存储器分类
存储器可以大致分为两类，即[易失性存储器][非易失性存储器]。两者区别就是断电后数据是否丢失。像硬盘就是非易失性，内存就是易失性。
存储基本原理
目前非易失性存储器基本原理分为三类：磁，光，电。代表分别是机械硬盘，光盘，固态硬盘。
机械硬盘（HDD）
磁原理代表。由磁片，磁头，电机组成。电机带动磁片高速旋转，磁头可以通过电流方向在线圈上产生不同的磁场，利用磁化效应改变磁片上的微磁颗粒 的磁性。磁头后的探头则可以读取微磁颗粒的磁性产生二进制电信号。磁盘上一定区域内的微磁颗粒共同构成一个扇区。
显而易见，想要提高HDD的存储空间，提高微磁颗粒的数量即可。所以一开始HDD的发展就是将微磁颗粒越做越小。但是这是存在极限的，越小的颗粒越容易受到诸如温度，震动等环境因素的影响导致磁极弱化而丢失数据，而且读取头由于技术限制，其极限大小比微磁颗粒大得多。所以HDD衍生出了水平式，垂直式和万恶的叠瓦式。
水平式
即水平放置的微磁颗粒，占用的面积也大，最早期的HDD的结构，其基本信息如上所述，这里不过多赘述。
垂直式
与水平式相对，将微磁颗粒竖起来从而减少了每个微磁颗粒所占面积。
叠瓦式（瓦楞式）
翻车的技术革新 其在垂直式的基础上，将原本排列成一排的微磁颗粒排列成交错的叠罗汉形式。
这固然提升了存储容量,但是由于读写头大小是有极限的，导致在叠瓦式在写入数据时势必会影响到相邻的颗粒。为了保证数据不损坏，于是我们将下一位数据放入缓存之后改写回来，这又影响了下下位的颗粒！好在扇区的边缘不是叠瓦的，于是乎我们只要改写一个数据就将一个扇区的颗粒全部读写一遍，这个读写速度是真的辣眼睛。
tips：区分是否是叠瓦盘的方法就是看缓存，因为叠瓦盘的缓存都会比普通的硬盘缓存大好多，像那种256M的缓存的叠瓦没跑了。 恶心就恶心在还有商家以此作为卖点，真就忽悠小白呗。
光盘
1958年，一个内容为用光头代替磁头读取磁带信息的专利，为光碟诞生铺平了道路。只算是光碟的里程碑。1962年，光碟诞生。
所以最早的光碟实际上就是用光线的黑胶碟。光碟的原理则是光头扫过时，将读取光盘上的凹凸并转换为0和1的二进制数字信号，这也是所有光碟的基本原理。最初的光碟是透明的，光线通过光碟上记录信息的坑洼，改变通光率，在另一面被接收器读取光信号。所以LD是读取模拟信号，后来的CD则是数字信号，而CD到蓝光的区别，不过是间距越来越窄，圈数越来越多罢了。
LD光碟，即镭射光碟。刚诞生时不是现在流行的12cm大小，其尺寸是参照黑胶唱片所生产，比现在常见的光碟大的多。其是民用光碟的开山鼻祖。1968年，MCA收购了光碟的技术并与飞利浦合作，1969年飞利浦开发出了反射式光碟，就是现在用的光碟样式。其特点就是可以定位到任意位置。但由于光盘大，转速快，运行起来就会抖动，导致光头无法读取数据，马达驱动噪音更是酸爽。而且当时没有数字信号所以与CD/DVD、蓝光不同，LD其实是存储模拟信号的光碟，这就导致其无法无损压缩。之后日本先锋接手了LD技术，经历过一系列的发展才将DiscoVision改为了LaserVison，87年索尼推出CD时看上了LD的大容量推出了存储数据的LD碟，称为LaserDisc，这才是LD真正名字由来。之后LD碟还从原本的模拟视频+模拟音频改为了模拟视频+数字音频，嵌入了CD的技术。后来DVD诞生后各方面都超越了LD碟。短短4年间LD碟就彻底衰落。2009年先锋宣布停产LD碟，宣告了LD的历史终点。
CD光碟，史上第一款大规模流行的数字音频介质。前面提到LD碟是模拟信号，模拟信号的缺点就是易受干扰，受设备影响大而且无法压缩。而DVD的数字信号抗干扰能力强，可以根据算法实现音频压缩，只需要在播放的时候将数字信号转为模拟信号。
当时的公司都在偷偷研究数字信号的光碟，当时的巨头索尼和飞利浦偷偷一起联合开发CD技术。这里面还有一件趣事，飞利浦和索尼对一张CD能装多久的音乐产生了分歧，飞利浦的意思是60分钟，而索尼认为60分钟不能装下一些大型的交响乐，当时索尼的副总裁大贺典雄，就提意见说贝多芬第九交响曲一整场是74分钟，所以希望CD储存时长能够达到74分钟。最终CD的时长标准值是75分钟，实际精确的值是74分42秒。对于CD的读取方法，当时提出了光，磁和静电方案。最终决定CD使用780nm左右波长的红色激光作为读取工具。
大贺典雄，兼职做过乐队指挥 大贺典雄，兼职做过乐队指挥 由于LD老大哥的前车之鉴，由于LD体积过大，为了降低其光碟机的制造难度，LD光碟的读取方式使CAV及角速度恒定。但是内圈外圈，单位强度是不一样的，恒定的角速度会使得空间受到浪费，所以CD使用了CLV及恒定线速度，光头每秒经过的区域大约是1.2到1.4米。1980年，索尼和飞利浦共同发布了CD的标准规格，红皮书将CD音频光碟，正式命名为CD-DA（Compact Disc Digital Audio)，规定CD使用16bit的PCM编码，采样频率44100赫兹。在之后，CD组织又进一步缩减了CD光碟每圈数据之间的间距，将音频时长延长到80分钟。那时候CD还只有音频CD，存储数据的CD-ROM在1987年才出现。
ROM（Read Only Memory）
由于光与磁的特性，使它们在掉电之后仍然可以储存数据。所以人们一开始决定只读不写，这样就可以在断电后仍然储存数据。关键的元器件就是MOS管。从模电知识，我们知道MOS管有开关特性，栅级通高电平时会使源极漏极，形成导电通道。
利用这种特性，一个MOS管就可以做一个存储Cell。当W线通上开启电压，则MOS管开启B接地输出低电平，当这个Cell没有MOS管，则B线输出高电平。那么多加几个Cell就可以提高数据位数，再多加几条W线，在对应的W上通电则得到了一个二进制数据的存储块。这就是最开始的ROM，也可称之为掩膜ROM，其存储方式就是通过控制Cell是否有MOS管来存储数据的。这种ROM的缺点也非常明显，其数据写上后就无法修改，且厂家如果要生产就需要用户定制的数据模板，生产效率低。
PROM（Programmable ROM）
在掩膜ROM的基础上，人们开发出可编程ROM，即PROM。在MOS和输出线路上加上一个低熔点的合金丝或多晶硅导线，只需要烧断这根导线就可以去掉这个Cell中的MOS，这也就是烧写、烧录这个词的由来。厂商只需要生产此种存储器和编程器，用户就可以自行烧录自己需要的数据，大大提高了生产效率，用户使用也更加方便。
虽然PROM完美解决厂家生产和用户使用的矛盾，但是PROM仍然不支持自由读写，所以人们没有停下继续探索的脚步。1967年华裔科学家施敏和韩裔科学家姜大元从午后甜点中的一块夹心奶油蛋糕获得了灵感。就此，现代存储产业的鸿图开始了。
EPROM（Erasbale Programmable Read Only Memory ）
我们知道ROM的基本原理主要是利用栅极加上开启电压后产生导通沟道，这个导通沟道实际上是栅极电压透过绝缘层产生的指向衬底的电场从而吸引电子形成沟道。而他们的想法就是在栅极和衬底之间的绝缘层中插入一个金属薄板作为新的栅极。对于这种MOS，我们称原来的栅极为控制栅，夹心为浮置栅。
我们知道，这样的一个导体不会影响电场的传播，但是如果我们给这个新栅极注入足够的电子，那么这些电子就会形成一个负电场，而抵消了栅极的正电场。这样当栅极加上开启电压时，电场相抵消就不会形成导电通道。而且由于周围是二氧化硅绝缘层，里面的电子不会外逃，就实现了长期存储。
人们将这种MOS替代原来的MOS管，注入电子后，这个Cell的MOS管就不受开启电压影响，等于去掉了这个MOS管。注入电子的方法采用的是热电子注入法：在栅极上加上一个5v的电压，再在源极漏极上加上一个20V-25V的高电压就会产生雪崩击穿产生热电子，根据能量高的粒子（热电子）能够穿透能量低的（二氧化硅）势垒，被栅极的电场吸引注入到浮置栅上。
而擦除浮置栅上的电子则是用紫外线或X射线照射二氧化硅层产生电子-空穴对泄放电子。这个过程需要20-30分钟，而且在擦除后还要用不透明胶布封好透明石英板，虽然有点麻烦但是这就是最早的可擦除的可编程只读存储器了。
EEPROM（Erasbale Programmable Read Only Memory ）与FLASH
在之后科学技术的发展下，以EPROM为基础，人们利用量子隧穿的效应开发出了EEPROM，其具有功耗更低，电子注入擦除速度更快的特点，使得需要紫外线照射的EPROM退出了历史舞台。其注入电子的具体过程就是在栅极加上一个20V的高电压，就会在产生一个量子隧道，以供电子通过。
而擦除的过程则是在漏极加上一个高电压，产生量子隧道使得电子流进衬底，这样就演化出了电信号擦除的可编程ROM，即EEPROM。而在EEPROM上集成上电压控制电路，而不再需要使用编程器，这就是闪存FLASH了。从此ROM的只读两字，变成了一个代号。
固态硬盘就是FLASH构成的，和机械硬盘一样，为了提高存储密度，人们又在FLASH上魔改，产生出现在常听见的四种闪存颗粒，SLC(Single level cell）、MLC（Multi level cell）、TLC（Triple level cell）、QLC（Quad level cell）。
SLC就是最原始的存储方法，浮置栅注入电子存0，放掉存1。若将注入的电子分为4个档位，那么4个档位对应的开启电压也不同，通过测量管子的四种不同开启电压状态经过转换就可以得到4种数据，这就是MLC。同理还可以衍生出TLC、QLC。
虽然理论上还可以无限套娃，但是受到工艺与技术问题止步于QLC。除了对注入精度有要求以外，注入时长也更长。读取时，要尝试更多次的开启电压，拉低读取速度。所以很显然SLC>MLC>TLC>QLC。
闪存FLASH在使用时不是直接连接主机而是通过闪存的主控电路，而主控电路与闪存的使用方式的区别则是市场上不同存储产品的区别。主控电路+底层闪存构成SSD，而主控电路设计难度较高，全球能做得好的有MARVELL、三星、慧荣、群联。主控电路除了连接闪存与主机还有一下功能
这一点在用久的SSD上更尤为明显，主控要做好对垃圾块的回收给新的数据使用。什么时候回收，回收策略和过程，都需要主控的GC机制的考虑。
在浮置栅上反复充放电会对二氧化硅层造成不可逆的损耗，使电子外逃，故对闪存的使用会造成其加速老化。如果每个闪存使用频率差距过大，那么就容易造成常使用的存储块数据丢失。所以如何平衡磨损，就对SSD整体寿命很正要，比如将热数据放到年轻块的动态平衡算法。
SSD异常断电时如何保存好数据不丢失，比如加一个大电容，用算法在下一次通电重算数据等。
闪存中存在增长坏块（多次擦写产生）和出厂坏块，这是出厂自带，与制作工艺有关。闪存芯片有好有坏，原厂严格挑选的合格品封装后就是所说的原厂颗粒，原厂淘汰下来的颗粒经过其他厂商二次检测认为合格后再次销售，即白片，而这批被淘汰的就是黑片颗粒。U盘就是消耗黑片颗粒的大头。
回到主控，主控需要鉴别出哪些是坏的，是跳过坏块还是好块代替。
这些就是我整理的计算机存储的基本原理，比较粗浅。因为作者是集成电路专业所以对ROM的发展比较感兴趣，在看了大佬的视频后有感而记录。如果有出入欢迎指出。
参考资料：
1、Ele实验室——《如何科学的选择硬盘-两刻钟全面认识计算机存储原理》
2、红酒汤姆一世——《【科技杂谈77】比脑袋还大的光碟——LD光碟（镭射光碟）【光盘发展史1】》
3、红酒汤姆一世——《【科技杂谈78】CD发展史第一期：CD的诞生【光盘发展史2】》
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