[译] SSD 是如何工作的：固态硬盘内部结构与工作原理的动画展示（2020）

Published at 2024-12-01 | Last Update 2024-12-01

本文翻译自 2020 年 Branch Education 的一个科普视频 How do SSDs Work? How does your Smartphone store data? Insanely Complex Nanoscopic Structures!，强烈推荐观看原视频。本文整理个图文版方便查阅与思考。

水平及维护精力所限，译文不免存在错误或过时之处，如有疑问，请查阅原视频。 传播知识，尊重劳动，年满十八周岁，转载请注明出处。

以下是译文。

手机的存储、平板电脑的存储、SSD 硬盘，其实都类似，核心都是一个固态（Solid State） 存储芯片：

称为“固态”是相对于旋转（rotational）磁盘（也就是普通 HDD 硬盘）那种“动态”而言的。

本文将深入到这个芯片内部，看看它是如何工作的。

1 存储材料 & 结构：`Charge Trap`

将 SSD 芯片放大到纳米级，就能看到它存储电荷的基本结构。

根据技术路线的不同，存储结构/材料的选择也不同，
本文介绍的是比较新的一种，称为 Charge Trap（电荷捕获，或电荷陷阱），它使用的是氮化矽（silicon nitride），这是一种绝缘体。

下图中的“工”字结构就是 Charge Trap，它的基本原理是将电子吸附到氮化矽上，吸附的电子数量不一样，电荷的高低就不一样，从而可以用于表示不同的数字，

图中黄色部分就是吸附的电子，

较老的技术只能存储2 个不同的电荷级别，即电子很多或很少，因此只能表示两种数值，也就是 1bit 0 和 1；
较新的 Charge Trap 可以存储 8 个或 16 个电荷级别，也就是每个 Charge Trap 可以表示 3bit 或 4bit。

被吸附的电荷可以保持几十年之久，这也是它被称为电荷陷阱的原因。

下面从小到大，看看是如何基于 Charge Trap 这样一个最基本单元构建出一个最终的 SSD 芯片的。

Charge Trap 是 SSD 的基本存储单元 —— memory cell —— 的核心。

在本文接下来的内容中，我们假设一个 charge trap 支持 8 个不同的电荷级别，也就是说可以表示 3bit，比如吸附的电子很少对应 111，吸附的电子很多对应 000。

下面简单介绍下读取和删除数据对应的底层操作。

读取一个 memory cell 存储的数据，就是测量这个 Charge Trap 上的的电荷量，

这需要先通过 control gate 锁定该 Charge Trap，然后信息就可以从中间的传输线送上去。后面会详细介绍。

删除一个 memory cell 存储的数据，就是清除这个 Charge Trap 上的的电荷量，使其回到最低电平（111）。

有了能表示 3bit 的基本单元，接下来我们将 N 个 cell 垂直堆叠起来，就得到一个称为 String（“串”）的结构。

下图是 10 个 memory cell 堆叠成的 string，

一个 String 内的所有 cell 共享顶部的 bit line（“bit 传输线”，读取或写入 cell 数据的线），

一个 String 有很多 cell，但它们共享同一根 bit line，因此，在任一时间只能激活 String 中的一个 cell。为此，需要引入了 control gate。

control gate 控制 String 上的哪个 cell 可以读写数据，此时称为“激活”状态；如上图所示，读取第 10 层的 cell 信息时，就激活第 10 层的 control gate：
但注意，control gate 只是用来激活 cell，而不是用来读取 cell 的信息：比如在读数据场景，被激活的 cell 会将它保存的信息通过 String 中心的数据线（每个“工”字的中心线）发送给顶部的 bit line。