我们每天都在使用 Flash。
手机里的存储芯片，是 Flash。
U盘，是 Flash。
SSD 中使用的 NAND，也是 Flash。
但是不知道大家有没有想过一个问题：
为什么这种存储技术叫 Flash？
Flash 这个英文单词，我们并不陌生。
它代表闪光、闪现，描述某个瞬间发生的事情。
英语里面还有一个俚语：
flash in a pan
意思是“昙花一现”，形容某个东西突然出现，但是很快消失。
那么问题来了：
Flash Memory 是不是因为它速度特别快，像闪电一样，所以才叫 Flash？
其实以前我也一直这么认为。
直到最近整理资料时，我翻到了一本90年代关于 Flash Memory 的书。
几十年前的工程师，在那个年代就已经开始探索一个问题：
有没有一种存储器，可以像 ROM 一样长期保存数据，又可以像 RAM 一样重新写入？
而 Flash 的诞生，并不是一个突然出现的技术，而是半导体存储技术经过几十年演进后的结果。
想理解 Flash 为什么出现，我们需要先回到最初的问题：
计算机到底需要什么样的存储器？
一、为什么人类需要一种新的存储器？
计算机发展初期，存储器一直面临两个矛盾。
一方面，计算机希望存储器速度足够快，可以让 CPU 随时读取和修改数据。
另一方面，又希望数据能够长期保存，即使断电以后也不会消失。
但是早期存储器很难同时满足这两个要求。
RAM（Random Access Memory）解决了速度问题。
RAM 可以被 CPU 快速访问，非常适合作为计算机运行时的数据空间。
但是 RAM 有一个明显缺点：
一旦断电，里面的数据也会消失。
因此，RAM 更像计算机运行过程中的“短期记忆”。
而 ROM（Read Only Memory）解决了数据保存的问题。
ROM 中的数据即使断电，也不会丢失。
但是 ROM 最大的问题是：
数据写入以后，很难再次修改。
如果程序需要更新，通常意味着重新制作芯片。
于是工程师开始寻找一种新的存储方式：
既能够像 ROM 一样保存数据，又能够重新写入。
这就是非易失存储器（Non-Volatile Memory）发展的起点。
二、浮栅晶体管：让晶体管拥有“记忆”
要实现一种可以长期保存数据，同时又能够修改的存储器，首先需要解决一个问题：
如何让一个电子器件记住自己的状态？
答案来自 MOS 晶体管结构的改进。
普通 MOS 晶体管通过 Gate（栅极）的电压，控制 Source 和 Drain 之间是否形成导电沟道。
当 Gate 施加合适的电压时，沟道形成，电流可以通过。
当 Gate 电压消失时，沟道关闭，电流停止。
但是普通 MOS 晶体管存在一个问题：
它只能表示当前状态。
断电以后，Gate 上的电压消失，之前的信息也随之消失。
工程师开始思考：
如果能够把某种状态保存下来，是不是就可以让晶体管拥有记忆能力？
于是，浮栅晶体管（Floating Gate Transistor）出现了。
浮栅晶体管在普通 MOS 晶体管基础上增加了一层 Floating Gate。
这层浮栅位于控制栅和沟道之间，并且被绝缘层包围。
它就像一个被封闭的小仓库。
电子进入以后，不容易离开。
因此，即使断电，浮栅中的电荷仍然可以保持。
这就是非易失存储器能够实现长期保存数据的物理基础。
三、浮栅晶体管里面存的是什么？
浮栅晶体管能够保存信息，那么它到底保存的是什么？
答案是：
浮栅里面保存的是电荷状态。
很多人第一次接触存储器时，会认为存储单元里面直接保存的是数字 0 和 1。
但实际上，物理世界中并不存在一个真正的“0”或者“1”。
存储器保存的是某种物理状态，而控制器再把这种状态解释成数字信息。
对于浮栅晶体管来说，这种物理状态就是：
浮栅中的电荷。
电子带负电。
当电子进入浮栅以后，会改变晶体管周围的电场环境，从而影响控制栅对于沟道的控制能力。
简单来说：
浮栅中的电子越多，控制栅越难控制沟道，晶体管越难导通。
因此，需要更高的电压才能让晶体管开启。
这个电压就是：
阈值电压（Threshold Voltage，Vth）。
所以：
浮栅电荷增加 → 阈值电压升高
浮栅电荷减少 → 阈值电压降低
读取存储单元时，控制器并不是直接看到浮栅里面有多少电子。
它实际上是施加读取电压，检测晶体管是否导通，再根据导通状态判断浮栅中的电荷状态。
这就是后来非易失存储器保存信息的基本原理。
四、电子如何进入浮栅？
浮栅已经解决了“如何保存状态”的问题。
但是新的问题又出现了：
浮栅被绝缘层包围，电子正常情况下无法进入。
那么，如何把电子放进去？
又如何把电子取出来？
答案是利用半导体中的特殊物理现象。
在一定条件下，通过施加高电压，可以让电子获得足够能量，或者利用隧穿效应，让电子穿过非常薄的绝缘层。
当电子进入浮栅时：
浮栅电荷状态发生改变。
晶体管阈值电压发生改变。
存储状态也随之改变。
这个过程就是写入。
而当电子离开浮栅时：
阈值电压恢复。
存储状态也随之改变。
这个过程就是擦除。
浮栅晶体管解决了“如何保存信息”的问题，但要真正成为一种实用的存储产品，还需要经历下一阶段的发展。
五、为什么叫Flash？从EPROM到Flash的演进
浮栅技术出现以后，工程师首先想到的是：
能不能利用这种结构制造一种可以保存数据，又可以重新写入的存储器？
于是，EPROM 出现了。
EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）最大的突破是：
数据第一次可以被写入，也可以被擦除。
EPROM 利用浮栅中的电荷状态保存信息。
但是它有一个明显的问题：
擦除数据需要紫外线。
芯片需要放在紫外灯下面照射，让浮栅中的电子释放出来。
这种方式虽然可行，但是操作复杂，不适合大规模应用。
后来 EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）出现。
EEPROM 解决了 EPROM 最大的问题：
不再需要紫外线，可以通过电信号完成擦除。
这让存储器具备了在线修改能力。
但是 EEPROM 也存在新的问题。
为了支持更加灵活的小粒度擦除，需要给每个存储单元增加更多控制电路。
结果就是：
芯片面积增加。
制造成本提高。
存储密度降低。
于是工程师开始思考：
能不能保留 EEPROM 的电擦除能力，同时降低成本，提高存储密度？
答案就是 Flash。
Flash 做出的最大改变，就是改变了擦除方式。
EEPROM 可以针对较小粒度进行擦除。
而 Flash 选择了一种折中的方案：
不再追求单个存储单元独立擦除，而是一次擦除一个更大的区域。
例如：
一个 Block。这种设计减少了外围控制电路，提高了存储密度，也降低了成本。
相比 EEPROM，Flash 更适合制造大容量存储器。
而 Flash 这个名字，通常认为也与这种快速、大规模擦除方式有关。
它并不是简单表示“读取速度快”。
它体现的是一种存储技术上的突破：
通过一次性擦除大片区域，让存储器从复杂的修改方式走向高密度、低成本的大规模应用。
六、为什么后来出现NAND Flash？
Flash 解决了：
数据可以保存。
也可以重新写入。
但是存储行业还有另一个永恒的问题：
成本!
如果每一个存储单元都采用独立连接方式，需要大量控制电路，芯片面积也会增加。
于是 Flash 继续发展，其中一个重要方向就是 NAND Flash。
NAND Flash 采用多个存储单元串联的结构，通过减少外围电路，提高单位面积上的存储容量。
相比 NOR Flash：
NAND Flash 牺牲了一部分随机访问能力，但是换来了更高密度和更低成本。
因此今天：
手机。
U盘。
存储卡。
SSD。
主要使用的都是 NAND Flash。
七、从Flash到SSD
今天的一块 SSD 中，包含：
• NAND Flash； • SSD Controller； • Firmware； • ECC； • FTL。
但是最底层的故事，其实从一个非常简单的问题开始：
如何让数据在断电以后依然保存？
几十年的存储技术发展，并不是某一项技术突然出现，而是在一次次取舍和优化中不断演进。
存储技术的发展路线：
ROM
↓
浮栅晶体管
↓
EPROM
↓
EEPROM
↓
Flash Memory
↓
NAND Flash
↓
SSD
ROM 解决了数据长期保存的问题；
浮栅晶体管让存储单元拥有了保存状态的能力；
EPROM 实现了可擦写存储；
EEPROM 解决了电擦除的问题；
Flash 通过块级擦除方式，在存储密度、成本和可擦写能力之间取得了新的平衡；
最终，NAND Flash 成为了现代 SSD 的核心存储介质。
所以，Flash 这个名字，并不是简单因为它“速度快”。
它背后记录的是存储技术发展过程中的一次重要变化：
通过改变擦除方式，让存储器从复杂的修改方式，走向高密度、低成本的大规模存储。
下一次看到 NAND Flash 时，不要只把它看成一颗存储芯片。
它背后，是几十年半导体技术不断演进的结果。
谢谢你读我的文章
支付宝 
微信