硬碟上的资料是否有重量？

我的学生前些日子突然脑洞爆发，问我：“存满资料的硬碟是不是比空硬碟重？资料是否有重量？”

我也查了大量的资料，也和朋友老狼做了持续的辩论。所以这里简单的介绍一下：简单来说就是存了资料後，硬碟只有磁级变化，质量不变；而SSD因为锁住了更多的电子元件（但要记住，是0变多了，而不是1 ），所以变重了，尽管只有几乎可以忽略的一点点！

我先将硬碟分为传统磁介质硬碟和固体硬碟两种，两种硬碟有不同的答案。和他不同的是，我希望从空硬碟什麽样，存满资料的硬碟什麽样的角度来推导出结论。

空硬碟什麽样？
大家买回去的硬碟上面什麽也没有，还需要重新分区等等操作，是不是硬碟上面就空空如也，什麽也没有呢？其实并不是。

磁介质硬碟出厂时做过低级格式化，拿到用户的手上时已经被写入柱面、磁道、扇区等等信息，在没有内容的数据区，都被磁化成0的内容。所以空机械硬碟是绝大部分为0内容，很小部分为资料（假设0，1参半）。

SSD存储介质采取NAND Flash。为了简化起见，我们只讨论SLC。MLC/TCL/QLC也类似，并不影响结果。空的SSD出厂前已经被写入原始的FTL映射表，空闲块也已经被预擦除（不是必须，结果一样）。和卓克认为的不一样，被擦除後是全1，也就是说空SSD是绝大部分是1，很小部分是资料（也假设0，1参半）。

存满资料後有什麽变化？
为了简化起见，我们假设存满的资料也都是0，1参半。那麽存满资料後硬碟发生了什麽变化呢？

磁介质硬碟资料是通过调整磁介质磁极方向来存储的。卓克的比喻十分形象，这里借用一下：机械硬碟是一个筐子，磁介质是里面放的很多香蕉。0是香蕉把朝北，1是香蕉把朝南。存满资料就相当於，原来香蕉把都朝北，现在一半朝北一半朝南。请问筐子重量会不会变化呢？当然不会！

SSD的NAND Flash存储，卓克认为是测量被囚禁在浮动栅（Float Gate）里面的电子的数量，大於100就是1，小於就是0。因为电子有质量，因为空的SSD以前都是0，现在被囚禁了很多电子，导致0，1参半，所以会重一点点。但是我们前面提到，空SSD实际上绝大部分是1，存满资料实际上是0变多了，那是不是意味着存满资料，SSD变轻了呢？

实际上，是会重一点。卓克犯了两个错误，负负的正，结论反倒是正确的。实际上存0比存1重，所以SSD会变重点。那麽为什麽存0反倒比存1重呢？这要从NAND Flash的存储原理说起。

闪存的工作原理
闪存的基本原理在1980年代之後基本就没有变化过。它的构成和场效应管(MOSFET)十分类似：

它由：源极（Source）、漏极（Drain）、浮动栅（Float Gate）和控制栅（Control Gate）组成。相对场效应管的单栅极结构，闪存是双栅极结构。浮动栅是由氮化物夹在二氧化矽材料（Insulator）之间构成。

在控制栅加正电压，将电子（带负电）吸入浮动栅。在此後，由於浮动栅上下的二氧化矽材料并不导电，这些电子被囚禁（Trap）在浮动栅之中，出不去了。这样无论今後控制栅电压有否，这个状态都会保持下去，所以闪存可以掉电保存资料。注意写操作完毕後，该闪存单元存储的是0，後面我们将会介绍为什麽。

我们的擦除操作（Erase）刚好相反：

在源极加正电压利用浮空栅与漏极之间的隧道效应，将注入到浮空栅的负电荷吸引到源极，排空浮动栅的电子。这时读取的状态是1。

那为什麽有电子是0，没电子是1呢？以为读取的时候，需要给控制栅加一个低的读取电压，对於被Program过的闪存单元来说，被囚禁的电子可以抵消该读取电压，造成源极和漏极之间是处於被关闭的状态：

如果是被擦除过的就刚好相反，源极和漏极在控制栅的低电压作用下，处於导通状态：

也就是说通过向控制栅加读取电压，判断漏极-源极之间是否处於导通状态来读取闪存单元的状态，如果被Program过的，就是处於关闭OFF状态，为0；而被Erase过的，就是处於导通状态ON，为1。

总结一下，就是浮动栅（Float Gate）里面没有电子，就是1；如果有电子，就是0。因为0有少许电子，比没有电子的1的状态要重一些。空的SSD大部分是1，没有电子；写满後0状态变多了，有了更多的电子，所以重一丢丢。

答疑
今天我就其中思考比较深入的问题统一就我的理解做一个解释。

Q:好像也不对，虽然局部锁住了电子，但整体上SSD是电中性的，所以应该也会有些局部的原因抵消了电子的电负性，比如正离子、空穴之类。
Q :这样会造成电源流出和流入的电子数量不匹配，电荷不守恒了。我猜电子是从衬底中来的，浮栅充电後衬底多了相应数量的空穴。
Q :但是电子带负电，电子多了如果不是本来就在里面的，那还有别的什麽离子进去啊。
A:总的来说疑问就是多余的电子从哪里来？半导体不是电中性吗？

思考这些问题的同学应该是具有一定的半导体的知识。这很好，我们都知道场效应管(MOSFET)其中虽然分为N型和P型，但整体是电中性的，即正负电荷总数相等。昨天的这幅图：

让很多同学认为电荷是从基底/衬底，也就是P型半导体抽上来的，总体电子数量不变，因为电中性。这是因为我为了面向一般受众，将一些具体的细节没有提及，难怪产生误解。下面这个图应该就比较清楚了：

我们可以看到源极Source和漏极Drain都是N型半导体，基底是P型半导体。与一般MOSFET不同的是，这里有两个Gate,他们之前由氧化物绝缘层隔离。

Program（写0）的过程是这样：

源极接地，漏极接正电压，同时在控制gate接正电压。电子就从源极向漏极流动，在控制gate上电压足够高时，电子会穿过氧化物绝缘层（tunneling）,被捕获(trap)在浮动gate中。这个电压要刚刚好，既要让电子穿过第一个氧化物绝缘层，又不能让它们继续穿过下一个氧化物绝缘层到达控制gate。

看到这里，相信同学们已经清楚电子从哪里来的，半导体的电中性怎麽样了吧。电子是从source的ground来的，没有东西被电离。电子确确实实是多出来了，它们会被关在那里，直到下一次越狱的机会。

值得一提的是，电子并不会被永远关在那里，如果闲着不动的话，有逃离的机会：

我们的资料存在固态硬碟上安全吗？

Q:感觉应该是充放电造成电势能变化，进而E=mc2造成质量变化。
Q:不只有内能，假设内能完全不变，电子从分散到聚集电势能肯定增加的。磁场排列从无序到有序能量肯定也是增加。
Q:是不是熵增加了？
A: 是势能发生了变化，从这个角度理解也可以。熵实际上应该是减小了。

Q:要是能做实验观测到重量变化就好了哈哈哈哈，原来一直在想这个问题，是不是写满了就变重了
A: 这个目前来说没法做实验。电子质量是9.10938356 × 10（-31）kg，就算trap了一亿个电子，我们的测量仪器还没有这种灵敏度。其他的干扰因素，如风吹啊，灰尘啊等等带来的影响就比这增加的一点点质量要高得多。

结论

存满资料後，机械硬碟只有磁级变化，质量不变；而SSD因为锁住了更多的电子（但要记住，是0变多了，而不是1），所以变重了，尽管只有几乎可以忽略的一点点！

生活中真是充满了各种有趣的意想不到的知识！