Мінулыя часткі цыклу "Уводзіны ў SSD" распавялі чытачу пра гісторыю з'яўлення SSD-назапашвальнікаў, інтэрфейсы ўзаемадзеяння з імі і папулярныя формаў-фактары. Чацвёртая частка раскажа аб захоўванні дадзеных унутры назапашвальнікаў.
У папярэдніх артыкулах цыкла:
Захоўванне дадзеных у цвёрдацельных назапашвальніках можна падзяліць на дзве лагічныя часткі: захоўванне інфармацыі ў адным вочку і арганізацыя захоўвання вочак.
Кожнае вочка цвёрдацельнага назапашвальніка захоўвае адзін ці некалькі біт інфармацыі. Для захоўвання інфармацыі выкарыстоўваюцца розныя фізічныя працэсы. Пры распрацоўцы цвёрдацельных назапашвальнікаў прапрацоўваліся наступныя фізічныя велічыні для кадавання інфармацыі:
- электрычныя зарады (у тым ліку Flash-памяць);
- магнітныя моманты (магнітарэзістыўная памяць);
- фазавыя станы (памяць са зменай фазавага стану).
Памяць на аснове электрычных зарадаў
Кадаваньне інфармацыі з дапамогай адмоўнага зараду ляжыць у аснове некалькіх рашэньняў:
- сціраны ультрафіялетам ПЗУ (EPROM);
- электрычнаму сціранне ПЗУ (EEPROM);
- Flash-памяць.
Кожнае вочка памяці — гэта палявы МАП-транзістар з якая плавае засаўкай, у якім захоўваецца адмоўны зарад. Яго адрозненне ад звычайнага МОП-транзістара заключаецца ў наяўнасці плавае засаўкі - правадыра ў пласце дыэлектрыка.
Пры стварэнні рознасці патэнцыялаў паміж сцёкам і вытокам і наяўнасці дадатнага патэнцыялу на засаўцы ад вытоку да сцёку пацячэ ток. Аднак, пры наяўнасці досыць вялікай рознасці патэнцыялаў некаторыя электроны прабіваюць пласт дыэлектрыка і апыняюцца ў плывучай засаўцы. Гэта з'ява называецца .
Адмоўна зараджаны плавае засаўка стварае электрычнае поле, якое замінае праходжанню току ад вытоку да сцёку. Больш таго, наяўнасць электронаў у якая плавае засаўцы павялічвае парогавая напруга, пры якім адчыняецца транзістар. Пры кожным «запісе» у плывучую засаўку транзістара пласт дыэлектрыка малаважна пашкоджваецца, што накладвае абмежаванне на колькасць цыклаў перазапісу кожнага вочка.
Палявыя МОП-транзістары c плывучай засаўкай былі распрацаваны Давонам Кангам (Dawon Kahng) і Сайманам Мін Зі (Simon Min Sze) з Bell Labs у 1967 году. Пазней, пры даследаванні дэфектаў інтэгральных схем, было заўважана, што з-за зарада ў плывучай засаўцы змянілася парогавая напруга, адкрывалае транзістар. Гэта адкрыццё заахвоціла Дова Фрамана (Dov Frohman) пачаць працу над памяццю на аснове гэтага феномена.
Змена парогавай напругі дазваляе «праграмаваць» транзістары. Транзістары з зарадам у якая плавае засаўцы не адкрыюцца пры падачы на засаўку напругі больш парогавай напругі для транзістара без электронаў, але менш парогавай напругі для транзістара з электронамі. Назавем такое значэнне напружаннем чытання.
Сціраемая праграмуемая памяць толькі для чытання
У 1971 годзе супрацоўнік Intel, Доў Фраман (Dov Frohman), стварыў перазапісваную памяць на транзістарах, названую Сціраемая праграмуемая памяць толькі для чытання (EPROM). Запіс у памяць праводзіўся з дапамогай спецыяльнай прылады - праграматара. Праграматар падае на чып больш высокая напруга, чым ужываецца ў лічбавых схемах, тым самым «запісвае» электроны ў плывучыя засаўкі транзістараў, дзе гэта неабходна.
У EPROM-памяці не меркавалася ачыстка якія плаваюць засавак транзістараў электрычным спосабам. Замест гэтага прапаноўвалася ўздзейнічаць на транзістары моцным ультрафіялетавым выпраменьваннем, фатоны якога надаюць энергію электронам энергію, неабходную, каб пакінуць якая плавае засаўка. Для доступу ўльтрафіялету ўглыб чыпа на корпус дададзена кварцавае шкло.
Фроман упершыню выступіў са сваім прататыпам EPROM у лютым 1971 гады на канферэнцыі па цвёрдацельных мікрасхемах у Філадэльфіі. Гордан Мур успамінаў дэманстрацыю: «Доў прадэманстраваў бітавы малюнак у ячэйках памяці EPROM. Калі на вочкі ўздзейнічала ўльтрафіялетавае святло, біты знікалі адзін за іншым, пакуль не знаёмы лагатып Intel не сцёрся зусім. …Біты знікалі, і калі апошні з іх знік, уся аўдыторыя вылілася апладысментамі. Артыкул Дова быў прызнаны лепшым на канферэнцыі». - Пераклад артыкула
EPROM-памяць даражэй ужывалых раней «аднаразовых» сталых запамінальных прылад (ПЗУ), аднак магчымасць перапраграмавання дазваляе адладжваць схемы хутчэй і скараціць час распрацоўкі новага апаратнага забеспячэння.
Перапраграмаванне ПЗУ ўльтрафіялетавым святлом быў значным прарывам, аднак, ідэя электрычнага перазапісу ўжо «лунала» у паветры.
Электрычна сціраемая праграмуемая пастаянная памяць
У 1972 году тры японца: Ясуо Таруі (Yasuo Tarui), Ютака Хаяшы (Yutaka Hayashi) і Кийоко Нагаі (Kiyoko Nagai) прадставілі першую па-электрычнаму сціраную сталую запамінальную прыладу (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEP). Пазней іх навуковыя даследаванні стануць часткай патэнтаў на камерцыйныя продажу EEPROM-памяці.
Кожнае вочка EEPROM-памяці складаецца з некалькіх транзістараў:
- транзістар з якая плавае засаўкай для захоўвання біта;
- транзістар для кіравання рэжымам чытання-запісы.
Такая канструкцыя моцна ўскладняе разводку электрычнай схемы, таму EEPROM памяць выкарыстоўвалася ў выпадках, калі малы аб'ём памяці не быў крытычны. Для захоўвання вялікага аб'ёму даных па-ранейшаму выкарыстоўваўся EPROM.
Flash-памяць
Flash-памяць, якая сумяшчае лепшыя рысы EPROM і EEPROM, распрацавана японскім прафесарам Фудзіо Масуокай (Fujio Masuoka), інжынерам кампаніі Toshiba, у 1980 годзе. Першая распрацоўка атрымала назву Flash-памяць тыпу NOR і, як і яе папярэднікі, заснавана на палявых МАП-транзістарах з якая плавае засаўкай.
Flash-памяць тыпу NOR - гэта двухмерны масіў транзістараў. Засаўкі транзістараў падлучаныя да лініі слоў, а сцёкі - на лінію бітаў. Пры падачы напругі на лінію слоў транзістары, утрымоўвальныя электроны, гэта значыць якія захоўваюць «адзінку», не адкрыюцца і ток не пацячэ. Па наяўнасці ці адсутнасці току на лініі біта робіцца выснова аб значэнні біта.
Праз сем гадоў Фудзіа Маўсока (Fujio Masuoka) распрацаваў Flash-памяць тыпу NAND. Дадзены выгляд памяці адрозніваецца колькасцю транзістараў на бітавай лініі. У памяці тыпу NOR кожны транзістар напроста падлучаны да бітавай лініі, у той час як у NAND-памяці транзістары падлучаны паслядоўна.
Чытанне з памяці такой канфігурацыі складаней: на неабходную лінію слова падаецца напруга, неабходнае для чытання, а на ўсе астатнія лініі слова падаецца напруга, якое адчыняе транзістар па-за залежнасцю ад узроўня зарада ў ім. Бо ўсе астатнія транзістары гарантавана адчыненыя, тая наяўнасць напругі на бітавай лініі залежыць толькі ад аднаго транзістара, на якое пададзена напругу чытання.
Вынаходства Flash-памяці тыпу NAND дазваляе значна ўшчыльняць схему, размяшчаючы вялікі аб'ём памяці пры тых жа памерах. Да 2007 года аб'ём памяці павялічвалі шляхам памяншэння вытворчага тэхпрацэсу чыпа.
У 2007 годзе кампанія Toshiba прадставіла новую версію NAND-памяці. Vertical NAND (V-NAND), таксама вядомую як 3D NAND. У гэтай тэхналогіі робіцца акцэнт на размяшчэнне транзістараў у некалькі пластоў, што ізноў дазваляе ўшчыльніць схему і павялічыць аб'ём памяці. Тым не менш, ушчыльненне схемы не можа паўтарацца да бясконцасці, таму даследаваліся іншыя метады павелічэння захоўваемага аб'ёму памяці.
Першапачаткова кожны транзістар захоўваў два ўзроўні зараду: лагічны нуль і лагічную адзінку. Такі падыход называецца Single-Level Cell (SLC). Назапашвальнікі з такой тэхналогіяй адрозніваюцца высокай надзейнасцю і максімальнай колькасцю цыклаў перазапісу.
З часам было прынята рашэнне павялічыць аб'ём назапашвальнікаў коштам зносаўстойлівасці. Так колькасць узроўняў зарада ў вочку да чатырох, а тэхналогію назвалі Шматузроўневая ячэйка (MLC). Следам з'явіліся Трохузроўневая ячэйка (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). У будучыні з'явіцца новы ўзровень. Penta-Level Cell (PLC) з пяццю бітамі ў адным вочку. Чым больш біт змяшчаецца ў адно вочка, тым больш аб'ём назапашвальніка пры тым жа кошце, але менш зносаўстойлівасць.
Ушчыльненне схемы памяншэннем тэхпрацэсу і павелічэнні колькасці біт у адным транзістары негатыўна адбіваюцца на захоўваемых дадзеных. Нягледзячы на тое, што ў EPROM і EEPROM выкарыстоўваюцца тыя ж самыя транзістары, EPROM і EEPROM здольныя захоўваць дадзеныя без харчавання дзесяць гадоў, у той час як сучасная Flash-памяць можа ўсё "забыцца" ужо праз год.
Выкарыстанне Flash-памяці ў касмічнай індустрыі цяжка, бо радыяцыя згубна ўплывае на электроны ў плывучых засаўках.
Пералічаныя праблемы замінаюць Flash-памяці стаць безумоўным лідэрам у вобласці захоўвання інфармацыі. Нягледзячы на тое, што назапашвальнікі на базе Flash-памяці шырока распаўсюджаны, вядуцца даследаванні іншых відаў памяці, пазбаўленых гэтых недахопаў, сярод якіх захоўванне інфармацыі ў магнітных момантах і фазавых станах.
Магнітарэзістыўная памяць
Кадаваньне інфармацыі магнітнымі момантамі з'явілася ў 1955 году ў выглядзе памяці на магнітных стрыжнях. Да сярэдзіны 1970-х гадоў ферытавая памяць была асноўным відам памяці. Чытанне біта з памяці такога тыпу прыводзіла да размагнічвання кольца і страце інфармацыі. Такім чынам, пасля чытання біта яго даводзілася запісваць зваротна.
У сучасных распрацоўках магниторезистивной памяці замест кольцаў выкарыстоўваецца два пласта ферамагнетыка, падзеленыя дыэлектрыкам. Адзін пласт з'яўляецца пастаянным магнітам, а другі мяняе кірунак намагнічанасці. Чытанне біта з такога вочка зводзіцца да вымярэння супраціву пры прапусканні току: калі пласты намагнічаныя ў процілеглыя бакі, то супраціў больш і гэта эквівалентна значэнню «1».
Ферытавая памяць не патрабуе сталай крыніцы сілкавання для падтрымання запісанай інфармацыі, аднак магнітнае поле вочка можа ўплываць на "суседа", што накладвае абмежаванне на ўшчыльненне схемы.
Згодна з SSD-дыскі на базе Flash-памяці без харчавання павінны захоўваць інфармацыю як мінімум тры месяцы пры тэмпературы навакольнага асяроддзя 40°С. Распрацаваны Intel абяцае захаваць даныя дзесяць гадоў пры тэмпературы 200°С.
Нягледзячы на складанасць распрацоўкі, магнітарэзістыўны памяць не дэградуе падчас выкарыстання і мае лепшае хуткадзейнасць сярод астатніх відаў памяці, што не дазваляе спісаць з рахункаў гэты від памяці.
Памяць са зменай фазавага стану
Трэці перспектыўны выгляд памяці - памяць на аснове фазавага пераходу. Дадзены выгляд памяці выкарыстоўвае ўласцівасці халькагенідаў перамыкацца паміж крышталічным і аморфным станам пры нагрэве.
Халькагеніды - бінарныя злучэнні металаў з 16. групай (6. групы галоўнай падгрупы) перыядычнай табліцы Мендзялеева. Напрыклад, у CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM і Blu-ray дысках выкарыстоўваюцца тэлурыд германію (GeTe) і тэлурыд сурмы (III) (Sb2Te3).
Даследаванні па прымяненні фазавага пераходу для захоўвання інфармацыі праводзіліся ў 1960-ыя гады Стэнфардам Аўшынскім (Stanford Ovshinsky), але тады да камерцыйнай рэалізацыі справа не дайшло. У 2000-х зноў узнік цікавасць да тэхналогіі, Samsung запатэнтавала тэхналогію, якая дазваляе перамыкаць біт за 5 нс, а Intel і STMicroelectronics павялічылі колькасць станаў да чатырох, тым самым павялічыўшы магчымы аб'ём удвая.
Пры нагрэве вышэй кропкі плаўлення халькагенід губляе крышталічную структуру і, астываючы, ператвараецца ў аморфную форму, якая характарызуецца высокім электрычным супрацівам. У сваю чаргу пры награванні да тэмпературы вышэй кропкі крышталізацыі, але ніжэй кропкі плаўлення халькагенід вяртаецца ў крышталічны стан з нізкім узроўнем супраціву.
Памяць са зменай фазавага пераходу не патрабуе "падзарадкі" з цягам часу, а таксама не ўспрымальная да радыяцыйнага выпраменьвання, у адрозненне ад памяці на электрычных зарадах. Такі тып памяці можа захоўваць інфармацыю на працягу 300 гадоў пры тэмпературы 85 °С.
Лічыцца, што распрацоўка Intel, тэхналогія 3D Crosspoint (3D XPoint) выкарыстоўвае менавіта фазавыя пераходы для захоўвання інфармацыі. 3D XPoint выкарыстоўваецца ў назапашвальніках Intel Optane Memory, для якіх заяўлена вялікая зносаўстойлівасць.
Заключэнне
Фізічная прылада цвёрдацельных назапашвальнікаў зведала мноства змен за больш, чым паўвекавую гісторыю, аднак, кожнае з рашэнняў мае свае недахопы. Нягледзячы на бясспрэчную папулярнасць Flash-памяці, некалькі кампаній, сярод якіх Samsung і Intel, прапрацоўваюць магчымасць стварэння памяці на магнітных момантах.
Скарачэнне зносу ячэек, іх ушчыльненне і павышэнне агульнай ёмістасці назапашвальніка - вось напрамкі, якія ў сапраўдны момант з'яўляюцца перспектыўнымі для далейшага развіцця цвёрдацельных назапашвальнікаў.
Пратэставаць самыя крутыя на сённяшні дзень назапашвальнікі NAND і 3D XPoint можна ўжо зараз у нашай. .
Як вы лічыце, ці будзе тэхналогіі захоўвання інфармацыі на электрычных зарадах выцесненая іншымі, напрыклад, кварцавымі дыскамі або аптычнай памяццю на нанакрышталях солі?
Крыніца: habr.com