網上有個段子講如何在菜市場智鬥缺斤短兩的小販:把手裏的iPhone XS Max丟到電子秤上,顯示280克,而iPhone XS Max的真實重量應該是208克:秤做手腳了。

這個段子的漏洞很多,但網友的評論更有亮點:你手機裏裝的小電影難道就不算質量啦?一個G等於一g(克)。雖然是玩笑,但也有認真的網友認爲數據是有重量的。那麼問題來了,裝滿數據的硬盤會比空硬盤更重嗎?

手機和電腦固態硬盤一樣,用來記錄數據的部件都源自東芝在1987年發明的NAND閃存。下圖是問世早期的東芝NAND閃存,容量僅有4MB。閃存的出現極大的改變了電子產品的存儲形態。

電腦和手機都是使用二進制(0和1)來表達數據的。是機械硬盤依靠磁極的改變來表示0和1,所以無論記錄多少數據,它的重量都不會發生改變。

手機和固態硬盤記錄數據依靠的則是閃存單元中被鎖住的電子。電子的數量決定了信號電壓,進而決定要表達的0或1數據。按照閃存類型的不同,分爲SLC(每單元保存1比特)、MLC(每單元保存2比特)和TLC(每單元保存3比特)。

下圖是2D平面閃存中存儲電子的Floating Gate浮柵結構示意圖。電子在浮柵結構中可以自由移動,閃存是通過浮柵層之下的隧道氧化層來保持浮柵中電子不會流失的。

NAND閃存有一個特性:在寫入(Program)之前必須先進行擦除(Erase)。擦除的過程如下圖所示,是將FT浮柵中的電子“抽”出來排掉,會使閃存單元中電子數量減少。

寫入過程則是向FT浮柵中“吸入”電子,會使閃存單元中的電子數量增加。寫入和擦除的過程應用到了隧道效應,電子在電壓的作用下穿透隧道氧化層(Tunnel Oxide),進入或離開浮柵層(Floating Gate)。

存儲數據的多寡會與電子數量產生關係。儘管電子很小,小到顯微鏡都看不見,但畢竟是存在重量的。

東芝在3D工藝中改進了NAND閃存的結構,使用Charge Trap電荷捕獲層代替了Floating Gate浮柵層,使得閃存單元保存數據的能力得到了進一步增強,3D閃存因此變得更加耐用。

不管是2D平面閃存還是新時代的3D堆疊閃存,寫入數據後的電子數量總是比空的時候更多。所以文章開頭的小玩笑其實也有一定道理,存儲數據的確會使你的手機/固態硬盤變得更重。但是電子的質量實在是太小了(9.10956×10-31kg),閃存寫入數據後產生的增重難以被測量出來。

另外,數據在電腦以及閃存中都是二進製表達,而具體到實際情況0和1各自所佔比例是比較隨機化的,存儲128GB容量數據給閃存增加的重量,未必會比64GB更多。

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