把硬盘装满电影，掂一掂，真的更重了一些
图片：Vincent Botta / CC0
一个装满数据的硬盘比一个空硬盘重吗？数据有重量吗？
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简单来说就是存了数据后，机械硬盘只有磁级变化，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！
平时就喜欢听喜马拉雅的《卓老板聊科技》，作为路上打发时间的利器，卓克的这个节目强调科学思维，其内容深度和广度确实让我大开眼界。昨天偶尔听到一集，关于“存满数据的硬盘是不是比空硬盘重？”的问题，角度十分刁钻，让我也开了脑洞。不过，其中关于 SSD 固态硬盘的存储部分有些许错误，虽然瑕不掩瑜而且结论正确，我还是想要澄清部分对 SSD 原理广泛的误解。
和卓克一样，我也将硬盘分为传统磁介质硬盘和固态硬盘两种，两种硬盘有不同的答案。和他不同的是，我希望从空硬盘什么样，存满数据的硬盘什么样的角度来推导出结论。
空硬盘什么样？
大家买回去的硬盘上面什么也没有，还需要重新分区等等操作，是不是硬盘上面就空空如也，什么也没有呢？其实并不是。
磁介质机械硬盘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。所以空机械硬盘是绝大部分为 0 内容，很小部分为数据（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，被擦除后是全 1，也就是说空 SSD 是绝大部分是 1，很小部分是数据（也假设 0，1 参半）。
存满数据后有什么变化？
为了简化起见，我们假设存满的数据也都是 0，1 参半。那么存满数据后硬盘发生了什么变化呢？
磁介质硬盘数据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：机械硬盘是一个筐子，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。存满数据就相当于，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，大于 100 就是 1，小于就是 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，存满数据实际上是 0 变多了，那是不是意味着存满数据，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。那么为什么存 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 年代之后基本就没有变化过。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硅材料（Insulator）之间构成。
我们的写操作（Program)是这样：
在控制栅加正电压，将电子（带负电）吸入浮动栅。在此后，由于浮动栅上下的二氧化硅材料并不导电，这些电子被囚禁（Trap）在浮动栅之中，出不去了。这样无论今后控制栅电压有否，这个状态都会保持下去，所以闪存可以掉电保存数据。注意写操作完毕后，该闪存单元存储的是0，后面我们将会介绍为什么。
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。
那为什么有电子是 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，对于被 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于被关闭的状态：
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，处于导通状态：
也就是说通过向控制栅加读取电压，判断漏极 - 源极之间是否处于导通状态来读取闪存单元的状态，如果被 Program 过的，就是处于关闭 OFF 状态，为 0；而被 Erase 过的，就是处于导通状态 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；写满后 0 状态变多了，有了更多的电子，所以重一些。
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，浮栅充电后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，那还有别的什么离子进去啊。
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，半导体的电中性怎么样了吧。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：
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
存满数据后，机械硬盘只有磁级变化，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。