存满数据的硬盘是不是比空硬盘重？
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：
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。
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！