أخبرت الأجزاء السابقة من سلسلة "مقدمة إلى SSD" القارئ عن تاريخ ظهور محركات أقراص SSD ، وواجهات التفاعل معها ، وعوامل الشكل الشائعة. الجزء الرابع سيتحدث عن تخزين البيانات داخل محركات الأقراص.
في المقالات السابقة في السلسلة:
يمكن تقسيم تخزين البيانات في محركات أقراص الحالة الصلبة إلى جزأين منطقيين: تخزين المعلومات في خلية واحدة وتنظيم تخزين الخلايا.
كل خلية في مخازن SSD جزء واحد أو أكثر من المعلومات. يتم استخدام معلومات مختلفة لتخزين المعلومات. العمليات الفيزيائية. عند تطوير محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة ، تم وضع الكميات المادية التالية لتشفير المعلومات:
- الشحنات الكهربائية (بما في ذلك ذاكرة فلاش) ؛
- لحظات مغناطيسية (ذاكرة مقاومة مغناطيسية) ؛
- حالات المرحلة (ذاكرة مع تغيير في حالة المرحلة).
ذاكرة تعتمد على الشحنات الكهربائية
ترميز المعلومات باستخدام شحنة سالبة تكمن وراء عدة حلول:
- ROM قابل للمسح بالأشعة فوق البنفسجية (EPROM) ؛
- ROM قابل للمسح كهربائيًا (EEPROM) ؛
- ذاكرة متنقله.
كل خلية ذاكرة العائمة بوابة MOSFET، الذي يخزن شحنة سالبة. اختلافه عن ترانزستور MOS التقليدي هو وجود بوابة عائمة - موصل في طبقة عازلة.
عند إنشاء فرق محتمل بين الصرف والمصدر ووجود جهد إيجابي على البوابة ، سيتدفق التيار من المصدر إلى المصرف. ومع ذلك ، إذا كان هناك فرق جهد كبير بما فيه الكفاية ، فإن بعض الإلكترونات "تخترق" الطبقة العازلة وينتهي بها الأمر في البوابة العائمة. هذه الظاهرة تسمى .
تخلق البوابة العائمة ذات الشحنة السالبة مجالًا كهربائيًا يتداخل مع تدفق التيار من المصدر إلى المصرف. علاوة على ذلك ، فإن وجود الإلكترونات في البوابة العائمة يزيد من جهد العتبة الذي يعمل عنده الترانزستور. مع كل "كتابة" إلى البوابة العائمة للترانزستور ، تتضرر الطبقة العازلة قليلاً ، مما يفرض حدًا لعدد دورات إعادة الكتابة لكل خلية.
تم تطوير وحدات MOSFET ذات البوابة العائمة بواسطة Dawon Kahng و Simon Min Sze من Bell Labs في عام 1967. في وقت لاحق ، عند فحص العيوب في الدوائر المتكاملة ، لوحظ أنه بسبب الشحن في البوابة العائمة ، تغير جهد العتبة الذي يفتح الترانزستور. دفع هذا الاكتشاف دوف فروهمان لبدء العمل على الذاكرة بناءً على هذه الظاهرة.
يتيح لك تغيير جهد العتبة "برمجة" الترانزستورات. لن يتم تشغيل الترانزستورات المشحونة في البوابة العائمة عندما يكون جهد البوابة أكبر من جهد عتبة الترانزستور بدون إلكترونات ، ولكن أقل من جهد عتبة الترانزستور مع الإلكترونات. دعنا نسمي هذه القيمة قراءة الجهد.
ذاكرة للقراءة فقط قابلة للمسح والبرمجة
في عام 1971 ، أنشأ موظف إنتل ، دوف فروهمان ، ذاكرة ترانزستور قابلة لإعادة الكتابة تسمى ذاكرة للقراءة فقط قابلة للبرمجة (EPROM). تم التسجيل في الذاكرة باستخدام جهاز خاص - مبرمج. يطبق المبرمج على الرقاقة جهدًا أعلى من الجهد المستخدم في الدوائر الرقمية ، وبالتالي "كتابة" الإلكترونات في البوابات العائمة للترانزستورات عند الضرورة.
لم يكن من المفترض أن تقوم ذاكرة EPROM بتنظيف البوابات العائمة للترانزستورات كهربائيًا. بدلاً من ذلك ، تم اقتراح تعريض الترانزستورات للأشعة فوق البنفسجية القوية ، والتي تعمل فوتوناتها على تنشيط الإلكترونات بالطاقة اللازمة لمغادرة البوابة العائمة. للوصول إلى الأشعة فوق البنفسجية في عمق الرقاقة ، تمت إضافة زجاج الكوارتز إلى العلبة.
قدم فرومان لأول مرة نموذج EPROM الأولي الخاص به في فبراير 1971 في مؤتمر فيلادلفيا للدوائر الدقيقة الصلبة. استذكر جوردون مور العرض: "أظهر دوف نمط البت في خلايا ذاكرة EPROM. عندما تعرضت الخلايا للأشعة فوق البنفسجية ، اختفت البتات واحدة تلو الأخرى حتى تم مسح شعار Intel غير المألوف تمامًا. ... كانت الإيقاعات تختفي ، وعندما اختفت النغمة الأخيرة ، تصفيق الجمهور كله. تم الاعتراف بمقال دوف على أنه الأفضل في المؤتمر ". - ترجمة المادة
تعد EPROM أكثر تكلفة من ذاكرة القراءة فقط "لمرة واحدة" (ROM) المستخدمة سابقًا ، ولكن القدرة على إعادة البرمجة تتيح لك تصحيح أخطاء الدوائر بشكل أسرع وتقليل وقت تطوير الأجهزة الجديدة.
كانت إعادة برمجة ذاكرة القراءة فقط بالأشعة فوق البنفسجية إنجازًا مهمًا ، ومع ذلك ، كانت فكرة إعادة الكتابة الكهربائية موجودة بالفعل في الهواء.
كهربائيا للمسح برمجة ذاكرة القراءة فقط
في عام 1972 ، قدم ثلاثة يابانيين: Yasuo Tarui و Yutaka Hayashi و Kiyoko Nagai أول ذاكرة للقراءة فقط قابلة للمسح كهربائيًا (ذاكرة للقراءة فقط قابلة للمسح كهربائيًا ، EEPROM أو E2PROM). في وقت لاحق ، سيصبح بحثهم العلمي جزءًا من براءات الاختراع للتطبيقات التجارية لذاكرة EEPROM.
تتكون كل خلية EEPROM من عدة ترانزستورات:
- ترانزستور البوابة العائمة لتخزين البت ؛
- الترانزستور للتحكم في وضع القراءة والكتابة.
يؤدي هذا التصميم إلى تعقيد توصيلات الدائرة الكهربائية إلى حد كبير ، لذلك تم استخدام ذاكرة EEPROM في الحالات التي لا يكون فيها قدر ضئيل من الذاكرة حرجًا. لا يزال EPROM يستخدم لتخزين كميات كبيرة من البيانات.
ذاكرة متنقله
تم تطوير ذاكرة الفلاش ، التي تجمع بين أفضل ميزات EPROM و EEPROM ، بواسطة الأستاذ الياباني فوجيو ماسوكا ، المهندس في توشيبا ، في عام 1980. كان التطور الأول يسمى NOR Flash ، ومثل سابقاته ، يعتمد على MOSFETs ذات البوابة العائمة.
ذاكرة فلاش NOR عبارة عن مجموعة ثنائية الأبعاد من الترانزستورات. ترتبط بوابات الترانزستورات بخط الكلمة ، وتتصل المصارف بخط البت. عندما يتم تطبيق الجهد على خط الكلمة ، فإن الترانزستورات التي تحتوي على إلكترونات ، أي تخزين "واحد" ، لن تفتح ولن يتدفق التيار. من خلال وجود أو عدم وجود تيار على خط البت ، يتم التوصل إلى استنتاج حول قيمة البت.
بعد سبع سنوات ، طور Fujio Masuoka ذاكرة فلاش NAND. يتميز هذا النوع من الذاكرة بعدد الترانزستورات على خط بت. في ذاكرة NOR ، يتم توصيل كل ترانزستور مباشرة بخط بت ، بينما في ذاكرة NAND ، يتم توصيل الترانزستورات في سلسلة.
القراءة من ذاكرة هذا التكوين أكثر تعقيدًا: يتم تزويد سطر الكلمات الضروري بالجهد اللازم للقراءة ، ويتم تزويد جميع سطور الكلمات الأخرى بجهد يعمل على تشغيل الترانزستور ، بغض النظر عن مستوى الشحن فيه. نظرًا لأن جميع الترانزستورات الأخرى مضمونة لتكون مفتوحة ، فإن وجود الجهد على خط البت يعتمد على ترانزستور واحد فقط ، يتم تطبيق جهد القراءة عليه.
يسمح اختراع ذاكرة الفلاش من نوع NAND بتكثيف الدوائر بشكل كبير ، بحيث تستوعب ذاكرة أكبر بالحجم نفسه. حتى عام 2007 ، تم زيادة حجم الذاكرة عن طريق تقليل عملية تصنيع الشريحة.
في عام 2007 ، قدمت Toshiba إصدارًا جديدًا من ذاكرة NAND: عمودي NAND (V-NAND)، المعروف أيضًا باسم 3D NAND. تؤكد هذه التقنية على وضع الترانزستورات في عدة طبقات ، مما يسمح لك مرة أخرى بضغط الدائرة وزيادة حجم الذاكرة. ومع ذلك ، لا يمكن تكرار ضغط المخطط إلى أجل غير مسمى ، لذلك تم استكشاف طرق أخرى لزيادة حجم الذاكرة المخزنة.
في البداية ، خزن كل ترانزستور مستويين من الشحنة: صفر منطقي ومستوى منطقي. هذا النهج يسمى خلية أحادية المستوى (SLC). تعد محركات الأقراص المزودة بهذه التقنية موثوقة للغاية ولديها أقصى عدد من دورات إعادة الكتابة.
بمرور الوقت ، تقرر زيادة حجم محركات الأقراص على حساب مقاومة التآكل. لذا فإن عدد مستويات الشحن في الخلية يصل إلى أربعة ، وتم استدعاء التقنية خلية متعددة المستويات (MLC). ثم جاء خلية ثلاثية المستوى (TLC) и خلية رباعية المستوى (QLC). في المستقبل ، سيظهر مستوى جديد - خلية المستوى الخماسي (PLC) مع خمس بتات في خلية واحدة. كلما زاد عدد وحدات البت الملائمة في خلية واحدة ، زاد حجم محرك الأقراص بنفس التكلفة ، ولكن مقاومة التآكل أقل.
يؤثر ضغط الدائرة بتقليل تقنية المعالجة وزيادة عدد البتات في ترانزستور واحد سلبًا على البيانات المخزنة. على الرغم من حقيقة أن EPROM و EEPROM يستخدمان نفس الترانزستورات ، يمكن لـ EPROM و EEPROM تخزين البيانات بدون طاقة لمدة عشر سنوات ، في حين أن ذاكرة الفلاش الحديثة يمكن أن "تنسى" كل شيء في السنة.
يعد استخدام ذاكرة فلاش في صناعة الفضاء أمرًا صعبًا ، حيث يؤثر الإشعاع سلبًا على الإلكترونات في البوابات العائمة.
تمنع هذه المشكلات ذاكرة الفلاش من أن تصبح رائدة بلا منازع في مجال تخزين المعلومات. على الرغم من استخدام أجهزة التخزين التي تعتمد على الفلاش على نطاق واسع ، إلا أن الأبحاث جارية على أنواع أخرى من الذاكرة لا تحتوي على أوجه القصور هذه ، بما في ذلك تخزين المعلومات في لحظات مغناطيسية وحالات طور.
ذاكرة مقاومة مغناطيسية
ظهر ترميز المعلومات بواسطة اللحظات المغناطيسية في عام 1955 في شكل ذاكرة على النوى المغناطيسية. حتى منتصف السبعينيات ، كانت ذاكرة الفريت هي النوع الرئيسي للذاكرة. أدت القراءة قليلاً من هذا النوع من الذاكرة إلى إزالة مغنطة الحلقة وفقدان المعلومات. وبالتالي ، بعد القراءة قليلاً ، كان لا بد من إعادة كتابته.
في التطورات الحديثة للذاكرة المقاومة المغناطيسية ، يتم استخدام طبقتين من المغناطيس الحديدي يفصل بينهما عازل بدلاً من الحلقات. الطبقة الأولى عبارة عن مغناطيس دائم ، والطبقة الثانية تغير اتجاه المغنطة. يتم تقليل القراءة قليلاً من مثل هذه الخلية إلى قياس المقاومة عند تمرير التيار: إذا كانت الطبقات ممغنطة في اتجاهين متعاكسين ، فإن المقاومة تكون أكبر وهذا يعادل القيمة "1".
لا تتطلب ذاكرة الفريت مصدر طاقة ثابتًا للحفاظ على المعلومات المسجلة ، ومع ذلك ، يمكن أن يؤثر المجال المغناطيسي للخلية على "الجار" ، مما يفرض قيودًا على تكثيف الدائرة.
وفق يجب أن تحتفظ محركات أقراص فلاش SSD غير المزودة بالطاقة بالمعلومات لمدة ثلاثة أشهر على الأقل في درجة حرارة محيطة تبلغ 40 درجة مئوية. من تصميم إنتل يعد بالاحتفاظ بالبيانات لمدة عشر سنوات عند 200 درجة مئوية.
على الرغم من تعقيد التطور ، لا تتدهور الذاكرة المقاومة للمغناطيسية أثناء الاستخدام وتتمتع بأفضل أداء من بين أنواع الذاكرة الأخرى ، مما لا يسمح بشطب هذا النوع من الذاكرة.
ذاكرة تغيير المرحلة
النوع الثالث الواعد من الذاكرة هو الذاكرة القائمة على المرحلة الانتقالية. يستخدم هذا النوع من الذاكرة خصائص الكالكوجينيدات للتبديل بين الحالات البلورية وغير المتبلورة عند تسخينها.
كالكوجينيدات - المركبات الثنائية للمعادن مع المجموعة السادسة عشرة (المجموعة السادسة من المجموعة الفرعية الرئيسية) من الجدول الدوري لمندليف. على سبيل المثال ، تستخدم أقراص CD-RW و DVD-RW و DVD-RAM و Blu-ray أقراص الجرمانيوم تيلورايد (GeTe) والأنتيمون (III) تيلورايد (Sb16Te6).
تم إجراء بحث حول استخدام الانتقال الطوري لتخزين المعلومات في الستينيات عام ستانفورد أوفشينسكي (ستانفورد أوفشينسكي) ، ولكن بعد ذلك لم يأت إلى التنفيذ التجاري. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، ظهر الاهتمام بالتكنولوجيا مرة أخرى ، وحصلت Samsung على براءة اختراع تقنية تسمح بتبديل البتات في 2000 نانوثانية ، وزادت Intel و STMicroelectronics عدد الحالات إلى أربع حالات ، وبالتالي مضاعفة الكمية الممكنة.
عند تسخينه فوق نقطة الانصهار ، يفقد الكالكوجينيد هيكله البلوري ويتحول عند التبريد إلى شكل غير متبلور يتميز بمقاومة كهربائية عالية. بدوره ، عند تسخينه إلى درجة حرارة أعلى من نقطة التبلور ، ولكن أقل من نقطة الانصهار ، يعود الكالكوجينيد إلى الحالة البلورية بمستوى منخفض من المقاومة.
لا تحتاج ذاكرة تغيير الطور إلى "إعادة شحنها" بمرور الوقت ، كما أنها ليست عرضة للإشعاع ، على عكس ذاكرة الشحنات الكهربائية. يمكن لهذا النوع من الذاكرة الاحتفاظ بالمعلومات لمدة 300 عام عند درجة حرارة 85 درجة مئوية.
ويعتقد أن تطور تقنية إنتل نقطة كروس ثلاثية الأبعاد (3D XPoint) يستخدم انتقالات المرحلة لتخزين المعلومات. يتم استخدام 3D XPoint في محركات ذاكرة Intel® Optane ™ ، والتي يُزعم أنها أكثر متانة.
اختتام
خضع التصميم المادي لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة للعديد من التغييرات على مدار أكثر من نصف قرن من التاريخ ، ومع ذلك ، فإن كل حل من الحلول له عيوبه. على الرغم من الشعبية التي لا يمكن إنكارها لـ Flash-memory ، فإن العديد من الشركات ، بما في ذلك Samsung و Intel ، تستكشف إمكانية إنشاء ذاكرة بناءً على اللحظات المغناطيسية.
يعد تقليل تآكل الخلايا وضغط الخلايا وزيادة سعة محرك الأقراص الإجمالية من المجالات الواعدة حاليًا لمزيد من التطوير لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة.
يمكنك اختبار أروع محركات NAND و 3D XPoint اليوم في موقعنا .
برأيك ، هل سيتم استبدال تقنية تخزين المعلومات على الشحنات الكهربائية بأخرى ، على سبيل المثال ، أقراص كوارتز أو ذاكرة ضوئية تعتمد على بلورات الملح النانوية؟
المصدر: www.habr.com