我的學生前些日子突然腦洞爆發，問我：“存滿資料的硬碟是不是比空硬碟重？資料是否有重量？”

我也查了大量的資料，也和朋友老狼做了持續的辯論。所以這裡簡單的介紹一下：簡單來說就是存了資料後，硬碟只有磁級變化，質量不變；而SSD因為鎖住了更多的電子元件（但要記住，是0變多了，而不是1 ），所以變重了，儘管只有幾乎可以忽略的一點點！

我先將硬碟分為傳統磁介質硬碟和固體硬碟兩種，兩種硬碟有不同的答案。和他不同的是，我希望從空硬碟什麼樣，存滿資料的硬碟什麼樣的角度來推導出結論。

空硬碟什麼樣？
大家買回去的硬碟上面什麼也沒有，還需要重新分區等等操作，是不是硬碟上面就空空如也，什麼也沒有呢？其實並不是。

磁介質硬碟出廠時做過低級格式化，拿到用戶的手上時已經被寫入柱面、磁道、扇區等等信息，在沒有內容的數據區，都被磁化成0的內容。所以空機械硬碟是絕大部分為0內容，很小部分為資料（假設0，1參半）。

SSD存儲介質採取NAND Flash。為了簡化起見，我們只討論SLC。MLC/TCL/QLC也類似，並不影響結果。空的SSD出廠前已經被寫入原始的FTL映射表，空閒塊也已經被預擦除（不是必須，結果一樣）。和卓克認為的不一樣，被擦除後是全1，也就是說空SSD是絕大部分是1，很小部分是資料（也假設0，1參半）。

存滿資料後有什麼變化？
為了簡化起見，我們假設存滿的資料也都是0，1參半。那麼存滿資料後硬碟發生了什麼變化呢？

磁介質硬碟資料是通過調整磁介質磁極方向來存儲的。卓克的比喻十分形象，這裡借用一下：機械硬碟是一個筐子，磁介質是裡面放的很多香蕉。0是香蕉把朝北，1是香蕉把朝南。存滿資料就相當於，原來香蕉把都朝北，現在一半朝北一半朝南。請問筐子重量會不會變化呢？當然不會！

SSD的NAND Flash存儲，卓克認為是測量被囚禁在浮動柵（Float Gate）裡面的電子的數量，大於100就是1，小於就是0。因為電子有質量，因為空的SSD以前都是0，現在被囚禁了很多電子，導致0，1參半，所以會重一點點。但是我們前面提到，空SSD實際上絕大部分是1，存滿資料實際上是0變多了，那是不是意味著存滿資料，SSD變輕了呢？

實際上，是會重一點。卓克犯了兩個錯誤，負負的正，結論反倒是正確的。實際上存0比存1重，所以SSD會變重點。那麼為什麼存0反倒比存1重呢？這要從NAND Flash的存儲原理說起。

閃存的工作原理
閃存的基本原理在1980年代之後基本就沒有變化過。它的構成和場效應管(MOSFET)十分類似：

它由：源極（Source）、漏極（Drain）、浮動柵（Float Gate）和控制柵（Control Gate）組成。相對場效應管的單柵極結構，閃存是雙柵極結構。浮動柵是由氮化物夾在二氧化矽材料（Insulator）之間構成。

在控制柵加正電壓，將電子（帶負電）吸入浮動柵。在此後，由於浮動柵上下的二氧化矽材料並不導電，這些電子被囚禁（Trap）在浮動柵之中，出不去了。這樣無論今後控制柵電壓有否，這個狀態都會保持下去，所以閃存可以掉電保存資料。注意寫操作完畢後，該閃存單元存儲的是0，後面我們將會介紹為什麼。

我們的擦除操作（Erase）剛好相反：

在源極加正電壓利用浮空柵與漏極之間的隧道效應，將注入到浮空柵的負電荷吸引到源極，排空浮動柵的電子。這時讀取的狀態是1。

那為什麼有電子是0，沒電子是1呢？以為讀取的時候，需要給控制柵加一個低的讀取電壓，對於被Program過的閃存單元來說，被囚禁的電子可以抵消該讀取電壓，造成源極和漏極之間是處於被關閉的狀態：

如果是被擦除過的就剛好相反，源極和漏極在控制柵的低電壓作用下，處於導通狀態：

也就是說通過向控制柵加讀取電壓，判斷漏極-源極之間是否處於導通狀態來讀取閃存單元的狀態，如果被Program過的，就是處於關閉OFF狀態，為0；而被Erase過的，就是處於導通狀態ON，為1。

總結一下，就是浮動柵（Float Gate）裡面沒有電子，就是1；如果有電子，就是0。因為0有少許電子，比沒有電子的1的狀態要重一些。空的SSD大部分是1，沒有電子；寫滿後0狀態變多了，有了更多的電子，所以重一丟丟。

答疑
今天我就其中思考比較深入的問題統一就我的理解做一個解釋。

Q:好像也不對，雖然局部鎖住了電子，但整體上SSD是電中性的，所以應該也會有些局部的原因抵消了電子的電負性，比如正離子、空穴之類。
Q :這樣會造成電源流出和流入的電子數量不匹配，電荷不守恆了。我猜電子是從襯底中來的，浮柵充電後襯底多了相應數量的空穴。
Q :但是電子帶負電，電子多瞭如果不是本來就在裡面的，那還有別的什麼離子進去啊。
A:總的來說疑問就是多餘的電子從哪裡來？半導體不是電中性嗎？

思考這些問題的同學應該是具有一定的半導體的知識。這很好，我們都知道場效應管(MOSFET)其中雖然分為N型和P型，但整體是電中性的，即正負電荷總數相等。昨天的這幅圖：

讓很多同學認為電荷是從基底/襯底，也就是P型半導體抽上來的，總體電子數量不變，因為電中性。這是因為我為了面向一般受眾，將一些具體的細節沒有提及，難怪產生誤解。下面這個圖應該就比較清楚了：

我們可以看到源極Source和漏極Drain都是N型半導體，基底是P型半導體。與一般MOSFET不同的是，這裡有兩個Gate,他們之前由氧化物絕緣層隔離。

Program（寫0）的過程是這樣：

源極接地，漏極接正電壓，同時在控制gate接正電壓。電子就從源極向漏極流動，在控制gate上電壓足夠高時，電子會穿過氧化物絕緣層（tunneling）,被捕獲(trap)在浮動gate中。這個電壓要剛剛好，既要讓電子穿過第一個氧化物絕緣層，又不能讓它們繼續穿過下一個氧化物絕緣層到達控制gate。

看到這裡，相信同學們已經清楚電子從哪裡來的，半導體的電中性怎麼樣了吧。電子是從source的ground來的，沒有東西被電離。電子確確實實是多出來了，它們會被關在那裡，直到下一次越獄的機會。

值得一提的是，電子並不會被永遠關在那裡，如果閒著不動的話，有逃離的機會：

我們的資料存在固態硬碟上安全嗎？

Q:感覺應該是充放電造成電勢能變化，進而E=mc2造成質量變化。
Q:不只有內能，假設內能完全不變，電子從分散到聚集電勢能肯定增加的。磁場排列從無序到有序能量肯定也是增加。
Q:是不是熵增加了？
A: 是勢能發生了變化，從這個角度理解也可以。熵實際上應該是減小了。

Q:要是能做實驗觀測到重量變化就好了哈哈哈哈，原來一直在想這個問題，是不是寫滿了就變重了
A: 這個目前來說沒法做實驗。電子質量是9.10938356 × 10（-31）kg，就算trap了一億個電子，我們的測量儀器還沒有這種靈敏度。其他的干擾因素，如風吹啊，灰塵啊等等帶來的影響就比這增加的一點點質量要高得多。

結論

存滿資料後，機械硬碟只有磁級變化，質量不變；而SSD因為鎖住了更多的電子（但要記住，是0變多了，而不是1），所以變重了，儘管只有幾乎可以忽略的一點點！

生活中真是充滿了各種有趣的意想不到的知識！