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什么是闪存电子数据存储技术以及它如何工作?

什么是闪存电子数据存储技术以及它如何工作?

作者:大眼仔~旭 日期:1个月前 (05-16) 评论:0 条

摘要:几乎所有现代设备都依赖闪存,一种可以长时间保存信息的电子数据存储技术。 例如,您的智能手机使用某种形式的闪存进行存储,现在较新的大多数笔记本电脑和计算机也可能使用它。 然而,并非所有的闪存都是相同的,一些远优于其他产品。 因此,在本文中,和大眼仔一起分解这项技术、它的工作原理以及您可能听说过的与该技术相关的各种术语。 …

几乎所有现代设备都依赖闪存,一种可以长时间保存信息的电子数据存储技术。 例如,您的智能手机使用某种形式的闪存进行存储,现在较新的大多数笔记本电脑和计算机也可能使用它。 然而,并非所有的闪存都是相同的,一些远优于其他产品。 因此,在本文中,和大眼仔一起分解这项技术、它的工作原理以及您可能听说过的与该技术相关的各种术语。

闪存电子数据存储技术

闪存电子数据存储技术

什么是闪存,为什么如此受欢迎?

闪存是一种非易失性存储器。 非易失性位意味着即使设备完全断电,数据也会保留。 这与计算机内存形成鲜明对比,计算机内存是一种在断电或重置时会丢失所有数据的易失性存储器。 闪存无需电源即可存储数据的能力,以及我们将讨论的其他好处,使其成为存储介质的理想选择,而且它的受欢迎程度只会越来越高。

硬盘曾经是电子设备的主要存储介质。 例如,第一代 iPod 使用了东芝的 5GB 硬盘。 同样,直到 2010 年代初,大多数笔记本电脑和台式电脑都将硬盘作为主要存储设备。 但现在大部分消费电子行业已经放弃了硬盘,转而使用闪存,尤其是在游戏等需要快速存储介质的应用中。

与硬盘相比,闪存提供了许多优势,包括速度、耐用性和大小。

硬盘驱动器有许多缺点。 一方面,它们的旋转盘片使它们主要是机械设备。 换句话说,它们有几个容易发生故障的移动部件。 其次,它们不是很快,因为磁针必须物理地到达旋转盘片的特定部分才能读取和写入数据。

另一方面,闪存完全是电子的。 数据仍以 1 和 0 的形式以数字方式存储。 然而,闪存并没有像在硬盘驱动器中那样使用磁性,而是使用由晶体管门构成的所谓存储单元。 没有移动部件为基于闪存的存储设备提供了几个好处。 它们通常具有更长的使用寿命,占用更少的空间,并且比硬盘驱动器运行速度要快得多。 当然,这项技术也有一些缺点,但除了成本之外,大多数都不会真正影响到普通用户。

你应该知道的闪存相关术语

SATA:在 2000 年代初推出,SATA 是指计算机主板和硬盘等存储设备之间的通信接口。 最新最流行的版本 SATA III 提供了 600MB/s 的最大吞吐量:远非最先进的。 该标准自 2009 年以来未见任何更新,但至今仍被广泛使用。

NVMe:NVMe 或非易失性内存 express 是一种用于存储设备的通信协议。与 SATA 不同,NVMe 专为 SSD 等更高吞吐量的存储设备而设计。由于 NVMe SSD 有直接通往 CPU 的路径,它们通常比 SATA SSD 快得多。 NVMe 可以达到 3,500MB/s 的速度,比 SATA III 快 6 倍。

PCIe:PCIe 代表外围组件互连快递,为 NVMe 设备提供通信主干。 NVMe 驱动器的性能可能因 CPU 的 PCIe 功能而异。例如,PCIe Gen 4 NVMe SSD 在只有 Gen 3 功能的旧计算机中可能会出现较慢的速度。另一方面,PlayStation 5 等较新的设备要求 PCIe Gen 4 NVMe SSD 高于某个速度阈值,以获得一致的用户体验。

M.2:M.2 是指用于扩展卡的物理连接器。该插槽通常位于计算机和笔记本电脑主板上,但您也可能在其他设备上看到它,例如 PlayStation 5。 M.2 连接器可以通过电气连接以在 SATA 或 PCIe 模式下运行。笔记本电脑通常将 M.2 用于 Wi-Fi 卡和 SSD 等高带宽扩展卡。

闪存技术与 SSD、UFS 和 eMMC 有什么关系?

利用闪存的存储设备有各种形状和大小,具体取决于它们的预期用例。 例如,计算机的主引导驱动器需要比仅用于存储媒体文件的拇指驱动器更快、更耐用。 SSD、eMMC 芯片和 SD 卡都使用闪存,但具体实现可能会有所不同。

固态驱动器 (SSD) 通常不仅仅包含闪存 — 许多还包含 DRAM 缓存和内存控制器。 前者可以加快读写速度,但预算驱动器往往不包括它。 同时,控制器帮助系统与驱动器存储的数据进行交互。 在某些情况下,它还可以通过磨损均衡和纠错等技术帮助延长驱动器的使用寿命。

相比之下,SD 卡和 USB 驱动器要简单得多。 两者占用的空间都比 SSD 小得多,因此速度也慢了很多。 此外,SSD 通常会容纳多个内存包以增加总容量。 较小的 SD 卡和 USB 驱动器无法做到这一点,因为它们必须压缩到更小的外形尺寸中。

SD 卡通常提供比 SSD 更差的耐用性和速度,即使两者共享相同的底层技术。

最后,您可能还听说过智能手机、平板电脑和笔记本电脑中的 eMMC 和 UFS 闪存芯片。 MMC 代表嵌入式 Multi Media Card,而 UFS 是 Universal Flash Storage 的缩写。 您会发现这些嵌入式芯片直接焊接在设备的主板上。

如今,UFS 已经开始取代 eMMC 作为智能手机存储的标准。 前者速度明显更快(高达 2,100 MB/s vs 250MB/s),因为它支持同时读取和写入 – 将 UFS 视为双向多车道高速公路,将 eMMC 视为单向道路。 不过,两者仍然比硬盘快得多。

对于某些应用程序,存储速度比其他应用程序更重要。 例如,高分辨率视频录制可能会压倒大多数低端 SD 卡。 同样,游戏和其他密集型工作负载也可以从更快的存储中受益。

如今,大多数高端 Android 智能手机都使用 UFS 3.1 存储。 但是,您还会发现一些配备较旧 UFS 2.1 规格内存的廉价设备。 至于 eMMC,最新的 5.1 版本常见于廉价的 Chromebook 和 Windows 平板电脑,如联想 Duet 5。

闪存是如何工作的?

在不深入了解所涉及电子设备的细节的情况下,闪存将数据存储在存储单元中。这些单元包含浮栅晶体管,可以长时间捕获电子,但不是永远。这些单元具有三种操作:读取、写入和擦除,具体取决于施加电压的位置。为了执行写入操作,存储单元中的浮栅要么被充电,要么被放电——前者表示逻辑 0,而放电状态表示 1。

现代存储设备在页面中组织存储单元,允许同时访问大量数据,而不是逐个单元地访问。最常见的闪存存储类型称为 NAND 闪存,包含 32 或 64 页的块。

包含 NAND 闪存的消费类设备(如 USB 驱动器或 SSD)具有数百万个水平、垂直或两个维度堆叠的存储单元——后者有时被称为 3D NAND。正如您所料,需要如此精确操作和密度的设备比传统硬盘驱动器的制造成本更高。

NAND 闪存的复杂性意味着它的制造成本很高。

不过,制造商已经想出了应对闪存高成本的方法,最常见的技术是使用多级单元。 三级单元 (TLC) 和多级单元 (MLC) 可以存储两个、三个或更多位,而不是存储单个 0 或 1。 虽然这种策略提高了存储密度并降低了制造成本,但它也对速度和耐用性产生了负面影响。 尽管如此,成本效益意味着当今大多数消费级存储设备使用 TLC 或基于 MLC 的闪存,而不是单级单元 (SLC)。

闪存技术的局限性是什么?

如今,闪存已成为紧凑型电子设备的标准,但该技术远非完美。 除了我们已经讨论过的高价格之外,闪存还会随着时间的推移而遭受数据退化或位损坏。 如果在未通电状态下存储数年,存储单元可能会遭受电子泄漏,并最终导致数据丢失。 虽然硬盘驱动器也可能遭受位腐烂,但它们在断电时通常会持续更长时间。

闪存存储的一个更大问题是写入耐久性或编程/擦除周期。 简而言之,它指的是在内存单元最终磨损之前您可以写入的数据量。 一般来说,每个存储单元(TLC 和 MLC 型驱动器)压缩的信息越多,耐用性越差。

闪存的耐用性有限 – 它只能承受有限次数的重写。

存储设备制造商通常会保证驱动器的使用寿命达到某个使用点,以 TBW 或写入的总字节数为单位。 例如,三星 860 Evo SSD 的 1TB 版本的续航能力为 600TBW。 驱动器仍可能在其额定 TBW 之外工作 – 只是不要指望制造商提供任何保修。 更高耐用性的硬盘通常成本更高 – 尤其是那些专为企业使用而设计的硬盘。

最后,闪存在容量上仍然无法击败硬盘。 大多数消费级 SSD 的最高容量为 2-4TB,而您可以轻松地以相同的价格购买超过 10 甚至 15TB 的硬盘。 这可能会在未来的某个时候改变,但就目前而言,硬盘在归档大量数据方面占主导地位。

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