突然看到JEDEC(固態技術協會)的一個標準文件,上面顯示,固態硬盤里面的數據,只要保證存儲一年的時間不損壞,就算是符合標準了,我的心里立馬泛起了波瀾。那一年之后,這些數據會怎樣呢?我的數據在一年之后還安全嗎?
我們日常用于存儲的設備,除了固態硬盤,還有機械硬盤和U盤,內存卡,以及手機里的內存等,那么,這些設備是否也都只能存儲一年呢?
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如果你有一樣的疑問,那就跟著我一起,今天好好研究一下這個問題。
首先,我們看看硬盤的存儲原理。
機械硬盤通過磁頭在旋轉的盤片上讀寫數據,盤片表面涂有磁性材料,磁頭通過改變磁性方向記錄0/1信息。磁性方向的改變,屬于機械變化,相對牢靠,在沒有強磁場、劇烈震動等外界因素影響的情況下,5-10都不會發生變化。在實驗室環境,條件適合的情況下,甚至能超過50年。
固態硬盤是采用NAND閃存來存儲數據的,它是一種靠存儲電荷來表述存儲數據的技術。這些存儲電荷的單元,就叫做閃存單元,每個閃存單元,通常由一個或者多個晶體管組成。
這個閃存單元,分為SLC(單層單元)、MLC(多層單元)、TLC(三層單元)和QLC(四層單元)等類型。具體的信息對比我就不都說了,大家可以看下圖。
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我們以SLC為例,1個晶體管存儲1個bit,8個晶體管就可以存儲1個字節。這里我多說一句,英文字母,數字,運算符號,這些,一個字母就是1個字節,我們的漢字,一個字是占兩個字節的。
晶體管其實是一個比較大的泛稱,具體到固態硬盤里面,這個類型是浮柵晶體管。浮柵的字面意思,就是漂浮的柵欄。這個形容非常形象,因為浮柵晶體管確實就是里面是由多晶硅組成,外面是一層二氧化硅絕緣體。
當控制柵得到高電壓的時候,電子產生隧穿效應,通過絕緣層,進入到浮柵。這些電子被困住,留在浮柵里面,就是我們保存的數據。
如果要釋放浮柵里的電荷,也就是要清空數據,只要施加反電壓即可。
如果要讀取里面的數據,只需要測試源極與漏極是否導通就行。原理是得到電壓,襯底里的電子就會移動,在源極與漏極之間形成一條可以導通電流的線路,視為1。如果被困在浮柵里的電子比較多,襯底里的電子不夠排列,那就無法導通,視為0。
這就是NAND閃存存儲、刪除、讀取數據的原理。
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從這個原理我們可以看出,NAND閃存里面,主要磨損的部件,就是這個二氧化硅絕緣層,因為電子要從上面穿來傳去嘛。絕緣層經過長期的磨損,肯定就不牢靠了,電子存在自己從浮柵跑出來,進入到襯底的可能。也就是我們前面提到的,保存的數據,有丟失的風險了。
有人說,那你把這個絕緣層加固,搞厚一點不就行了嗎?那么,電子隧穿需要的電壓就要增加,速度也會大大降低,也就是,我們存儲數據的速度就會大幅度減慢。所以,這肯定是不行的。
由于SLC需要8個晶體管才能存儲1個字節,成本是相當高的,所以,后來又出現了MLC、TLC和QLC。這些類型的原理跟SLC類似,但比SLC復雜。SLC的浮柵內部,就兩種狀態,要么有電子,要么沒有電子。而MLC、TLC和QLC通過精準控制浮柵內電子的多和寡,讓同一個浮柵表達出了多種狀態。最終的結果,到QLC的時候,一個浮柵晶體管存儲的數據,達到了SLC的4倍,4個bit。這四種類型閃存單元上面有提到,具體信息可以上翻查看。
但是,由于QLC一個浮柵晶體管,要表達多種狀態,所以,對于其體質的要求也更高了。SLC只要判斷浮柵里有沒有電子就行,所以,電壓的高低,其實影響不大,哪怕絕緣層磨損嚴重,也能很容易判斷。但是,QLC要通過電壓的精準區分來判斷浮柵內的狀態(具體來說,是有16種狀態),絕緣層磨損稍微大一點,這個狀態就不準確了。
另外,SLC操作數據存儲、讀取、擦除的時候,只需要進行充放電就行,一次就可以完成。但是,QLC一個浮柵要表達16種狀態,所以,一次操作,電子要穿越絕緣層很多次,磨損大大增加。
最終的結果就是,兩者的壽命差距巨大,SLC的壽命最高可達QLC的1千倍。
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說完原理,我們再來說一開始的問題。其實,這個標準里所說的數據保存一年,是在完全斷電的情況下,并且是對于產品的最低要求。我們只要隔個三五個月給固態硬盤、U盤等通一下電,這個斷電時間就要重新開始計算了。
至于固態硬盤、U盤通一下電就能進行一次刷新的原因,是固態硬盤里面有控制器存在,控制器在通電并且不需要進行數據讀寫的時候,會對所有存儲單元進行檢查,發現電荷不足,會重新寫入。
另外,影響這些固態存儲設備存儲數據時間的一個重要因素是溫度,溫度越高,存儲時間越短。根據JEDEC(固態技術協會)的指南,消費類的固態在30°C的環境下,可離電保存52周。而溫度降低到25°C的時候,這這個時間就會拉長到105周。相反,溫度提高到35°C的時候,這個時間就會縮減到26周。
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雖說,環境溫度對于固態設備存儲數據的時長影響非常明顯,但是,這個因素并不是我們所能控制的。我們所能做到的,就是定時給自己的存儲設備通一下電,避免設備長時間離電。
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