存滿數據的硬碟是不是比空硬碟重？

來自專欄 UEFI和BIOS探秘338 人贊了文章

平時就喜歡聽喜馬拉雅的《卓老闆聊科技》，作為路上打發時間的利器，卓克的這個節目強調科學思維，其內容深度和廣度確實讓我大開眼界。昨天偶爾聽到一集，關於「存滿數據的硬碟是不是比空硬碟重？」的問題，角度十分刁鑽，讓我也開了腦洞。不過，其中關於SSD固態硬碟的存儲部分有些許錯誤，雖然瑕不掩瑜而且結論正確，我還是想要澄清部分對SSD原理廣泛的誤解。

和卓克一樣，我也將硬碟分為傳統磁介質硬碟和固態硬碟兩種，兩種硬碟有不同的答案。和他不同的是，我希望從空硬碟什麼樣，存滿數據的硬碟什麼樣的角度來推導出結論。

空硬碟什麼樣？

大家買回去的硬碟上面什麼也沒有，還需要重新分區等等操作，是不是硬碟上面就空空如也，什麼也沒有呢？其實並不是。

磁介質機械硬碟出廠時做過低級格式化，拿到用戶的手上時已經被寫入柱面、磁軌、扇區等等信息，在沒有內容的數據區，都被磁化成0的內容。所以空機械硬碟是絕大部分為0內容，很小部分為數據（假設0，1參半）。

SSD存儲介質採取NAND Flash。為了簡化起見，我們只討論SLC。MLC/TCL/QLC也類似，並不影響結果。空的SSD出廠前已經被寫入原始的FTL映射表，空閑塊也已經被預擦除（不是必須，結果一樣）。和卓克認為的不一樣，被擦除後是全1，也就是說空SSD是絕大部分是1，很小部分是數據（也假設0，1參半）。

存滿數據後有什麼變化？

為了簡化起見，我們假設存滿的數據也都是0，1參半。那麼存滿數據後硬碟發生了什麼變化呢？

磁介質硬碟數據是通過調整磁介質磁極方向來存儲的。卓克的比喻十分形象，這裡借用一下：機械硬碟是一個筐子，磁介質是裡面放的很多香蕉。0是香蕉把朝北，1是香蕉把朝南。存滿數據就相當於，原來香蕉把都朝北，現在一半朝北一半朝南。請問筐子重量會不會變化呢？當然不會！

SSD的NAND Flash存儲，卓克認為是測量被囚禁在浮動柵（Float Gate）裡面的電子的數量，大於100就是1，小於就是0。因為電子有質量，因為空的SSD以前都是0，現在被囚禁了很多電子，導致0，1參半，所以會重一點點。但是我們前面提到，空SSD實際上絕大部分是1，存滿數據實際上是0變多了，那是不是意味著存滿數據，SSD變輕了呢？

實際上，是會重一點。卓克犯了兩個錯誤，負負的正，結論反倒是正確的。實際上存0比存1重，所以SSD會變重點。那麼為什麼存0反倒比存1重呢？這要從NAND Flash的存儲原理說起。

快閃記憶體的工作原理

快閃記憶體的基本原理在1980年代之後基本就沒有變化過。它的構成和場效應管(MOSFET)十分類似：

它由：源極（Source）、漏極（Drain）、浮動柵（Float Gate）和控制柵（Control Gate）組成。相對場效應管的單柵極結構，快閃記憶體是雙柵極結構。浮動柵是由氮化物夾在二氧化硅材料（Insulator）之間構成。

我們的寫操作（Program)是這樣：

在控制柵加正電壓，將電子（帶負電）吸入浮動柵。在此後，由於浮動柵上下的二氧化硅材料並不導電，這些電子被囚禁（Trap）在浮動柵之中，出不去了。這樣無論今後控制柵電壓有否，這個狀態都會保持下去，所以快閃記憶體可以掉電保存數據。注意寫操作完畢後，該快閃記憶體單元存儲的是0，後面我們將會介紹為什麼。

我們的擦除操作（Erase）剛好相反：

在源極加正電壓利用浮空柵與漏極之間的隧道效應，將注入到浮空柵的負電荷吸引到源極，排空浮動柵的電子。這時讀取的狀態是1。

那為什麼有電子是0，沒電子是1呢？以為讀取的時候，需要給控制柵加一個低的讀取電壓，對於被Program過的快閃記憶體單元來說，被囚禁的電子可以抵消該讀取電壓，造成源極和漏極之間是處於被關閉的狀態：

如果是被擦除過的就剛好相反，源極和漏極在控制柵的低電壓作用下，處於導通狀態：

也就是說通過向控制柵加讀取電壓，判斷漏極-源極之間是否處於導通狀態來讀取快閃記憶體單元的狀態，如果被Program過的，就是處於關閉OFF狀態，為0；而被Erase過的，就是處於導通狀態ON，為1。

總結一下，就是浮動柵（Float Gate）裡面沒有電子，就是1；如果有電子，就是0。因為0有少許電子，比沒有電子的1的狀態要重一些。空的SSD大部分是1，沒有電子；寫滿後0狀態變多了，有了更多的電子，所以重一些。

結論

存滿數據後，機械硬碟只有磁級變化，質量不變；而SSD因為鎖住了更多的電子（但要記住，是0變多了，而不是1），所以變重了，儘管只有幾乎可以忽略的一點點！

生活中真是充滿了各種有趣的意想不到的知識！

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