你有没有想过，电脑里面存在一个奇怪的矛盾？
R A M 和 S S D 都是硅芯片，也都利用电来保存信息。
但是，电脑一旦关机，R A M 里的内容马上消失。S S D 里的照片、游戏和操作系统，却依然完好无损。
为什么 R A M 像一条只有几秒记忆的金鱼，而 S S D 却像一座上锁的档案馆？
难道 S S D 里面藏着一块小电池吗？
并没有。
S S D 的真正秘密，是把电子困在数十亿个微小的电荷陷阱里。
今天，我们就进入 S S D 内部的微观世界，看看这些电子是怎样保存数据的，为什么 S S D 会磨损，以及 Linux 系统中的 TRIM 到底有什么作用。
第一部分，容易失忆的 D R A M。
电脑的主内存通常使用 D R A M，也就是动态随机存取存储器。
在 D R A M 里面，一个存储单元通常由一个晶体管和一个微小的电容器组成。
电容器可以暂时保存电荷。
我们可以把它想象成一个很小的水桶。
水桶里有电荷，代表一种状态。水桶里没有电荷，代表另一种状态。
但是，这个水桶会漏水。
电容器里的电荷会不断流失，所以内存控制器必须定期检查，并重新补充电荷。
这个过程叫作刷新。
只要电脑正在运行，刷新就会不停进行。
这就是 D R A M 名字中“动态”这个词的含义。
一旦电脑断电，刷新立即停止。
水桶里的电荷慢慢漏光，数据也就消失了。
因此，D R A M 被称为易失性存储器。
它必须依靠持续的电力保存数据。
S S D 则需要解决另一个问题。
它也要使用电学状态表示零和一，但是断电以后，这些状态仍然必须保留下来。
所以，S S D 不再使用会漏水的小桶，而是建造了一座微型保险库。
第二部分，N A N D 闪存里的电子保险库。
大多数 S S D 使用 N A N D 闪存。
闪存芯片里排列着数量惊人的存储单元。每个单元都是一种特殊的晶体管。
在这种晶体管内部，有一个被绝缘材料包围的区域，可以用来保存电荷。
在不同的闪存结构中，它可能叫作浮栅，也可能叫作电荷陷阱。
为了方便理解，我们把它想象成一间被厚玻璃包围的微型房间。
这间房间没有普通电线连接外部，所以电子不能自由进出。
当 S S D 写入数据时，芯片会施加一个很强的电场。
在合适的条件下，电子可以穿过极薄的绝缘层，进入电荷存储区域。
这个过程可能涉及一种量子物理现象，叫作量子隧穿。
在日常世界里，一个小球不能直接穿过墙壁。
但是，电子并不完全像普通小球。它也具有波的性质。
在极小的尺度下，当绝缘层足够薄，电场又足够强时，电子有一定概率穿过原本无法通过的屏障。
电子进入以后，写入电压被移除。
周围的绝缘材料就像保险库的墙壁，把电子困在里面。
即使 S S D 不再通电，电子仍然可以停留很长时间。
这就是非易失性存储的基本原理。
不过，S S D 并不能永远保存数据。
电子仍然可能非常缓慢地泄漏。保存时间还会受到温度、闪存磨损程度和制造工艺的影响。
所以，S S D 可以在断电以后保存数据很多年，但重要文件仍然必须备份。
第三部分，S S D 怎样读取数据。
S S D 并不会打开保险库，直接数里面有多少电子。
被困住的电子，会改变晶体管的电学特性。
更准确地说，它们会改变晶体管的阈值电压。
阈值电压，就是让晶体管开始导通所需要的电压。
S S D 控制器会施加测试电压，再观察晶体管是否导通。
通过这个结果，它就能判断存储单元处在哪一个电荷状态。
在最简单的 S L C 闪存中，每个单元保存一个比特。
一个比特只有两种状态，所以控制器只需要区分两个电压范围。
现代消费级 S S D 通常会在一个单元里保存更多数据。
T L C 每个单元保存三个比特，需要区分八个电压范围。
Q L C 每个单元保存四个比特，需要区分十六个电压范围。
因此，现代闪存单元并不只是简单的空和满。
它更像一个带有很多刻度的量杯。
不同的电荷水平，对应不同的数据组合。
一个单元保存的比特越多，容量越大，成本越低。
但是，各个电压范围也会变得更加接近，读取和写入都需要更精确的控制。
第四部分，为什么 S S D 会磨损。
如果电子被关在绝缘层里面，S S D 怎样擦除数据呢？
芯片会施加另一组电压，把电子从电荷存储区域中移出。
但是，N A N D 闪存通常不能像 R A M 那样，直接覆盖任意一个小位置。
闪存写入数据的基本单位叫作页，擦除数据的基本单位叫作块。
一个块包含很多页。
我们可以把一个闪存块想象成一栋公寓楼，每一页就是一个房间。
你可以一次向一个房间搬入家具。
但是，当你要清除旧数据时，可能必须一次清空一整层楼。
如果一个块里既有无效数据，也有仍然需要保留的数据，控制器必须先把有效数据复制到其他位置，再擦除整个块。
这个后台整理过程叫作垃圾回收。
每次写入和擦除，都需要让电子穿过很薄的绝缘层。
反复进行以后，绝缘材料会逐渐产生微小缺陷。
你可以把它想象成一条被反复拉伸的橡皮筋。
使用次数越来越多，材料就会慢慢老化。
绝缘层老化以后，电子更容易泄漏，电压状态也会变得更难区分。
这就是 S S D 写入寿命有限的原因。
为了延长寿命，S S D 控制器会使用错误校正、备用存储块和磨损均衡。
磨损均衡的作用，是把写入操作分散到不同的闪存区域。
如果所有数据都反复写进同一小片区域，那片区域会很快损坏。
如果写入被平均分散，整个 S S D 就能使用更长时间。
第五部分，TRIM 到底做什么。
当你删除一个文件时，操作系统通常只是把它占用的空间标记为可以重新使用。
但是，S S D 控制器可能还不知道这些旧数据已经没有用了。
TRIM 就是操作系统发送给 S S D 的一条通知。
它告诉控制器，这些逻辑存储区域已经不再被文件系统使用，可以当作无效数据处理。
TRIM 不负责磨损均衡。
它的主要作用，是帮助控制器更有效地执行垃圾回收。
控制器整理闪存块时，不必再复制那些已经被标记为无效的数据。
这样可以减少不必要的复制、写入和擦除。
在很多现代 Linux 系统中，TRIM 会通过定时服务自动运行。
我们也可以在终端中手动执行。
屏幕上显示下面这条命令。
sudo fstrim -v /
配音可以读成：
sudo，空格，fstrim，空格，短横线 v，空格，斜杠。
这条命令会告诉 S S D，根文件系统中的哪些区域已经不再使用。
但它不会马上清除每一个存储单元。
真正的垃圾回收和擦除时间，仍然由 S S D 控制器决定。
现在，我们可以回答最开始的问题了。
D R A M 使用电容器中的临时电荷保存数据。
电荷会不断泄漏，所以必须持续刷新。
电脑一旦断电，刷新停止，数据就会消失。
N A N D 闪存则把电子保存在被绝缘材料包围的隔离区域中。
这些电子会改变晶体管的阈值电压。
S S D 控制器读取不同的电压范围，再把它们还原成零和一。
所以，S S D 并不是依靠隐藏的电池保存数据。
它依靠的是硅材料、绝缘层、电场、闪存控制器，以及微观世界中的量子效应。
这就是 S S D 在没有电源的情况下，仍然能够记住数据的真正原因。
如果你喜欢这种用简单语言解释计算机内部原理的视频，请点赞，并订阅 Gate and Kernel。
感谢观看。
我们下一期再见。