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闪存价格节节攀升，让三星大赚特赚。其实它的基本原理在1980年代之后基本就没有变化过。它的构成和场效应管(MOSFET)十分类似：

它由：源极（Source）、漏极（Drain）、浮动栅（Float Gate）和控制栅（Control Gate）组成。相对场效应管的单栅极结构，闪存是双栅极结构。浮动栅是由氮化物夹在二氧化硅材料（Insulator）之间构成。

我们的写操作（Program)是这样：

在控制栅加正电压，将电子（带负电）吸入浮动栅。在此后，由于浮动栅上下的二氧化硅材料并不导电，这些电子被囚禁（Trap）在浮动栅之中，出不去了。这样无论今后控制栅电压有否，这个状态都会保持下去，所以闪存可以掉电保存数据。注意写操作完毕后，该闪存单元存储的是0，后面我们将会介绍为什么。

我们的擦除操作（Erase）刚好相反：

在源极加正电压利用浮空栅与漏极之间的隧道效应，将注入到浮空栅的负电荷吸引到源极，排空浮动栅的电子。这时读取的状态是1。

那为什么有电子是0，没电子是1呢？以为读取的时候，需要给控制栅加一个低的读取电压，对于被Program过的闪存单元来说，被囚禁的电子可以抵消该读取电压，造成源极和漏极之间是处于被关闭的状态：

如果是被擦除过的就刚好相反，源极和漏极在控制栅的低电压作用下，处于导通状态：

也就是说通过向控制栅加读取电压，判断漏极-源极之间是否处于导通状态来读取闪存单元的状态，如果被Program过的，就是处于关闭OFF状态，为0；而被Erase过的，就是处于导通状态ON，为1。

理论上来说，闪存可以每个单元来单独擦除和编程。但是为了节省成本，实际上作用在控制栅上的擦除电压是整个块（Block）连接在一起的，这就是为什么擦除要以块为单位了。

为什么闪存会损坏

每次电子在包围浮动栅的二氧化硅上进进出出，都会造成它的老化：

长此以往，浮动栅就不能很好的锁住电子，电子会流失造成漏极-源极之间是否处于导通状态错误，进而数据读取错误。闪存控制器通过校验发现错误后会将其标为不可用，而在OP空间找一块来替代，并在FTL表里改变对应关系。

老狼：杂谈闪存三：FTL​zhuanlan.zhihu.com

而 SLC（Single-Level Cell）的省钱版：MLC（Multi-Level Cell） 和 TLC（Triple-Level Cell） 的引入让这个问题更加严重。原来SLC只有ON/OFF两种状态，现在的TLC要有8种状态：

主要靠精确控制浮动栅里面的电子来实现，老化会让这种控制很容易出错。这样就是为什么MLC和TLC相比SLC，生命周期更短的原因：

注意图中的P/E Cycle。

结论

闪存单元的损坏是个不可逆的过程，坏了就是坏了，人死不能复生，节哀顺变吧。几个坏块不会产生多大问题，OP空间完全可以罩得住，问题是只要产生坏块，慢慢坏块会越来越多，写放大也会越来越严重，慢慢的就会产生读写错误，或者速度严重下降。这时我们一定要考虑换块SSD了。

 

 

 

 

NAND flash的组成

一个典型的Flash芯片由Package, die, plane, block和page组成，如下图：

 

Package: 也就是chip即Flash芯片，就是我们经常在M.2的SSD上看到的NAND flash颗粒：

 

Die: 一个NAND颗粒是由一颗或者多颗Die封装在一起而成，这种封装可是平排的，也可以是层叠的。die内部可以通过3D 堆叠技术扩展容量，譬如三星的V-NAND每层容量都有128Gb（16GB），通过3D堆叠技术可以实现最多24层堆叠，这意味着24层堆叠的总容量将达到384GB！就像盖楼房一样：

 

Die也是可以单独执行命令和返回状态的最小单位。

Plane: 一个die可以包含几个Plane.

Block: 重要的概念，它是擦除操作的最小单位。

Page：也很重要，它是写入动作的最小单位。

FTL

当我们有了块“干净”的Flash，我们第一个想干的事就是写些东西上去，无论我们是写一个byte还是很多东西，必须以page为单位，即写一个byte上去也要写一个page。当我们满意的写了东西上去后，如何修改呢？是不是可以再写一次呢？可惜的是，我们的program操作只能把bit 1改成0，而不能从0改成1. 即我们可以把11110000改成11000000，但不能改成11111111。即有点像逻辑and操作(我们可以通过NAND这个名字联想记忆一下)。那么如何把0改回1呢？这就要靠擦除操作了，但是擦除操作只能在block的上面操作，如果我们把整块block上的所有page都读回RAM，改动后再擦除再写回去(也叫read-modify-write)，似乎问题就完美解决了。但是别忘了，我们前文中提到，NAND flash的寿命是由其擦写次数决定的(P/E数 (Program/Erase Count)来衡量的)，频繁的擦除慢慢的会产生坏块。那么我们如何才能平衡整块flash的整体擦写次数呢？这就要我们的FTL登场了。

1。FTL原理

FTL简单来说就是系统维护了一个逻辑Block地址（LBA，logical block addresses ）和物理Block地址（PBA, physical block addresses）的对应关系, 如图：

 

有了这层映射关系，我们需要修改时就不需要改动原来的物理块，只需要标记原块为废块，同时找一个没用的新物理块对应到原来的逻辑块上就好了。问题解决了！实际情况比这个稍微复杂些，我们需要解决以下问题：

A． LBA和PBA究竟是对应page还是block？

B． 如何做到寿命均衡?

C． 废块何时回收？

D． 这个逻辑对应表存储到哪里？

2。LBA/PBA的颗粒度问题

如果我们把LBA和PBA都设置成page大小，这也叫做page-level mapping，这和我们写入颗粒一致，很灵活。但这么小的粒度会带来一个问题：逻辑对应表太大！想象一下，我们有个64GB的Die，每个page只有4KB，我们的对应表需要64*1024*1024 * 4 /4 = 64MB！这个绝对不能接受。那么按照block，也就是block-level mapping呢? 会不会好些呢？至少占用空间好了很多，但是因为写入时不清楚page情况，往往要整块擦除，效能会大大下降。有没有更好的办法呢？实际使用中常用的是log-block mapping,它从我们现代的log文件系统中学到经验，也充分利用了page和block的不同特性。它比较复杂，我们这里按下不表。

3。如何做到寿命均衡（Wear Levelling）

LBA/PBA的映射本身会对寿命均衡产生正面影响。就如我们SD卡上的FAT文件系统，文件分配表会被经常修改，但由于修改的是逻辑块，我们可以让每次物理块不同而避免经常擦写相同的物理块，这本身就保证不会有物理块被经常擦写。但是有一种情况它没有办法处理，即冷的数据块（cold block），它们被写入后没有更改，就一直占据某些物理块，而这些物理块寿命还很长，而别的热的块却在飞速损耗中。这种情况怎么办呢？我们只有在合适的时机帮它们换个位置了，如何选择这个时机很重要，而且这个搬家动作本身也会损耗寿命本身。这些策略也是各个FTL算法的精华了。

4。垃圾回收

废块需要找时机回收，这就需要垃圾回收（GC，Garbage Collection）机制。

 

现在到处都会碰到GC，各种高级语言都在炫耀自己有GC，不像C++/C那样要手动回收内存。这里的GC是指回收废块，但是时机非常重要，谁都不希望看到一个存盘后，SSD硬盘固件发现没有干净的块可用，开始整盘GC，就像开始了一个没有进度条的磁盘整理，系统被完全卡死了。聪明的固件往往未雨绸缪，在我们不知不觉下在后台悄悄做垃圾回收，不少固件还同时进行Wear Levelling。

5。LBA/PBA表存储在哪里

这个表随时可以变化，我们把它存储在哪里呢？是不是也找个page存起来呢？事实上，在大部分的NAND Flash里，还有些空闲块，我们叫它OP(Over Provisioning)。如下图:

 

这些空闲的块可以极大的帮助我们改善NAND flash的性能，它可以：

A． 坏块处理。发现坏块，这些后备的可以立刻顶上，因为有映射机制，上层软件完全感受不到。

B． 存储LBA/PBA表

C． 给GC和Wear Levelling留下极大的腾挪空间。

D . 减少写入放大（Write Amplification）

事实上，现在几乎所有主流SSD等NAND die上都有OP。譬如我们拿到标称容量240GB的SSD，实际空间可能有256GB甚至更高（一般>7.37%），只不过这些多余的空间我们用不到，感受不到，它完全被SSD固件藏做私用而已。

尾声

现在能生产NAND芯片的厂家在Wikipedia上能查出11家，而能生产主控芯片和固件的就四家。他们各自的绝活都在FTL中的各种调优上，再加上Trim等等特性，这也就决定了SSD硬盘性能的好坏。

 

 

Trim

OS在删除一个文件时并不是把内容写0，而是把索引和文件存储空间标记为作废。这也是一些所谓安全删除软件有所作为之时（如何优雅的删除你的"秘密"文件 - 知乎专栏）。但是SSD主控并不知道这个情况，它还认为文件存储空间是有用的数据，在写放大和GC的过程中不停的搬来搬去，造成性能和寿命的下降。我们举个例子，如下图：

 

1. 以OS的观点看是第一栏，第一列有四个文件，第二列删掉了文件C，第三列加入了文件E。

2. 以OS的LBA的观点看是第二列，C文件被删掉后，E文件被直接覆盖到了C文件的位置。

3. 以主控的PBA观点看是第三列，C文件被删掉后，主控并不知道，它还认为和第一列一样C1/C2是有价值的内容，在写放大和GC的时候被搬动。直到第三列OS在LBA原位置写了E文件后，主控才知道C1/C2是废物，才被标记为GC(垃圾收集)。

这种OS和固件的脱节在Trim命令引入后得到改善，OS在C文件被删除后会利用Trim命令告诉主控：“C1/C2没用了，你看着办吧。”,主控可以立刻标记它们为废块，不再搬动，并在合适的时机进行垃圾收集（GC）。这样极大的减小了写放大和提高了SSD的寿命。

Trim是好，但是要OS和主控都支持才行。那么如何打开Trim呢？

1. Windows在Win7之后就支持了Trim。

2. OS X在10.6.8之后支持了Trim。

3. 我们的手机OS，Android在4.3之后才支持Trim。

不同的SSD厂商支持Trim的时间不同，如果你是在最近三年买的SSD，那么你的SSD很可能是支持Trim的，具体请阅读SSD说明。

结论

Trim并不能消灭手机或者SSD的写放大，但是能部分减缓它。还有些别的优化的方法，这些方法是不同的SSD厂商的独家绝活。要用好它们，你最好安装各个厂家的Optimizer工具，并立刻使用它们，对于手机来说，只有选择>4.3的安卓，并保证剩余空间>25%。