计算机原理之固态硬盘和磁盘的原理分析

硬件计算机原理

一.计算机原理之固态硬盘和磁盘的原理分析

1.1 磁盘(机械硬盘)

磁盘也就是我们常说的机械硬盘. 英文全称是: Hard Disk Drive

机械硬盘的构造部分如下:

写入数据的时候,磁头会利用电磁体改变磁盘上磁性材料的极性来表示0或1.读取数据的时候,磁头也可以识别当前区域磁性材料的极性,这样就可以识别出0或1了.

磁盘上的最小区域单位是扇区,所以磁头如果要找到指定位置的数据,需要在电机驱动下先找到对应的磁道,然后再旋转磁盘到指定给的扇区.

这样寻找数据的延迟大概是十几毫秒,所以当磁盘在读取分散在磁盘的不同位置的数据的时候,耗时会更多.

1.2 固态硬盘

固态硬盘(Solid State Drive)的数据存储在闪存中,闪存也是一种存储硬件设备,它的最小存储单元是浮栅晶体管.

浮栅极的上下是二氧化硅,在断电后,也可以保存电子.

当浮栅极中的电子数量超过某个中间值时,表示0,少于某个中间值的时候标识1.

当需要写入数据的时候,可以在P极上添加一个电压(这个过程也叫做擦除数据),这样浮栅中的电子由于<量子隧穿效应(感兴趣的同学可以参考下我的另一篇博客)>从绝缘层中进入P极,这样浮栅中的电子就低于中间值了,也就是等于写入了1.

相反,如果在控制极添加一个电压,那么电子就会重新回到浮栅中,这样就等于写入了0.

读取的时候,我们是无法知道浮栅中的电子的数量的,但是在控制极添加一个电压,可以让两个N极导通,形成电流,浮栅中的电子会抵消部分电压,所以如果浮栅中的电子数量越多,那么导通两个N极需要的控制极添加的电压就越大,所以我们可以在控制极添加一个中间值电压,如果两个N极导通,就说明当前电子较少,是1,反之则是0.

如下图,可以看到,当加上中间电压的时候,只有表示1的(电子较少)浮栅晶体管的两个N极才会被导通.

每个浮栅晶体管中存储数据的量我们称为存储层级颗粒,英文是Level Cell,不同的固态硬盘采用不同的存储层级结构,其中有以下几种类型:

单层单元（Single Level Cell，简称SLC）
多层单元（Multi Level Cell，简称MLC）
三层单元（Triple Level Cell，简称TLC）
四层单元（Quad-level cells，简称QLC）

层级越多,一个浮栅晶体管可以存储的数据就越多,这样相同容量的固态硬盘造价就越便宜.比如SLC是4-8元/GB,而TLC则只需要1元/GB,所以整体价格上也是相差很大.

当晶体管擦除数据的时候,一部分电子会被绝缘层困住,这里困住的电子随着固态硬盘使用时间的增长会越来越多,那么就导致在N极添加的可以导通两个N极需要的电压越来越大

当积累的电子达到一个阈值后,需要的电压超过了可以区分0,1的中间电压值(这个中间电压在一开始就是固定的了),那么固态硬盘就无法正确读取数据了.

所以,当存储层级颗粒越多时,因为区分不同二进制数据的中间电压相差就越小,所以越容易出现由于电子被困导致的中间电压识别数据失败.

所以嘛,一分钱一分货!!!!都是有它的原理的!!!!

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最后编辑时间为: 2023/09/02 23:30