闪存基本原理

如下图所示浮栅晶体管，当判断是0或1的时候，是在源极加电，当源极和漏极能导通则为1，否则为0；源极和漏极能导通的前提是源极和漏极之间充满电子。

假如在控制极加电(电子具有向电性)，衬底的电子就会被吸到浮栅极，源极和漏极之间就无法导通了，此时就为0，即浮栅极充满电子为0；如在衬底加电，电子又会从浮栅极吸出，源-漏极之间就能导电，即为1。这就是浮栅晶体管能标识0/1的原理。

当随着控制极-衬底之间加电次数的增多，隧道氧化层会变得越来越薄，导致浮栅极-衬底之间电子可以相互逃逸，次数晶体管的状态就不稳定了，也就坏了。

在初始状态下，电子都集中在衬底，也就是说晶体管初始表示为1；如果向晶体管写1，则无需操作，如果写0，则要控制极加压。

另外一旦晶体管被写入后，如果再想表示为1，就需要衬底加压，这就是擦除操作；而读的话只涉及源-漏极之间的加压，不会影响电子状态，故可以直接读。

如上所述，擦除操作会影响到隧道氧化层，所以晶体管是有寿命的，当擦除到一定次数，晶体管就不稳定了。

事实上在组成闪存时，固定数量的晶体管使用同一个衬底，这个固定数量的晶体管称为一个块，即闪存是按块擦除的。

闪存类型

用一个存储单元有无电子来区分0和1，即一个存储单元只能存储1位数据，这样的闪存称为SLC (Single Level Cell)。通过提升存储密度，用一个存储单元存储多位数据，先后出现了MLC、TLC、QLC等类型的闪存，即在控制极加不同的电压，浮栅极就会存储不同数量的电子，以此来表示不同的数据。

假如一个存储单元共有100个电子，用0~5、20~40、50~70、80~100个电子分别表示四种状态，这四种状态就可以用两位编码，这就是MLC的概念；同理TLC是三位编码，能表示2^3次方个数据，QLC是四位编码，能表示2^4次方个数据。这样 相同数量的晶体管就能存储更多的数据。

但是存储密度提高的一个代价就是写性能会变差，因为表示的状态越多，越需要对电子数量精细化的控制，而且少量电子的流失就可能导致数据发生变化。

比如在SLC，用0~10个电子数量表示0，50~100个电子数量表示1，即使浮栅层逃逸了20个电子，也不会进入0~10表示的“1”的状态，而对于MLC，同样流失20个电子，可能就从"00"变成“01”了，当然电子的流失跟隧道氧化层相关，如果隧道氧化层越强，越会不发生电子流失，但是随着擦除次数的越来越多，隧道氧化层的能力越来越弱，比如对SLC来说擦除10万次内，对电子流失都不是那么敏感，但对MLC来说，可能擦除数千次就隧道氧化层的损伤导致的电子流失就接受不了了。所以闪存密度的提高另外的代价就是闪存的寿命和稳定性都会变差。

闪存的组织结构

闪存芯片的基本组成单元从小到大依次是：cell（单元）、page（页）、block（块）、plane（平面）、Die（核心）、NAND flash（闪存芯片）。

页是读写的基本单元，块是擦除的基本单元；页和块是两个常用的单位；但此处的页跟操作系统中文件系统的页不是同一个。

Die等同于SCSI中的LUN的概念；在HDD中一般一个盘只有一个LUN，但SSD的闪存中一般一个盘都有多个Die，以支持更大的并发。

一个Die又分为若干个Plane(一个Plane包含若干块)，每个Plane都有独立的Page Register（页缓存）和Cache Register（闪存缓存），这里页缓存的大小等于闪存的页大小(可见页大小在闪存出厂时就确定了，而文件系统的页大小是可改的)，这些闪存缓存和页缓存就是闪存内部的RAM。

Q：闪存的一个闪存块共用一个衬底，也就是说擦除的单位是块，但闪存的写入是以页进行的，为什么不是以块进行？

A：由于闪存的特性，即使只擦除很少的数据，也需要对整块进行擦除，这就需要先缓存块中的原有数据，并在原有数据上进行更新，介质擦除后，再把数据写入，此时的写入是以页进行的，但实际上整个块都需要写入，这就是写要经过“读-擦除-写”的过程，所以写的效率是很低的。

     但闪存实际读写的单位是页，这是为了从逻辑上能更加精细化的控制写入的部位；实际上当多个I/O操作同一个块时，可以合并成对块的一次I/O的操作，此时以页来划分块更容易控制；当然以块为单位写，我认为也是没问题的，也可以把对此块的多个I/O合并成一此操作，只是以页为单位在逻辑上更好控制而已。