Die vorige dele van die reeks "Inleiding tot SSD" het die leser vertel van die geskiedenis van die opkoms van SSD-aandrywers, koppelvlakke vir interaksie daarmee en gewilde vormfaktore. Die vierde deel sal praat oor die stoor van data binne dryf.
In vorige artikels in die reeks:
Berging van data in vaste toestand-aandrywers kan in twee logiese dele verdeel word: berging van inligting in 'n enkele sel en organisering van die berging van selle.
Elke sel in die SSD stoor een of meer stukkies inligting. Verskeie inligting word gebruik om inligting te stoor. fisiese prosesse. By die ontwikkeling van vastetoestand-aandrywers, is die volgende fisiese hoeveelhede vir enkoderingsinligting uitgewerk:
- elektriese ladings (insluitend Flash-geheue);
- magnetiese oomblikke (magnetoresistiewe geheue);
- fase state (geheue met 'n verandering in die fasetoestand).
Geheue gebaseer op elektriese ladings
Enkodering van inligting deur 'n negatiewe lading te gebruik, lê ten grondslag van verskeie oplossings:
- UV-uitwisbare ROM (EPROM);
- elektries uitwisbare ROM (EEPROM);
- Blits geheue.
Elke geheuesel is drywende hek MOSFET, wat 'n negatiewe lading stoor. Die verskil daarvan met 'n konvensionele MOS-transistor is die teenwoordigheid van 'n drywende hek - 'n geleier in 'n diëlektriese laag.
Wanneer 'n potensiaalverskil tussen die drein en die bron geskep word en die teenwoordigheid van 'n positiewe potensiaal op die hek, sal stroom van die bron na die drein vloei. As daar egter 'n voldoende groot potensiaalverskil is, "breek" sommige elektrone deur die diëlektriese laag en beland in die drywende hek. Hierdie verskynsel word genoem .
’n Negatief gelaaide drywende hek skep ’n elektriese veld wat inmeng met die stroomvloei van die bron na die drein. Boonop verhoog die teenwoordigheid van elektrone in die drywende hek die drempelspanning waarteen die transistor aanskakel. Met elke "skryf" na die drywende hek van die transistor word die diëlektriese laag effens beskadig, wat 'n beperking op die aantal herskryfsiklusse vir elke sel stel.
Swaaihek-MOSFET's is in 1967 deur Dawon Kahng en Simon Min Sze van Bell Labs ontwikkel. Later, toe die defekte in geïntegreerde stroombane ondersoek is, is opgemerk dat as gevolg van die lading in die drywende hek, die drempelspanning wat die transistor oopmaak, verander het. Hierdie ontdekking het Dov Frohman aangespoor om te begin werk aan geheue gebaseer op hierdie verskynsel.
As u die drumpelspanning verander, kan u die transistors "programmeer". Transistors met 'n lading in die drywende hek sal nie aanskakel wanneer die hekspanning groter is as die drempelspanning vir 'n transistor sonder elektrone nie, maar minder as die drumpelspanning vir 'n transistor met elektrone. Kom ons noem hierdie waarde leesspanning.
Uitwisbare programmeerbare leesalleen-geheue
In 1971 het 'n Intel-werknemer, Dov Frohman, 'n herskryfbare getransistoriseerde geheue geskep genaamd Uitwisbare programmeerbare leesalleen geheue (EPROM). Opname in die geheue is uitgevoer met behulp van 'n spesiale toestel - 'n programmeerder. Die programmeerder plaas 'n hoër spanning op die skyfie as wat in digitale stroombane gebruik word, en "skryf" daardeur elektrone in die drywende hekke van transistors waar nodig.
EPROM-geheue was nie veronderstel om die drywende hekke van transistors elektries skoon te maak nie. In plaas daarvan is voorgestel om die transistors bloot te stel aan sterk ultravioletstraling, waarvan die fotone die elektrone energie gee met die energie wat nodig is om die drywende hek te verlaat. Vir ultraviolettoegang diep in die skyfie word kwartsglas by die omhulsel gevoeg.
Froman het die eerste keer sy EPROM-prototipe in Februarie 1971 by die Philadelphia Solid State Microcircuits-konferensie aangebied. Gordon Moore het die demonstrasie onthou: “Dov het die bispatroon in EPROM-geheue-selle gedemonstreer. Toe die selle aan ultraviolet lig blootgestel is, het die stukkies een vir een verdwyn totdat die onbekende Intel-logo heeltemal uitgevee is. … Die maatslae was besig om te verdwyn, en toe die laaste een verdwyn het, het die hele gehoor in applous uitgebars. Dov se artikel is as die beste by die konferensie erken.” — Artikelvertaling
EPROM-geheue is duurder as voorheen gebruikte "eenmalige" leesalleengeheue (ROM), maar die vermoë om te herprogrammeer stel jou in staat om stroombane vinniger te ontfout en die ontwikkelingstyd van nuwe hardeware te verminder.
Die herprogrammering van ROM's met ultraviolet lig was 'n beduidende deurbraak, maar die idee van elektriese herskryf was reeds in die lug.
Elektries uitveebare programmeerbare lees-alleen geheue
In 1972 het drie Japannese: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi en Kiyoko Nagai die eerste elektries uitwisbare lees-alleen-geheue (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM of E2PROM) bekendgestel. Later sal hul wetenskaplike navorsing deel word van die patente vir kommersiële implementering van EEPROM-geheue.
Elke EEPROM-sel bestaan uit verskeie transistors:
- drywende hek-transistor vir bisberging;
- transistor om die lees-skryf-modus te beheer.
Hierdie ontwerp bemoeilik die bedrading van die elektriese stroombaan grootliks, so EEPROM-geheue is gebruik in gevalle waar 'n klein hoeveelheid geheue nie krities was nie. EPROM is steeds gebruik om groot hoeveelhede data te stoor.
Blits geheue
Flitsgeheue, wat die beste kenmerke van EPROM en EEPROM kombineer, is in 1980 deur die Japannese professor Fujio Masuoka, 'n ingenieur by Toshiba, ontwikkel. Die eerste ontwikkeling is NOR Flash genoem en is, soos sy voorgangers, gebaseer op swewende hek MOSFET's.
NOR-flitsgeheue is 'n tweedimensionele reeks transistors. Die hekke van die transistors is aan die woordlyn gekoppel, en die dreine is aan die bislyn gekoppel. Wanneer spanning op die woordlyn toegepas word, sal transistors wat elektrone bevat, dit wil sê die stoor van 'n "een", nie oopmaak nie en stroom sal nie vloei nie. Deur die teenwoordigheid of afwesigheid van stroom op die bislyn, word 'n gevolgtrekking gemaak oor die waarde van die bis.
Sewe jaar later het Fujio Masuoka NAND-flitsgeheue ontwikkel. Hierdie tipe geheue word onderskei deur die aantal transistors op 'n bislyn. In NOR-geheue is elke transistor direk aan 'n bislyn gekoppel, terwyl die transistors in NAND-geheue in serie gekoppel is.
Lees uit die geheue van hierdie konfigurasie is meer ingewikkeld: die nodige woordlyn word voorsien van die spanning wat nodig is vir lees, en alle ander woordlyne word voorsien van 'n spanning wat die transistor aanskakel, ongeag die vlak van lading daarin. Aangesien alle ander transistors gewaarborg is om oop te wees, hang die teenwoordigheid van spanning op die bislyn af van slegs een transistor, waarop die leesspanning toegepas word.
Die uitvinding van NAND-tipe flitsgeheue maak dit moontlik om die stroombaan aansienlik te kompak, wat meer geheue vir dieselfde grootte akkommodeer. Tot 2007 is die hoeveelheid geheue verhoog deur die vervaardigingsproses van die skyfie te verminder.
In 2007 het Toshiba 'n nuwe weergawe van NAND-geheue bekendgestel: Vertikale NAND (V-NAND), ook bekend as 3D NAND. Hierdie tegnologie beklemtoon die plasing van transistors in verskeie lae, wat jou weer toelaat om die stroombaan te kompakteer en die hoeveelheid geheue te verhoog. Skemaverdigting kan egter nie onbepaald herhaal word nie, dus is ander metodes ondersoek om die bergingskapasiteit te verhoog.
Aanvanklik het elke transistor twee vlakke van lading gestoor: 'n logiese nul en 'n logiese een. Hierdie benadering word genoem Enkelvlaksel (SLC). Aandrywers met hierdie tegnologie is hoogs betroubaar en het 'n maksimum aantal herskryfsiklusse.
Met verloop van tyd is besluit om die volume aandrywers te verhoog ten koste van slytasieweerstand. Die aantal ladingvlakke in 'n sel is dus tot vier, en die tegnologie is genoem Multi Level Cell (MLC). Toe kom Drievlaksel (TLC) и Quad Level Cell (QLC). In die toekoms sal 'n nuwe vlak verskyn - Penta Level Cell (PLC) met vyf stukkies in een sel. Hoe meer stukkies in een sel pas, hoe groter is die volume van die aandrywer teen dieselfde koste, maar minder slytasieweerstand.
Die verdigting van die stroombaan deur die prosestegnologie te verminder en die aantal bisse in een transistor te verhoog, beïnvloed die gestoorde data negatief. Ten spyte van die feit dat EPROM en EEPROM dieselfde transistors gebruik, kan EPROM en EEPROM data vir tien jaar sonder krag stoor, terwyl moderne Flash-geheue alles in 'n jaar kan "vergeet".
Die gebruik van flitsgeheue in die ruimtebedryf is moeilik, aangesien straling die elektrone in die drywende hekke nadelig beïnvloed.
Hierdie probleme verhoed dat Flash-geheue die onbetwiste leier op die gebied van inligtingberging word. Ten spyte van die feit dat Flash-gebaseerde stoortoestelle wyd gebruik word, is navorsing aan die gang oor ander tipes geheue wat nie hierdie tekortkominge het nie, insluitend die berging van inligting in magnetiese momente en fasetoestande.
magnetoresistiewe geheue
Enkodering van inligting deur magnetiese momente het in 1955 verskyn in die vorm van geheue op magnetiese kerns. Tot die middel-1970's was ferrietgeheue die hooftipe geheue. Om 'n bietjie uit hierdie tipe geheue te lees het gelei tot demagnetisering van die ring en verlies van inligting. Dus, na 'n bietjie gelees, moes dit teruggeskryf word.
In moderne ontwikkelings van magnetoresistiewe geheue word twee lae van 'n ferromagneet wat deur 'n diëlektrikum geskei word, in plaas van ringe gebruik. Een laag is 'n permanente magneet, en die tweede laag verander die rigting van magnetisering. Om 'n bietjie van so 'n sel te lees, word verminder tot die meting van die weerstand wanneer stroom deurgevoer word: as die lae in teenoorgestelde rigtings gemagnetiseer word, dan is die weerstand groter en dit is gelykstaande aan die waarde "1".
Ferrietgeheue benodig nie 'n konstante kragtoevoer om die aangetekende inligting in stand te hou nie, maar die magnetiese veld van die sel kan die "buurman" beïnvloed, wat 'n beperking op stroombaanverdigting plaas.
Volgens Onaangedrewe Flash SSD's moet inligting vir ten minste drie maande by 'n omgewingstemperatuur van 40°C behou. Ontwerp deur Intel beloof om data vir tien jaar by 200°C te hou.
Ten spyte van die kompleksiteit van ontwikkeling, word magnetoresistiewe geheue nie afgebreek tydens gebruik nie en het die beste werkverrigting onder ander tipes geheue, wat nie toelaat dat hierdie tipe geheue afgeskryf word nie.
Faseverandering geheue
Die derde belowende tipe geheue is geheue gebaseer op 'n fase-oorgang. Hierdie tipe geheue gebruik die eienskappe van chalcogeniede om te wissel tussen kristallyne en amorfe toestande wanneer dit verhit word.
Chalcogenides - binêre verbindings van metale met die 16de groep (6de groep van die hoofsubgroep) van die periodieke tabel van Mendeleev. Byvoorbeeld, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM en Blu-ray skywe gebruik germanium telluride (GeTe) en antimoon (III) telluride (Sb2Te3).
Navorsing oor die gebruik van fase-oorgang vir inligtingberging is uitgevoer in 1960's jaar Stanford Ovshinsky (Stanford Ovshinsky), maar toe het dit nie by kommersiële implementering gekom nie. In die 2000's het belangstelling in die tegnologie weer ontstaan, Samsung het 'n tegnologie gepatenteer wat bisskakeling in 5 ns toelaat, en Intel en STMicroelectronics het die aantal state tot vier vermeerder en sodoende die hoeveelheid moontlik verdubbel.
Wanneer dit bo die smeltpunt verhit word, verloor die chalkogenied sy kristallyne struktuur en verander dit na afkoeling in 'n amorfe vorm, gekenmerk deur hoë elektriese weerstand. Op sy beurt, wanneer dit verhit word tot 'n temperatuur bo die kristallisasiepunt, maar onder die smeltpunt, keer die chalkogenied terug na 'n kristallyne toestand met 'n lae vlak van weerstand.
Faseveranderinggeheue hoef nie mettertyd “herlaai” te word nie, en is ook nie vatbaar vir bestraling nie, anders as geheue op elektriese ladings. Hierdie tipe geheue kan inligting vir 300 jaar by 'n temperatuur van 85°C behou.
Daar word geglo dat die ontwikkeling van Intel, tegnologie 3D Crosspoint (3D XPoint) gebruik fase-oorgange om inligting te stoor. 3D XPoint word gebruik in Intel® Optane™ Memory-aandrywers, wat beweer word dat dit meer duursaam is.
Gevolgtrekking
Die fisiese ontwerp van vastestofaandrywings het baie veranderinge oor meer as 'n halfeeu se geskiedenis ondergaan, maar elkeen van die oplossings het sy nadele. Ten spyte van die onmiskenbare gewildheid van Flash-geheue, ondersoek verskeie maatskappye, insluitend Samsung en Intel, die moontlikheid om geheue te skep gebaseer op magnetiese oomblikke.
Die vermindering van selslytasie, die verdigting van selle en die verhoging van algehele aandrywingskapasiteit is gebiede wat tans belowend is vir die verdere ontwikkeling van vastestofaandrywers.
Jy kan vandag die coolste NAND-aandrywers en 3D XPoint toets in ons .
Na jou mening, sal die tegnologie om inligting oor elektriese ladings te stoor vervang word deur ander, byvoorbeeld kwartsskywe of optiese geheue gebaseer op sout-nanokristalle?
Bron: will.com