吗，这次首先应用这项技术的还是它（真的牛啤，我查了下 1950-1999 年 IBM 储存相关的专利，占了全球的 10% 以上）。那个时候甚至有两种技术同步发展：磁芯储存器和卡式只读储存器。
磁芯储存器的原理简单粗暴，把磁性材料制作成的小圈通过电线串起来排成阵列，每个小圈都可以磁化或者去磁，代表了 0 和 1，计算机就可以通过读取导线电压或者给导线输送电压，改变某个特定小圈的磁性来实现储存读取数据。 
更绝的是它的组装真就是手工，由女性工人使用显微镜手动穿线（有我们这边穿珠子兼职那味了）。之前 NASA 登月 50 年的时候，国内疯狂报道阿波罗卫星软件编程真的是「编织」出来的，指的就是磁芯储存器（阿波罗上面的约 32KB）。 
至于，另外一个卡式只读储存器（CCROS，好像没有正式中文名）原理就更简单了，可以想象成是一堆打孔铁片叠在一起。 
用专门的机器把编好的程序等等按照特殊的编码方式在铁片上打孔，然后交给计算机就能读取，这里就可以看出来数据是没有办法修改的，想要改数据只能重新找个新的铁片去打孔。这两个技术原理和制造实在是不太适合发展，所以在我们第一章提到的磁鼓储存器出来之后就迅速被淘汰了。
他俩的淘汰其实跟真空管时代结束是一起的，之前计算机是用真空管 —— 把电路封装在玻璃管里形成二极管/三极管等等，然后用它们来实现计算机最基础的与（A 和 B）或（A 或 B）非（非 A 非 B）门，第一台电子计算机就是这样出现的。和真空管时代结束后就来到了我们现在很熟悉的半导体时代，半导体时代的计算设备干的还是真空管时代计算设备的那些判断，不过真空管变成了半导体制作的浮栅晶体管，由于半导体晶体管可以通过「生长」快速巨量制造出来，而且理论上可以做到非常小，比如现在我们所说的 5nm 纳米 CPU 工艺，就是可以把一个晶体管里的沟道长度做到 5 纳米大小，所以才会有我们现在的算力大爆炸（详细的原理我们下面原理部分会介绍）。 
现在还用真空管的，基本上就只剩下 HiFi 发烧友们玩的功放了（在广东真空管又叫做胆，胆机就是这样来的），而半导体和 1959 年在贝尔实验室发明的晶体管几乎是现在所有数码设备的基础，储存设备也不例外，接下来出现的技术和设备都是使用半导体的了。
固态硬盘的前身：Bulk Core
时间来到了 1976 年，一家名为 Dataram的名字很直白的公司推出了 Bulk Core 这个很多人认为是第一个固态硬盘的设备，一个 41 厘米长床头柜那么大的箱子，号称比机械硬盘快 1 万倍，由 8 个 256KB 的单元组成 2MB 的容量，最重要的是这些单元使用了半导体来制作内存模块。
其实在它出现之前也有电可变储存器和其他几种半导体储存技术出现，基本都是各家自己研制然后用到自己的超级计算机上。但这些都不属于可以量产的级别，而且价格贵到离谱。
即使放到 76 年后固态硬盘的价格也不是一般公司能够承受得起的，Bulk Core 价格查不到，但是同时期推出的给 IBM 大型机使用的 STC4305（它用来储存的技术和我们现在相机的成像原理很像），45MB 售价 40 万美元，相当于现在的 167 万美元（dollar times，2021），在那个年代买家公司给自己打工几十年都够了，大家自己仔细品品。
在 ROM 出来之前大部分固态都是使用 RAM（也就是我们今天运行内存那种）保存数据的，需要电池来维持数据，断电之后数据便会丢失。
固态储存设备的基石：浮栅晶体管/（只读）储存器 ROM
半导体和晶体管可以说是现在整个电子世界的基石，而浮栅晶体管其实是 1967 年由亚洲人发明的，分别是韩裔美国工程师 Dawon Kahng（姜大元）与华裔美国工程师 Simon Min Sze（施敏）。
关于浮栅晶体管的原理和结构我们会在下面介绍，浮栅晶体管也是半导体晶体管的一种，它之所以和现在 CPU 使用的晶体管区别开来，并且适用于储存设备，是因为它被高电阻材料包围的结构特性，可以让其中包含的电荷在很长一段时间内保持不变，注意这个很长一段时间指的是以 10 年以上。
姜大元和诗敏不仅发明了浮栅晶体管，而且提出了实际的应用场景 —— 利用浮栅组成的储存单元制作出只读储存器（EPROM）。
我们现在常见的 ROM 其实就是只读储存器（Read-Only-Memory）的缩写，EP 指的是可擦除（Erasable）可编程（Programmable）。也就是说它可以通过高电压的设备把数据放进浮栅晶体管储存单元里，之后就没办法修改了，所以说是只读。而可擦除则是利用强紫外线来直接把浮栅晶体管里面的电荷都放跑，这样就达到了擦除的效果，之所以只能用紫外线，是因为浮栅晶体管本身被高电阻材料包围，很难用电去「吸」出里面的电荷。
后来人们在这个基础上发明了 EEPROM，也就是我们接下来介绍的闪存 Flash 的前身。它多出来的这个代表电（Electric），指的是这个 ROM 可以被高电压擦除（电子隧穿效应，下面会详细介绍），然后重新写入数据，这个基本就是 1980 年代后的事情了。
说个我们小时候，现在年轻人可能碰不到的例子：游戏机的卡带，比如我小时候玩的任天堂 GBA 的卡带，拆开就会发现里面有一块黑黑的一坨东西，或者一大块黑黑的芯片，那个就是装着游戏本体的 EPROM，而另外小的一块用来写入存档的就是 EEPROM（有时候也会合并到那一大坨黑黑东西里面）。
以前我们老是觉得玩游戏存档速度要存到天荒地老，就是因为 以前 EEPROM 技术限制只能单字节擦除和写入，这个速度写个存档可以想象速度想快也快不起来。
同时因为 EEPROM 和 EPROM 其实都是同一种浮栅晶体管，受到强紫外线照射会把储存器清空，而阳光里面最不缺的就是紫外线，所以以前我们老是发现卡带放久了就会「掉档」（有过掉档重玩的痛苦记忆的同学可以留个评论哈哈），就是因为放存档的 EEPROM 里面电荷都被阳光（通常几个星期）或者室内的荧光灯（可能要几年）晒跑了。
这两项储存器先天结构就优于当时的机械硬盘，单从速度方面也比当时的机械硬盘快几十倍，所以当时一些固态储存公司开始发展起来，比如我们现在常见的闪迪就是这个时候进入市场的。英特尔也开始研发闪存，同时用固态给处理器加速（现在傲腾加速条系列也保留着那个时候的基因），很多人还开始给自己的个人电脑配上了固态（不是用来储存，太贵了，只用来加快电脑运行）。
这个时候的固态硬盘其实已经有进入民用的条件，1980 年 256KB 的固态储存才 1000 美元左右（折合现在 3000 美元），按照当时的电脑价格来讲并没有到离谱的程度。 用到现在的成熟技术：闪存 Flash
1980 年，在东芝工作的日本科学家 Fujio Masuoka（舛冈富士雄）在 EEPROM 基础上发明了闪存。这位科学家也是个牛人，EEPROM 的前身 SAMOS 储存器也是他发明的，闪存应用之后，他的团队还发明了第一个 3D 晶体管（GAAFET），优势是可以在 7 纳米以下的尺寸工作，直到现在 3 纳米 GAAFET 还是世界上最小的纳米电子器件，2021 年都还没有实现量产，这位牛人可谓是包圆了固态储存领域。
实际上 NOR 和 NAND 闪存都是舛冈富士雄先后（1980,1986）发明出来的，但他的发明在东芝却不被重视，还要自己拿着样品去参加 IEEE 大会，引起了轰动后被英特尔注意到才大力研发，甚至发明 NAND 闪存后只有几百美元奖金和一个闲职，这也导致了后来富士雄 2006 年起诉东芝，获得百万美元赔偿的结果。
作为发明公司，东芝是第一个开始卖闪存固态的，1987 年推出了他们的第一款商用 NAND 闪存，1988 年英特尔推出了第一款商用的 NOR 闪存，但东芝不受重视的态度让它基本没有市场，英特尔则靠着相关技术霸占市场，获得了几十亿美元的利润。
闪存分为两个类型，平时我们或许听过 NAND 和 NOR 闪存就是指这两个类型，从名字就可以看出它们是用原理对应的逻辑门来命名的，具体原理下面会讲。简单来讲就是之前那些 ROM 必须完全擦除才能重写，速度又慢又浪费寿命，而闪存可以做到按块/页进行擦除，写入和读取，而且可以做到很快速的擦除，闪存的名字是按照发明者同事的建议命名的，擦除过程就是像闪光灯一样迅速，所以叫做闪存。闪存就是为了「更快」而诞生的。
从结构上看，这两款闪存的区别是：
NAND 闪存单元体积比较小，所以密度更高，同样成本可以做到更大容量，同时按块方式让擦写读取速度都很快，擦写寿命也比较长；缺点是必须按照块来擦写，也没有真正的随机访问能力，也可靠性相对较低。
NOR 闪存单元体积比较大，容量就很小，擦写速度非常慢，但读取速度很快。可以按字节为单位提供真正的随机访问能力，这意味着它可以就地执行代码（不用把代码搬到运行内存），可靠性也比较高，也因为如此擦写寿命比较短。
从这两个闪存类型可以看出，NAND 容量大读写都快的特点适合做大容量储存，事实上我们现在的固态硬盘基本都是 3D NAND 闪存；而 NOR 可以就地执行代码和真正随机访问的能力，加上很快的读取速度就非常适合用来装程序文件，比如主板上的 BIOS 通常就是 NOR 闪存。这两个类型和它们的详细区别在下面都会详细介绍。
从这里开始就是我们熟悉的固态储存世界了，闪存单元能做到在微观尺寸正常工作，意味着只要工艺一直提升，（物理极限下）同体积容量就能够做到越来越大。1991 年闪迪为 IBM 研发了世界上第一个 2.5 寸闪存固态硬盘，20MB 容量只要 1000 美元；之后 10年固态硬盘容量迅速突破 GB 级，1996 年 ATTO SiliconDisk II 就达到了 1.6GB，2000 年 E-Disk ATE35 3.5 寸固态硬盘就有 19GB 可选，2003 年就有 TB 级别的系统，接下来就是我们熟知的大公司入场，各种合并收购，形成现在的局面了。
虽然价格是一大阻碍，但相比脆弱的机械硬盘，可靠的固态硬盘在军用，商用和民用领域都发展非常迅速，价格也从之前的天价迅速降到现在 1G 不足 1 块钱。 固态硬盘 SSD 的结构和原理
我在前面就给大家谈到，现在固态硬盘大部分都是用 3D NAND 闪存颗粒（我们常常听说的 SLC/MLC/TLC/QLC 什么的就是不同工作模式下的闪存颗粒），闪存颗粒其实就是很多很多浮栅晶体管制成的储存单元，所以在这个小节我们会从浮栅晶体管的原理讲起，带你从头到尾了解固态硬盘的工作原理，不过不同于机械硬盘拥有直观的机械结构，固态硬盘的工作基本上都发生于纳米级别的微观世界，甚至是基于量子力学的工作原理，会比机械硬盘难理解一点，想要了解的同学们一定要有耐心一点。
在进一步介绍固态硬盘的结构和原理之前，我们先来了解一下固态储存器的几个分类。 易失性和非易失性储存器
从名字应该就可以看到它俩的区别，虽然都是把比特信息储存在电容器和晶体管组成的储存单元里，都是用晶体管里面的电荷多少来代表 1 和 0，但是易失性储存器一旦断电储存单元上面的信息就会很快丢失，而非易失性储存器即使断电也能保存授权单元上面的数据，简单来讲就是断电丢不丢数据的区别。
因为易失性储存器的晶体管不像非易失性储存器那样，有高电阻材料去留住电荷，需要高电压还有量子隧穿效应来读写数据，所以它工作需要的电压更低（通常在 1-2V 左右）并且读写速度更高。我们常见的内存条 RAM 就是一种易失性储存器，如果我们对好的内存条跑分，就会发现它的读写时间是在纳秒级别，而且读写速度几十 GB/S 以上，比固态硬盘之类非易失性储存器的性能好上一个量级。
这也解答了很多人为什么不用内存来做固态硬盘的疑问，因为不严格来讲正是因为「易失」所以才「快」。非易失性储存器我们上面也讲到了，浮栅晶体管的特性让它即使断电也能将数据保存 10 年以上，但多出来的一层高电阻材料让非易失性储存器读写速度和随机读写能力比起易失性储存器就要差上不少，这也是为啥现代计算机需要用运行内存作为储存器和 CPU 之间的「桥梁」，因为易失性储存器拥有纳秒级别的随机读写能力，让它更能跟上 CPU 思考的速度提供数据，免得 CPU 没有数据进行计算，只能干等。
有关于随机读写能力的重要性，还有内存条等易失性储存器等详细的结构工作原理，会在接下来其它储存设备的部分讲解。 固态硬盘的基础：NAND/NOR Flash 闪存
在机械硬盘部分，我们报废了一个机械硬盘才能看到它里面的结构，而固态硬盘就简单多了，特别是现在的 NVMe 固态硬盘，直接就能看到所有的硬件结构。
别看电路板什么的，看起来很复杂，但其实主要部件就两个 —— 用来放数据的储存颗粒和用来控制数据的主控芯片，有些固态可能还会有一个缓存 DRAM 颗粒。
先来说说放数据的储存颗粒，现在固态硬盘绝大部分都是 NAND 闪存，可以说现代设备能存点什么数据，那基本上离不开它。而 NAND 闪存的基本存储单元就是浮栅晶体管，我们常见的颗粒就是大量的它叠起来的。
闪存最基础的结构：浮栅晶体管
我们先来看一个最简单的平面浮栅晶体管截面结构图，浮栅晶体管还有其它几种类型，我会放在后面文章简单提及一下：
为了方便大家理解，这里同时放上每个组成部分使用的材料，可以看到浮栅晶体管有一个硅底座（我们叫它 P- ），左右分别用铜制作的端点来向另一种硅材料制成的 N级施加电压和检测电压，以读取中间储存结构的电荷量，所以我们叫它们 N+ 源（左边，加检测电压时电子从这边流入）和 N+ 漏（右边如果导通，电子从这边漏走到检测电路），由于它俩是对称的，所以源和漏极可以互换。
中间则是利用特殊工艺制作的储存结构，在硅底座上面「生长」出一块完全绝缘的二氧化硅，然后通过另一种特殊工艺在中间生成可以储存电荷的材料，比如多晶硅或者其它金属。然后在整个结构的顶上再加一层铜做的控制级（用来加写入电压）。
顶上这层就叫做控制栅，而储存电荷的材料就叫做浮栅。之所以叫浮栅，因为它是整个被二氧化硅包裹的，像是浮在水里面一样，如果有电子跑进了浮栅，在不施加高电压的情况下，由于周围都是绝缘材料，它是跑不了的，所以电子在里面能够保存数十年。顺便一讲运行内存 RAM 这些断电就没数据的颗粒，结构也和这个类似，就是少了中间的浮栅而已，至于为什么不弄我们放到其它储存设备那部分讲。 看到这里你已经把机械硬盘，结构原理相关的内容都学得差不多了，实际上固态硬盘的结构原理部分涉及到的知识，甚至比我介绍要复杂得多。
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