幾乎每天，我們都會用智能手機或電腦來保存圖片、視頻、文檔等數據，很多人也知道數據能夠保存是由于設備中有一個叫做「硬盤」的組件存在，但也有很多人不知道硬盤是怎樣儲存這些數據的。本著「知其然，也要知其所以然」的精神，本期，閃德君就給大家講講其中的原理。

首先我們要明白的是，計算機中只有0和1，那么我們存入硬盤的數據，實際上也就是一堆0和1，換句話說，我們如果有辦法記錄0和1就可以記錄數據了，比如我們有2個燈泡，一個不亮一個亮就可以表示01，即數字1，兩個都亮11，即表示數字2，越大的數可以用越多的燈泡來表示。

硬盤分為機械硬盤和固態硬盤，由于結構的不同它們儲存數據的原理也不同。先來看機械硬盤，其最重要的結構是兩面涂有磁性材料的磁盤，在工作時會以每分鐘7200轉的速度旋轉。

磁盤的作用就是記錄數據，在盤片上有序的排列了很多的小顆粒材料，它們都是磁性物質，可以被永久磁化和改變磁極，這兩個磁極就分別表示了計算機二進制中的0和1。

寫入數據時，距離盤面3納米的磁頭會利用電磁鐵，改變磁盤上磁性材料的極性來記錄數據，兩種極性分別對應0或1。而讀取數據時，旁邊的讀取器可以識別磁性材料的不同極性，再還原成0或1。

由于磁盤是轉動后讀寫數據的，所以，當初設計就是在類似磁盤同心圓上面切出一個一個的小區塊，這些小區塊整合成一個圓形，讓機器手臂上的磁頭去存取。這個小區塊就是磁盤的最小物理儲存單位，稱之為扇區 （sector），大小一般是512字節，而同一個扇區組合成的圓就是所謂的磁道（track）。

因此，磁頭要想讀取某個文件，必須在電機驅動下，先找到對應的磁道，再等磁盤轉到對應扇區才行，一般會有十幾毫秒的延遲，這就讓機械硬盤在讀取分散于磁盤各處的數據時，速度將大幅降低。

相較于機械硬盤里面的復雜結構，固態硬盤就要簡單許多。它主要是靠FLASH芯片來作為儲存數據的介質，由主控芯片來承擔數據的中轉，并調配數據儲存在閃存芯片上面。

閃存的基本存儲單元是浮柵晶體管，其中的浮柵被二氧化硅包裹，和上下絕緣，在斷電時也能夠保存電子，當電子數量高于一個中間值就表示0，低于中間值就表示1。

晶體管每次寫入數據前都要先擦除，在P極上加一個電壓，浮柵中原有的電子會因為量子隧穿效應通過絕緣層被吸出來，讓浮柵中的電子數量低于中間值，還原成1；如果要寫入0，就在控制極加一個電壓，讓電子穿過絕緣層再注回浮柵，使電子數量高于中間值，表示0。

但在讀取時，閃存無法直接得知浮柵中有多少電子。因為往控制極加一定大小的電壓，會導通這兩個N極。控制極上的電壓越大，N極間的電流也越大。然而，存儲0的浮柵，相比存儲1的浮柵，有更多的電子，會抵消控制極上的電壓，所以控制極需要更大的電壓才能導通兩個N極。

因此，當不知道浮柵中有多少電子時，就可以往控制極加一個中間值電壓，如果兩個N極導通，就能反推出浮柵中的電子較少，識別為1；如果沒有導通，就說明浮柵中的電子較多，識別為0。

傳統的單階存儲單元SLC ，電子數量只有兩種狀態，只能保存一比特的數據。而多階存儲單元MLC、TLC和QLC ，它們的電子數量有4~16種狀態，一個單元可保存2~4比特。

多階存儲單元大大降低了固態硬盤單位容量的成本，但也影響了硬盤壽命和性能。這是因為晶體管擦寫數據時，二氧化硅絕緣層會困住一部分電子，這些電子的累積會逐漸抵消控制極上的電壓，使得控制極為了導通兩個N極所需的電壓越來越大，當這個偏移超過中間值，那么讀取時也就無法分辨0和1。

而多階存儲單元由于不同狀態之間分得非常細，也就更容易受這種偏移的影響，所以從SLC到QLC，它們總的擦寫次數呈幾何級數遞減。

總結來說，機械硬盤是磁頭通過磁盤旋轉來讀寫數據的，所以磁盤讀寫數據的速度跟磁盤的旋轉速度有很大的關系，磁盤轉得越快磁頭就能更快的訪問到更多區域，速度自然就越快了。但也正是轉速比較快，所以抗震抗摔以及抗塵能力比較差，試想每分鐘幾千轉的磁盤震了一下或者撞上了灰塵，磁頭即使只是發生了一點點小小的偏移，也會帶來不可逆轉的損壞。

而固態硬盤由于沒有了機械結構，完全不用擔心這些的問題。但是固態硬盤也有一個硬傷就是：它是靠在存儲單元里面存放電子的方式來存儲數據。而電子大家知道是一個非常非常小的東西，這樣如果同一個位置存放電子再擦除，如此反復長久以來就會出現不穩定的情況，比如電子會寫不上。尤其是將要到來的QLC儲存芯片，每個存儲單元里面放了4個電子，由于電子之間也會互相影響，導致壽命大大減少。

不過，一塊消費級的MLC或TLC固態硬盤也足夠你至少使用5年，且使用體驗遠超機械硬盤，讀寫速度可達后者的十倍以上。此外，由于沒有復雜的機械結構，固態硬盤工作時也更安靜、更抗震。

總結

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