Предишните части на цикъла "Въведение в SSD" разказаха на читателя за историята на появата на SSD устройства, интерфейсите за взаимодействие с тях и популярните форм-фактори. Четвъртата част ще обсъди съхранението на данни вътре в устройствата.
В предишните статии на цикъла:
Съхранението на данни в твърдотелни устройства може да се раздели на две логически части: съхранение на информация в една клетка и организация на съхранението на клетките.
Всяка клетка на твърдотелно устройство съхранява единица или няколко бита информация. За съхранение на информация се използват различни физически процеси. При разработването на твърдотелни устройства са били проучени следните физически величини за кодиране на информация:
- електрически заряди (включително Flash памет);
- магнитни моменти (магниторезистивна памет);
- фазови състояния (памет с изменение на фазовото състояние).
Памет на базата на електрически заряди
Кодирането на информация с помощта на отрицателен заряд е в основата на няколко решения:
- изтриваеми с ултравиолетова светлина ПЗУ (EPROM);
- електрически изтриваеми ПЗУ (EEPROM);
- Flash памет.
Всяка клетка памет е полеви МОП транзистор с плаващ затвор, в който се съхранява отрицателен заряд. Неговата разлика от обикновения МОП транзистор се състои в наличието на плаващ затвор — проводник в слоя диелектрик.
При създаване на разлика в потенциала между стока и източник и съществуването на положителен потенциал на затвора, от източника към стоката ще тече ток. Въпреки това, при наличие на достатъчно голяма разлика в потенциала, някои електрони "пробиват" слоя на диелектрика и попадат в плаващия затвор. Това явление се нарича .
Отрицателно зареденият плаващ затвор създава електрическо поле, което пречи на протичането на тока от източника към стоката. Освен това, наличието на електрони в плаващия затвор увеличава прагът на напрежение, при който транзисторът се отваря. При всяко "записване" в плаващия затвор на транзистора, слоят диелектрик се уврежда малко, което налага ограничение на броя на циклите на презаписване на всяка клетка.
Полеви МОП транзистори с плаващия затвор бяха разработени от Давон Канг (Dawon Kahng) и Саймън Мин Зи (Simon Min Sze) в Bell Labs през 1967 година. По-късно, при изследването на дефектите в интегралните схеми, беше забелязано, че поради заряда в плаващия затвор се е променило прагвото напрежение, което отваря транзистора. Това откритие накара Дов Фроман (Dov Frohman) да започне работа върху памет, базирана на това явление.
Промяната на прагвото напрежение позволява «програмирането» на транзисторите. Транзисторите със заряд в плаващия затвор няма да се отворят при подаване на напрежение на затвора, което е повече от прагвото напрежение за транзистор без електрони, но по-малко от прагвото напрежение за транзистор с електрони. Нека наречем това значение напрежението за четене.
Erasable Programmable Read-Only Memory
През 1971 година служителят на Intel, Дов Фроман (Dov Frohman), създаде перезаписваема памет на базата на транзистори, наречена Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Записването в паметта се извършва чрез специално устройство — програматор. Програматорът подава на чипа по-високо напрежение от това, което се използва в цифровите схеми, като по този начин «записва» електрони в плаващите затвори на транзисторите, където е необходимо.
В EPROM паметта не се предвиждаше изчистване на плаващите затвори на транзисторите по електрически път. Вместо това се предлагаше да се въздейства на транзисторите с мощна ултравиолетова радиация, чийто фотони дават енергия на електроните, необходима за напускане на плаващия затвор. За улесняване на достъпа на ултравиолетовата светлина в дълбочината на чипа, корпусът беше покрит с кварцово стъкло.
Фроман за първи път представи своя прототип EPROM през февруари 1971 година на конференция за твърдотелни микросхеми в Пенсилвания. Гордън Мур спомняше демонстрацията: «Дов демонстрира битовия модел в EPROM паметите. Когато на клетките въздейства ултравиолетова светлина, битовете изчезваха един по един, докато познатото лого на Intel не изчезна напълно. … Битовете изчезваха, и когато последният от тях изчезна, цялата аудитория избухна в аплодисменти. Статията на Дов беше призната за най-добра на конференцията.» — Превод на статия
EPROM паметта е по-скъпа в сравнение с предишните "еднократни" постоянни запомнящи устройства (ПЗУ), но възможността за повторно програмиране позволява по-бързо отстраняване на проблеми и намаляване на времето за разработка на ново хардуерно осигуряване.
Повторното програмиране на ПЗУ с ултравиолетова светлина беше значителен напредък, но идеята за електрическо презаписване вече "витаеше" във въздуха.
Електрически изтриваема програмирана постоянна памет
През 1972 г. трима японци: Ясуо Таруи (Yasuo Tarui), Ютака Хаяши (Yutaka Hayashi) и Кийоко Нагаи (Kiyoko Nagai) представят първото електрически изтриваемо постояннo запомнящо устройство (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM или E2PROM). По-късно техните научни изследвания стават част от патентите за търговски реализации на EEPROM паметта.
Всяка клетка на EEPROM паметта се състои от няколко транзистора:
- транзистор с плаващ затвор за съхраняване на бит;
- транзистор за контрол на режима на четене-запис.
Тази конструкция значително усложнява разводката на електрическата схема, поради което EEPROM паметта се използва в случаи, когато малкият обем памет не е критичен. За съхранение на големи обеми данни все още се използва EPROM.
Flash памет
Flash паметта, съчетаваща най-добрите черти на EPROM и EEPROM, е разработена от японския професор Фудзио Масуока (Fujio Masuoka), инженер в компанията Toshiba, през 1980 година. Първата разработка получава името Flash памет тип NOR и, както нейните предшественици, е основана на полеви МОП транзистори с плаващ затвор.
Flash памет тип NOR представлява двумерен масив от транзистори. Затворите на транзисторите са свързани към линията на словата, а източниците — към линията на битовете. При подаване на напрежение по линията на словата, транзисторите, които съдържат електрони, т.е. съхраняващи "единица", не се отварят и ток не протича. По наличието или отсъствието на ток на линията на бита се изводи стойността на бита.
Седем години по-късно Фудзио Масуока (Fujio Masuoka) разработва Flash памет тип NAND. Този вид памет се отличава с количеството транзистори на битовата линия. В паметта тип NOR всеки транзистор е директно свързан към битовата линия, докато в NAND паметта транзисторите са свързани последователно.
Четенето от паметта с такава конфигурация е по-сложно: на необходимата линия на думата се подава напрежение, необходимо за четене, а на всички останали линии на думата се подава напрежение, което отваря транзистора независимо от нивото на заряда в него. Понеже всички останали транзистори са гарантирано отворени, наличието на напрежение на битовата линия зависи само от един транзистор, на който е подадено напрежение за четене.
Изобретението на Flash памет typu NAND позволява значително да се уплътнява схемата, поставяйки по-голям обем памет при същите размери. До 2007 година обемът памет се увеличаваше чрез намаляване на производствения технологичен процес на чипа.
През 2007 година компания Toshiba представи нова версия на NAND-паметта: Vertical NAND (V-NAND), известна също като 3D NAND. В тази технология акцентът е върху поставянето на транзистори в няколко слоя, което отново позволява да се уплътни схемата и да се увеличи обемът памет. Въпреки това, уплътняването на схемата не може да продължи безкрайно, затова се изследват и други методи за увеличаване на съхранявания обем памет.
В началото всеки транзистор съхраняваше два нива на заряд: логична нула и логична единица. Този подход се нарича Single-Level Cell (SLC). Накопителите с такава технология се отличават с висока надеждност и максимален брой цикли на презапис.
С времето бе взето решение да се увеличи обемът на накопителите за сметка на износоустойчивостта. Така броят на нивата на заряд в клетката стана до четири, а технологията бе наречена Multi-Level Cell (MLC). След това се появиха Triple-Level Cell (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). В бъдеще ще се появи ново ниво — Penta-Level Cell (PLC) с пет битa в една клетка. Колкото повече битове се поставят в една клетка, толкова по-голям е обемът на накопителя при същата цена, но с по-малка износоустойчивост.
Уплътняването на схемата чрез намаляване на технологичния процес и увеличаване на броя на битовете в един транзистор оказва негативно влияние върху съхраняваните данни. Въпреки че в EPROM и EEPROM се използват същите тези транзистори, EPROM и EEPROM са способни да съхраняват данни без захранване за десет години, докато съвременната Flash памет може да "забрави" всичко само за година.
Използването на Flash памет в космическата индустрия е затруднено, тъй като радиацията неблагоприятно влияе на електроните в плаващите затвори.
Изброените проблеми пречат на Flash паметта да стане безусловен лидер в съхранението на информация. Въпреки че устройствата на базата на Flash памет са широко разпространени, се извършват изследвания на други видове памет, лишени от тези недостатъци, сред които съхранение на информация в магнитни моменти и фазови състояния.
Магниторезистивна памет
Кодирането на информация с магнитни моменти се появи през 1955 година под формата на памет на магнитни зърна. До средата на 70-те години фериалната памет беше основен вид памет. Четенето на бит от такъв вид памет водеше до размагнитване на зърното и загуба на информация. Така че след прочитането на бит, той трябваше да бъде записан отново.
В съвременните разработки на магниторезистивната памет вместо зърна се използват два слоя ферромагнетик, разделени с диелектрик. Един слой е постоянен магнит, а вторият променя посоката на намагнитване. Четенето на бит от такава клетка се свежда до измерване на съпротивлението при пропускане на ток: ако слоевете са намагнетизирани в противоположни посоки, то съпротивлението е по-голямо и това е еквивалентно на стойността „1“.
Фериалната памет не изисква постоянен източник на захранване за поддържане на записаната информация, обаче магнитното поле на клетката може да влияе на "съседа", което налага ограничение на плътността на схемата.
Според SSD дисковете на базата на Flash памет без захранване трябва да съхраняват информация поне три месеца при температура на околната среда от 40°С. Разработен от Intel обещава да запази данните десет години при температура от 200°С.
Въпреки сложността на разработката, магниторезистивната памет не деградира по време на употреба и има по-добра производителност в сравнение с другите видове памет, което не позволява да бъде отписано това вид памет.
Памет с фазово изменение
Третият перспективен вид памет е паметта на основата на фазов преход. Този вид памет използва свойствата на халкогенидите да преминават между кристално и аморфно състояние при нагряване.
Халкогениди — бинарни съединения на метали с 16-ата група (6-та група на главната подгрупа) от периодичната таблица на Менделеев. Например, в CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM и Blu-ray дисковете се използват теллурид на германий (GeTe) и теллурид на антимон (III) (Sb2Te3).
Изследвания относно прилагането на фазов преход за съхранение на информация са проведени в 1960-те години от Стенфорд Овшински, но тогава не е достигнато до търговска реализация. През 2000-те години отново настъпи интерес към технологията, Samsung патентова технология, позволяваща превключване на бит за 5 нс, а Intel и STMicroelectronics увеличиха броя на състоянията до четири, по този начин удвоявайки възможния обем.
При нагряване над температурата на топене, халькогенидът губи кристалната си структура и, охлаждайки се, се превръща в аморфна форма, характеризираща се с високо електрическо съпротивление. От своя страна, при нагряване до температура над точката на кристализация, но под точката на топене, халькогенидът се връща в кристалното състояние с ниско ниво на съпротивление.
Паметта с фазов преход не изисква "подзареждане" с времето и не е чувствителна към радиационно излъчване, за разлика от паметта на електрически заряди. Този тип памет може да запазва информация в продължение на 300 години при температура 85°С.
Смята се, че разработката на Intel, технологията 3D Crosspoint (3D XPoint) използва именно фазови преходи за съхранение на информация. 3D XPoint се използва в Intel® Optane™ Memory устройства, за които е заявена голяма износоустойчивост.
Заключение
Физическото устройство на твердотелните накопители претърпя множество промени през повече от половин век история, но всяко от решенията има своите недостатъци. Въпреки неоспоримата популярност на Flash паметта, няколко компании, между които Samsung и Intel, работят по възможността за създаване на памет на магнитни моменти.
Съкращаване на износа на клетките, тяхното уплътняване и повишаване на общата капацитет на накопителя — ето направленията, които в момента са перспективни за по-нататъшно развитие на твердотелните накопители.
Можете да тествате най-яките в момента NAND и 3D XPoint накопители вече сега в нашия .
Как смятате, ще бъдат ли технологията за съхранение на информация на електрически заряди заменена от други, например, кварцови дискове или оптична памет на нанокристали от сол?
Източник: habr.com
