Will Storing Files Increase the Quality of Phones?

手机已经从方方面面进入了人类的生活：屏幕前的你每天用手机聊微信、刷微博、下载电影、拍照片……想必很多人都曾遇到过“您的存储空间已满”这样的痛苦。不知道大家有没有考虑过下面这个问题：

当你手机存储容量几乎已满的时候，和你刚买这部手机相比，它的质量有没有发生变化呢？

这里我们不考虑磨损老化等其他因素的影响，仅就手机存储数据带来的质量变化做讨论。在进行讨论之前，让我们先来了解一下手机的存储机制。

手机作为一种便捷的计算机，仍然遵守冯诺依曼体系。冯氏体系指出计算机应该由CPU（中央处理单元，主要来进行运算）和存储器（主要来进行存储）两大部分组成。所谓存储器就是用来存储我们在使用中产生的大量数据。计算机中的数据是一系列0和1构成的二进制代码，我们在使用手机的过程中，会产生很多中间数据需要暂时存储起来，也会有很多数据希望能够长时间的保存下来。

熟悉电子技术的朋友很容易理解RAM和ROM：实际上这是两种存储器件，能够存储大量的0和1。所谓RAM即“随机存储器”，它的特点是存储的数据只能在供电的状态下维持，当我们切掉电源后数据会丢失；这一部分在手机中被称作“系统内存”，它的大小影响着手机的运行速度等性能，对于一部iPhone X，这个容量是3GB。而我们在使用手机下载番剧或电影时的数据则存在ROM中，ROM即“只读存储器”，这种存储器存储的数据在掉电后也不会丢失，在手机中这一部分被称作“非运行内存”，它的大小决定了用户能够存储的数据量，对于iPhone X目前则有64GB和256GB两种大小。

在我们讨论的问题中，主要是对于手机中ROM部分的研究，因为我们下载的图片、音乐、照片等通常是存储在这里面的。目前在手机中应用的ROM是一种被称为闪存（Flash Memory）的存储器，它是基于一种“浮栅场效应管”工作的。在介绍这个的原理之前，先让我们了解一下什么是场效应管。

场效应管（FET）是一种很常用的晶体管。它和双极结型三极管（BJT）等原件共同构成了我们丰富多彩的电子电路。在这里我们只需要知道它是如何在数字电路中体现出0或1的特性的（实际上0和1正是我们要存储的内容），下面我们以N沟道增强型MOSFET管为例介绍一下它的开关特性：

这种FET管被称作金属-氧化物-半导体场效应管，正如上图所示，P型硅衬底（灰色，半导体）通过二氧化硅的绝缘层（白色，氧化物）与铝（蓝绿色，金属）连接，其中两部分铝与P型硅直接连接，分别称为源极s和漏极d（注意到在与衬底引线连接之前，这两个极并无区别，因此是可以互换的！），另外一部分铝则在绝缘层上，称为栅极g。

我们把源极s接地，把栅极g作为控制极，把漏极d作为输出极，并在栅源（gs）和漏源（ds）的两端都加上正向电压。考察栅极和漏极电位的大小：在栅极电位较低的时候，管子没有发生明显变化，此时漏极电位较高（接近电源电压），我们认为此时为高电平即逻辑1，或者导通；当栅极电位增大到一定程度时，由于栅极到衬底电压足够大，会有大量的电子被吸引到栅极附近，由于绝缘层的作用堆积，产生一条导电的沟道，此时相当于漏极到源极之间被一条支路短路，漏极电压下降，接近于0电位，我们认为此时为低电平即逻辑0，或者截止。场效应管便通过栅极g的控制体现出0和1两种状态。

以上讨论并不严谨，希望对电子技术等有一定基础的朋友不必深究。基于此我们了解了如何利用场效应管表示0和1。但是这种场效应管通过控制建立的沟道在撤去电压后并不能保持，也就是并不具备存储的功能。那么我们是否能够制造一种场效应管，使它通过一定的工艺能够具有存储数据的功能呢？或者说，通过一定的手段，使这种场效应管在相同的外加条件下表现为不同的状态0或1呢？下面我们要介绍的便是一种能够实现这种功能的场效应管，也是闪存中使用的元件：浮栅场效应管。

浮栅场效应管的结构同之前介绍的NMOS管很相像，不同之处在于原来的栅极g被分成两部分，一部分是和之前类似的控制栅gc，另一部分是包裹在绝缘层中的浮栅gf。在之前的讨论中，实现场效应管状态变化是由于栅极g电压的升高，我们可以想象成存在一个阈值，只有栅极电压高于这个阈值时，沟道才能够形成，这个阈值被称作开启电压。如果对于同一个器件，我们能够改变这个开启电压，那么当栅极加一个固定的电压时，不就能够使管子处在0或1的状态了吗？

在一开始时候，浮栅上是没有电荷的，此时就相当于之前提到的场效应管，控制栅的电压大小决定了漏极的电位。当我们在栅极g加上一个很高的电压（远大于形成沟道的电压）时，在P型半导体中会产生大量的高能电子，这些电子由于隧穿效应穿过绝缘层到达浮栅层，当移除这个电压时，由于绝缘层的存在浮栅无法放电，所以电子会留在浮栅上。由于浮栅上带有电子，这个管子的导通电压会变大，即当我们再次向控制栅加电压时，需要更大的电压才能够形成沟道使漏极表现为低电平0（理解为需要足够的电压克服浮栅内的电子）。如果在栅极g仍然加上之前的电压，那么此时在漏极d体现的便是高电平1，而不是低电平0。通过这种方法便实现了状态0或1，浮栅上的电子团即使在掉电的情况下，仍然会存留在浮栅上，所以信息能够长期保存（通常来说，这个时间可达10年）。

这便是一个编程的过程，最初场效应管截止，加控制电压后导通体现为逻辑1,；通过编程改变了浮栅的特性，使得加控制电压后仍截止，体现为逻辑0。对于一个新买的手机，由于没有存储数据，其闪存内的所有浮栅管加电压后全部是导通的，即全部是数据“1”；只有存储了数据后，通过“编程”使得一部分浮栅管截止，最终实现0和1的存储。

好了，既然我们已经清楚手机内存的存储过程，下面我们便讨论最初的问题：我的手机内存存满之后，质量会变化吗？我们注意到，你的手机在存储数据后，发生的变化是一部分浮栅场效应管的控制栅通过大电压使得其浮栅内存储了大量电子。尽管浮栅管内的电子总量没有发生变化，但是高电压使得电子能量发生变化，通过绝缘层进入浮栅的电子具有更高的势能，由于绝缘层的作用使得这部分势能被保留下来。也就是说，随着数据的存储，那些被置为0的浮栅场效应管中的一部分电子具有更高的能量，根据质能方程E=mc2，这些电子的质量也会有所增大。所以你的手机下载视频等占用存储空间之后，它的质量也会增加。

这种质量的增加是微乎其微的，相对于一部手机的重量完全可以忽略不计。但是它至少提醒你一件事：你的手机在聊天看视频的时候（在质量上）都会有所收获；希望你也是如此。