Предишните части от поредицата „Въведение в SSD“ разказаха на читателите за историята на появата на SSD устройства, интерфейсите за взаимодействие с тях и популярните форм-фактори. Четвъртата част ще разгледа съхранението на данни в рамките на устройствата.
В предишните статии от поредицата:
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 твърдотелните устройства се разглеждаха следните физически величини за кодиране на информация:
- електрически заряди (включително Flash памет);
- магнитни моменти (магниторезистивна памет);
- фазови състояния (памет с променливо фазово състояние).
Паметта на базата на електрически заряди
Кодирането на информация с помощта на отрицателен заряд лежи в основата на няколко решения:
- изтриваеми с ултравиолетова светлина ПЗУ (EPROM);
- електрически изтриваеми ПЗУ (EEPROM);
- Flash памет.
Всяка паметна клетка е полеви МОП транзистор с плаващ затвор, в който се съхранява отрицателен заряд. Неговата разлика от обикновения МОП транзистор е наличието на плаващ затвор — проводник в слоя диелектрик.
При създаване на разлика в потенциала между сток и източник и наличието на положителен потенциал на затвора, от източника към стока ще протече ток. Въпреки това, при наличието на достатъчно голяма разлика в потенциала, някои електрони „пробиват“ слоя диелектрик и попадат в плаващия затвор. Този феномен се нарича .
Отрицателно зареденият плаващ затвор създава електрическо поле, което пречи на протичането на тока от източника към стока. Освен това, наличието на електрони в плаващия затвор увеличава праговото напрежение, при което се отваря транзисторът. При всяко „записване“ в плаващия затвор на транзистора, слоят диелектрик се поврежда незначително, което налага ограничение на броя цикли на презапис на всяка клетка.
Полеви МОП транзистори с плаващ транзистор бяха разработени от Даван Канг (Dawon Kahng) и Саймън Мин Дзъ (Simon Min Sze) от Bell Labs през 1967 година. По-късно, при изследване на дефекти в интегрални схеми, беше забелязано, че поради заряда в плаващия транзистор се е променило граничното напрежение, откриващо транзистора. Това откритие накара Дов Фроман (Dov Frohman) да започне работа върху памет, базирана на този феномен.
Промяната на граничното напрежение позволява "програмирането" на транзистори. Транзисторите с заряд в плаващия транзистор няма да се отворят при подаване на напрежение на транзистора, което е по-високо от граничното напрежение за транзистора без електрони, но по-ниско от граничното напрежение за транзистора с електрони. Нека наречем такова значение напрежението за четене.
Изтриваема програмируема памет само за четене
През 1971 година служител на Intel, Дов Фроман (Dov Frohman), създаде перезаписваема памет на базата на транзистори, наречена Изтриваема програмируема памет само за четене (EPROM). Записването в паметта се извършва с помощта на специално устройство - програмираща машина. Програмиращата машина подава на чипа по-високо напрежение, отколкото се използва в цифровите схеми, с което "записва" електрони в плаващите транзистори, където е необходимо.
В EPROM паметта не се предвиждаше изчистване на плаващите транзистори по електрически начин. Вместо това беше предложено да се въздейства на транзисторите със силно ултравиолетово излъчване, чийто фотони дават енергия на електроните, необходима за напускане на плаващия транзистор. За достъп на ултравиолетовата светлина дълбоко в чипа, на корпуса беше добавено кварцово стъкло.
Фроман за първи път представи своя прототип EPROM през февруари 1971 година на конференция за твърдотелни микросхеми в Филаделфия. Гордън Мур си спомня демонстрацията: "Дов демонстрира битов патерн в паметови клетки на EPROM. Когато на клетките беше въздействано с ултравиолетова светлина, битовете изчезваха един по един, докато знаковият логотип на Intel не се изтри 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 презапрограмиране позволява по-бързо отстраняване на проблеми и съкращаване на времето за разработка на ново хардуерно оборудване.
Презапрограмирането на ПЗУ с ултравиолетова светлина представлява значителен напредък, но концепцията за електрическо презаписване вече „витаеше” във въздуха.
Електрически изтриваемо програмирано само за четене
През 1972 година трима японци: Ясуо Таруи (Yasuo Tarui), Ютака Хаяши (Yutaka Hayashi) и Кийоко Нагаи (Kiyoko Nagai) представят първото електрически изтриваемо постоянно 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-памет.
Всяка клетка на EEPROM-паметта се състои от няколко транзистора:
- транзистор с плаващ затвор за съхранение на бит;
- транзистор за управление на режима на четене-запис.
Тази конструкция усложнява електрическата разводка, поради което EEPROM паметта се използва в случаи, когато малкият обем памет не е критичен. За съхранение на голям обем данни все още се използва EPROM.
Флаш памет
Флаш памет, съчетаваща най-добрите черти на EPROM и EEPROM, е разработена от японския професор Фудзио Масуока (Fujio Masuoka), инженер в компания Toshiba, през 1980 година. Първото разработване получава името флаш памет тип NOR и, както и нейните предшественици, е базирана на полеви МОП транзистори с плаващ затвор.
Флаш памет тип NOR е двумерен масив от транзистори. Затворите на транзисторите са свързани към линия на думи, а стоковете — към линия на битове. Когато се подаде напрежение на линията на думи, транзисторите, които съдържат електрони, тоест „съхраняват единица“, няма да се отворят и токът няма да тече. От наличието или отсъствието на ток на линията на битовете се изводи стойността на бит.
След седем години Фудзио Масуока (Fujio Masuoka) разработва флаш памет тип NAND. Този вид памет се отличава с количеството транзистори на битовата линия. В NOR паметта всеки транзистор е свързан директно 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 отключва транзистора независимо от нивото на заряд в него. Тъй като 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 паметта от тип NAND позволява значително уплътняване на схемата, разполагайки по-голям обем памет в същите размери. До 2007 година обемът на паметта се увеличаваше чрез намаляване на производствения технологичен процес на чипа.
През 2007 година компанията Toshiba представи нова версия на NAND паметта: Vertical NAND (V-NAND), известна още като 3D NAND. В тази технология акцентът е поставен върху разположението на транзисторите в няколко слоя, което отново позволява уплътняването на схемата и увеличаването на обема памет. Въпреки това, уплътняването на схемата не може да продължава безкрайно, затова бяха проучени и други методи за увеличаване на съхранявания обем памет.
Първоначално всеки транзистор съхраняваше два нива на заряд: логична нула и логична единица. Този подход се нарича Single-Level Cell (SLC). Носителите с такава технология се отличават с висока надеждност и максимален брой цикли на презапис.
С времето бе взето решение да се увеличи обемът на носителите за сметка на износоустойчивостта. Така числото на нивата на заряд в клетката се увеличи до четири, а технологията беше 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 бита в една клетка. Колкото повече битове се съхраняват в една клетка, толкова по-голям е обемът на носителя при същата цена, но износоустойчивостта е по-малка.
Уплътняването на схемата чрез намаляване на технологичния процес и увеличаване на броя на битовете в един транзистор неблагоприятно влияе на съхраняваните данни. Въпреки че в EPROM и EEPROM се използват същите транзистори, EPROM и EEPROM могат да съхраняват данни без захранване в продължение на десет години, докато съвременната Flash памет може да "забрави" всичко още след една година.
Използването на Flash памет в космическата индустрия е затруднено, тъй като радиацията има вредно влияние върху електроните в плаващите запушалки.
Посочените проблеми пречат на флеш паметта да стане безусловен лидер в областта на съхранение на информация. Въпреки че устройствата на базата на флеш памет са широко разпространени, се провеждат изследвания на други видове памет, които нямат тези недостатъци, сред които съхранение на информация в магнитни моменти и фазови състояния.
Магниторезистивна памет
Кодирането на информация с магнитни моменти се появява през 1955 година под формата на памет на магнитни сърца. До средата на 70-те години на миналия век феритната памет е основният вид памет. Четенето на бит от такъв тип памет довежда до размагнитване на халката и загуба на информация. По този начин, след четене на бит, е необходимо да се запише обратно.
В съвременните разработки на магниторезистивната памет вместо халки се използват два слоя ферромагнетик, разделени от диелектрик. Един слой е постоянен магнит, а вторият променя посоката на намагнитването. Четенето на бит от такава клетка се свежда до измерване на съпротивлението при пропускане на ток: ако слоевете са намагнетизирани в противоположни посоки, съпротивлението е по-високо и това е еквивалентно на стойност „1“.
Феритната памет не изисква постоянен източник на захранване за поддържане на записаната информация, но магнитното поле на клетката може да повлияе на "съседа", което налага ограничение на уплътняването на схемата.
Според SSD дисковете на базата на флеш памет без захранване трябва да запазват информацията поне три месеца при околна температура от 40°С. Разработеният от Intel обещава да съхрани данните десет години при температура от 200°С.
Въпреки сложността на разработката, магниторезистивната памет не деградира по време на използване и има по-добра производителност от другите видове памет, което не позволява да се пренебрегва този вид памет.
Памет с изменение на фазовото състояние
Третият перспективен вид памет — памет на основата на фазов преход. Този вид памет използва свойствата на халкогенидите да превключват между кристалното и аморфното състояние при нагряване.
Халкогениди — бинарни съединения на метали с 16-а група (6-а група на главната подгрупа) от периодичната таблица на Менделеев. Например, при CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM и Blu-ray дискове се използват телурид на германий (GeTe) и телурид на антимон (III) (Sb2Te3).
Изследвания относно прилагането на фазовите преходи за съхранение на информация са провеждани през 1960-те години от Стенфорд Овшински, но тогава не е постигнала комерсиална реализация. През 2000-те отново възниква интерес към технологията, Samsung патентова технология, позволяваща превключване на битове за 5 нс, а Intel и STMicroelectronics увеличиха броя на състоянията до четири, увеличавайки по този начин възможния обем два пъти.
При нагряване над точката на топене, халькогенидът губи кристалната си структура и, охлаждайки се, преминава в аморфна форма, характеризираща се с висока електрическа съпротивляемост. От своя страна, при нагряване до температура над точката на кристализация, но под точката на топене, халькогенидът се връща в кристалното си състояние с ниско ниво на съпротивление.
Паметта с фазов преход не изисква 'презареждане' с времето и не е чувствителна към радиационно излъчване, за разлика от паметта на електрически заряди. Този тип памет може да съхранява информация до 300 години при температура 85°C.
Счита се, че разработката на Intel, технологията 3D Crosspoint (3D XPoint) използва именно фазовите преходи за съхранение на информация. 3D XPoint се използва в дисковете Intel® Optane™ Memory, за които е заявена голяма износоустойчивост.
Заключение
Физическото устройство на твърдите дискове е претърпяло множество промени през повече от половин век история, но всяко от решенията има свои недостатъци. Въпреки неоспоримата популярност на Flash паметта, няколко компании, сред които Samsung и Intel, проучват възможността за създаване на памет на магнитни моменти.
Намаляване на износването на клетките, тяхното уплътняване и повишаване на общия капацитет на устройството — това са направления, които в момента са перспективни за по-нататъшно развитие на твърдите дискове.
Можете да тествате най-новите NAND и 3D XPoint дискове вече сега в нашия .
Как смяте, дали технологията за съхранение на информация чрез електрически заряди ще бъде изместена от други, например, кварцови дискове или оптична памет на нанокристали от сол?
Източник: habr.com
