闪存/固态硬盘有写次数限制,这是为什么呢?

说是同一个位置写超过100万次就会失效,为什么写的次数多了就会失效?

查到的一些文章说 “浮栅极不像HDD的GMR(巨磁阻尼)效应那样是永久的,存在次数限制” ,然后还是不明白…

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4个答案
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普通用户不需要考虑(我怎么记得以前回答过)
有专业人士用自己写的程序,对固态硬盘做了24小时不间断的读写,就是写一次把所有字节写满然后删光再重复。结果一年之后固态硬盘还能够用,对于普通用户来说,是远远比不上这个数据量的。大部分情况都是一些小型配置文件发生了变化。固态硬盘的控制芯片也会尽力平衡各位置的擦写次数。实际使用5年还是毫无压力的,五年基本电脑硬件落后了,也该换代了。。
接下来是解释为什么,其实这部分在《数字电路》一书的第八章有介绍。
固态硬盘即flash闪存
随手介绍一下一些存储单元作为参考(要是可以上传ppt就好了。。ppt是动的,可以看到电信号流动的原理。。因为懒,就没有解释MOS的原理了。。谁来督促我一下。。=。=):
1、SIMOS

这玩意很古老了。。虽然是可擦写的,但是需要紫外线照射窗口来改写浮动栅,

浮动栅的位置决定了这个数字电路的输出是0还是1,右图也介绍了它其实也就是个MOS管。。
2、FLOTOX,隧道型存储单元
前面研究的可擦写存储器的缺点是要擦除已存入的信息必须用紫外光照射一定的时间,因此不能用于快速改变储存信息的场合,用隧道型储存单元制成的存储器克服了这一缺点,它称为电可改写只读存储器E2PROM,即电擦除、电编程的只读存储器。

擦写时通过控制G、D的电位差(±25V),来改写控制栅,当然比紫外线照射要方便啦,
3、正题来到了flash闪存:

开始引用wiki百科:

flash闪存是一种改进的EEPROM,可以一次对一大块数据进行擦写,(卧槽按了一下f5结果悲剧了。。)
EEPROM单元的可靠性指标主要有耐久性和保持性两项. 耐久性是指EEPROM单元可反复擦/ 写的能力, 通常用EE-PROM的擦/ 写阈值电压随擦/ 写周期的变化来表示. 保持特性是指存储在EEPROM单元中的信息是否能长期保存的能力, 通常用阈值电压的变化来显示单元存储电荷的泄漏量.

两个论文,第一篇介绍的是静态时候的保持特性,他的实验是给漏极加了电压,一开始是5V,然后通过外推法算当这个电压变小的时候的理论寿命。。实际上漏极电压小于1.4V可以保留十年的数据:
对于写入数据的单元, 由于浮栅上的电荷会通过氧化层窗口和控制栅与浮栅之间的氧-氮-氧隔离层缓慢的泄漏, 所以数据不可能永远保持. 通常认为写入阈值电压退化10%则器件失效

第二篇则阐述了擦写过程对存储单元的影响:
EEPROM在擦写过程中,隧道氧化层加高压,于是在隧道氧化层中诱发陷阱俘获电荷,改变了EEPROM晶体管的阈值电压.EEPROM的耐久性定义为每一个单元可以可靠地擦写的周期数.随着擦写周期数的增加, 在隧道氧化层中的陷阱俘获电荷的数量将会改变, 或者说在擦写过程中有正或负电荷被俘获或解俘获。造成了对存储性能的影响。


参考文献:
[1]、数字逻辑电路,孙青林
[2]、闪存
[3]、电子抹除式可复写只读存储器
[4]、EEPROM单元的电荷保持特性, 成伟; 郝跃; 马晓华; 刘红侠;半导体学报 ,Chinese Journal ofemiconductors, 2006年07期
[5]、FLOTOXEEPROM擦写过程中隧道氧化层陷阱俘获电荷的研究,于宗光, 徐 征, 叶守银, 张国华, 黄 卫, 王万业, 许居衍。电子学报 , ACTA ELECTRONICA SINICA, 2000年05期

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作为苦逼的做过这种器件的人,我告诉你:它的存储原理是在栅氧化层中间弄一层悬浮的金属(具体工艺有好多步),可以是薄膜也可以是孤立的纳米点。使用的时候你在栅上加高电压,下方沟道里的载流子(电子或空穴)就会因为量子隧穿效应穿过绝缘层进入浮栅,注意在这个过程中绝缘层有漏电或者其他一些电流,但那不是主要的(有的新型器件会采用非隧穿的电流来操作)。一旦电压撤了,隧穿效应基本消失,于是浮栅里那些电荷就驻留了,几乎没有通路可以跑出来。这层电荷会改变浮栅型场效应管的开启电压,换句话说,有没有电荷可以通过加一个读电压--大于无电荷时小于有电荷时的开启电压--来判断,因为沟道电流在两种情况下差很大,串联个电阻上去就能读到不同的电位。要把电荷从浮栅上弄出来就得反向加高压,还是利用隧穿效应。如果你反复写-擦,非常薄的栅氧化层的绝缘性就会降低(晶格结构被反复冲击之类的各种电效应热效应),漏电会越来越大,最后封不住电荷,也自然就读不出来不同状态--所谓失效。通常我们会用endurance表征这个器件耐擦写的能力。实验室里就是周期性地加上擦除写入电压,隔一阵测一下它能不能区分出两个状态(1和0的电位标准事先定好),直至它失效,这个擦写次数就是endurance。我当苦逼烟酒僧的时候,基本上一礼拜得弄那么三五次这样的实验,平均endurance都是几百万次,这是单个器件的,做成阵列以后总体上差不多,根据你写的区块频繁与否会比单管有所差异。

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羽风之歌Python TCL Shell Linux 网...

2013-05-30 17:32

上面的说的很专业,不过倒是有比较简单的解释方式:

对于固态硬盘来说,他的擦写次数取决于使用的芯片类型和制造工艺,简单的来说有下面这几种:
SLC (Single Layer Cell) 每一个读写单元保存一个比特
MLC (Multi -level Layer Cell) 每一个读写单元保存二个比特
TLC (Triple-level Layer Cell) 每一个读写单元保存三个比特

除此之外,制造工艺也包括 25nm,19nm,10nm等等。

对于SLC来说,因为每一个读写单元只保存一个比特,所以同样大小的硬盘需要的成本最高,1Gb的硬盘就要1Gb的单元数量,MLC同样大小只要一半的单元,比起SLC它的成本理论上减少60%,TLC则只需要三分之一的单元,比起MLC来说再减少40%。

所以TLC的成本是最便宜的 ,不过以前它只用于U盘之类的,因为U盘读写的次数比较少,原因呢?在下面:

随着工艺的发展,最早的时候闪存芯片是32nm,现在大概是25nm比较多,还有19nm的,未来到10nm就到头了,原因是一楼所说的,因为每个比特存储的时候实际上是把电荷放进一个池子,然后用判断池子里面有没有电荷来决定是0还是1,那么随着制程的发展,池子的大小越来越秀珍,池壁和深度也越来越薄,装的电荷也越来越少。

于是我们需要更灵敏的元件来判断电荷,同时随着擦写次数过去池子也会更容易损坏,SLC还好,因为一个池子只保存一个电荷,电荷判断的自由度比较大,MLC的话相当于每半个池子判断一个比特,自由度少了一半,MLC甚至更少,元件的灵敏度是有限的,超过了限度这个池子就废了。

现在可以说到寿命了:
SLC的擦写次数可以达到10W次以上
MLC的擦写次数大概1W次左右,随着现在制程的发展,大概只有3千到5千了,做的越精细,越容易坏。
TLC的擦写次数大概3千次左右,随着制程发展,大概只有1千次左右,未来可能只有500次。

制程的发展到10nm就到头了,再小池子壁就薄得没法用了。

现在市面上制程最高的大概是东芝的芯片,19nm,大部分固态硬盘厂商用MLC的芯片,在成本和寿命上达到比较好的平衡,但三星有一款840的固态硬盘用的是 TLC,不过制程比较老 25nm,所以理论擦写次数大概1千次,三星的这款硬盘成本是最低的,不过比起其他厂商的MLC来说价格相差不大,不知道为什么这么多人买它。

固态硬盘的寿命除了芯片,它的固件也很重要,好的固件会把数据压缩一下,然后比较平均的分配给不同的池子,最好的情况下所有的池子写入的次数都相同,这样寿命就会更高了,三星的固件相当不错,所以敢用TLC芯片,然后保证几年的寿命。

对我们这些普通用户来说不用太在意固态硬盘的寿命,不出意外的话在寿命到之前你的电脑已经淘汰了,不过由于现在固态硬盘发展的时间还不长,在固件或者芯片上可能出问题,一旦碰上也是很麻烦的。

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支持者: DrakeXiang 布欧

所谓的FLASH,就是把一个电荷存在一个大电容里面,但是擦除动作的本身却可能会对物理结构产生一定影响,然后量变导致质变。

有一点要说明的,由于不同工艺,EEPROM可擦写次数多,FLASH次数就少了。最早一个CELL能存储一个Bit数据(即SLC),而为了能利用尽量少的晶体管存储更多的数据,MLC(2Bit/Cell),TLC(3Bit/Cell)应运而生。这样,根据电容里面的电压不同来区分不同的数据。相应的,寿命大大缩减。MLC只有2000-10000次,TLC只有1000次左右。所以,MLC和TLC的主控都采用了强有力的纠错算法,来保证即使一个扇区有几十个BIT错误,也不至于影响读出数据的正确性。

另外,在正常使用中,我们的磁盘里面有很多数据是不被改写的,也就是说,这会导致其它区块的数据频繁被改写,从而降低整块硬盘的使用寿命。

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