Prethodni delovi serije „Uvod u SSD“ čitaocu su govorili o istoriji pojave SSD diskova, interfejsima za interakciju sa njima i popularnim faktorima forme. Četvrti dio će govoriti o pohranjivanju podataka unutar pogona.
U prethodnim člancima iz serije:
Skladištenje podataka u SSD uređajima može se podijeliti na dva logična dijela: pohranjivanje informacija u jednu ćeliju i organiziranje pohrane u ćeliji.
Svaka ćelija SSD uređaja pohranjuje jedan ili više bitova informacija. Za pohranjivanje informacija koriste se različite vrste informacija. fizički procesi. Prilikom razvoja SSD uređaja, sljedeće fizičke veličine su uzete u obzir za kodiranje informacija:
- električnih naboja (uključujući fleš memoriju);
- magnetni momenti (magnetoresivna memorija);
- fazna stanja (Memorija sa promjenom faznog stanja).
Memorija zasnovana na električnim nabojima
Kodiranje informacija pomoću negativnog naboja je u osnovi nekoliko rješenja:
- ultraljubičasti ROM koji se može izbrisati (EPROM);
- ROM koji se može električno izbrisati (EEPROM);
- Fleš memorija.
Svaka memorijska ćelija jeste floating gate MOSFET, koji pohranjuje negativan naboj. Njegova razlika u odnosu na konvencionalni MOS tranzistor je prisustvo plutajuće kapije - vodiča u dielektričnom sloju.
Kada se stvori razlika potencijala između drena i izvora i postoji pozitivan potencijal na kapiji, struja će teći od izvora do drena. Međutim, ako postoji dovoljno velika razlika potencijala, neki elektroni "probijaju" dielektrični sloj i završavaju u plutajućoj kapiji. Ovaj fenomen se zove .
Negativno nabijena plutajuća kapija stvara električno polje koje sprječava da struja teče od izvora do odvoda. Štaviše, prisustvo elektrona u plivajućoj kapiji povećava napon praga na kojem se tranzistor uključuje. Sa svakim "upisom" na plivajuću kapiju tranzistora, dielektrični sloj je malo oštećen, što nameće ograničenje na broj ciklusa ponovnog pisanja svake ćelije.
MOSFET-ove s plutajućim vratima razvili su Dawon Kahng i Simon Min Sze u Bell Labs-u 1967. godine. Kasnije, prilikom proučavanja nedostataka u integriranim kolima, uočeno je da se zbog naboja u plivajućoj kapiji mijenja napon praga koji otvara tranzistor. Ovo otkriće podstaklo je Dova Frohmana da počne raditi na pamćenju na osnovu ovog fenomena.
Promjena graničnog napona omogućava vam da "programirate" tranzistore. Tranzistori sa plivajućim vratima neće se uključiti kada je napon na vratima veći od napona praga za tranzistor bez elektrona, ali manji od napona praga za tranzistor sa elektronima. Nazovimo ovu vrijednost očitavanje napona.
Izbrisiva programabilna memorija samo za čitanje
Godine 1971., zaposlenik Intela Dov Frohman stvorio je prepisivu memoriju zasnovanu na tranzistorima pod nazivom Programabilna memorija samo za čitanje (EPROM). Snimanje u memoriju obavljeno je pomoću posebnog uređaja - programatora. Programator primjenjuje veći napon na čip nego što se koristi u digitalnim kolima, čime „upisuje“ elektrone na plivajuće kapije tranzistora gdje je to potrebno.
EPROM memorija nije bila namijenjena za električno čišćenje plivajućih kapija tranzistora. Umjesto toga, predloženo je da se tranzistori izlože jakom ultraljubičastom zračenju, čiji bi fotoni dali elektronima energiju potrebnu da pobjegnu iz plutajuće kapije. Kako bi se omogućilo ultraljubičastom svjetlu da prodre duboko u čip, kućištu je dodano kvarcno staklo.
Froman je prvi put predstavio svoj prototip EPROM-a u februaru 1971. godine na konferenciji čvrstog stanja IC u Filadelfiji. Gordon Moore se prisjetio demonstracije: „Dov je demonstrirao bitni uzorak u EPROM memorijskim ćelijama. Kada su ćelije bile izložene ultraljubičastom svjetlu, bitovi su nestajali jedan po jedan sve dok nepoznati Intelov logo nije potpuno izbrisan. ... Nestali su taktovi, a kada je nestao i posljednji, cijela publika je prasnula u aplauz. Dovov članak je prepoznat kao najbolji na konferenciji.” — Prijevod članka
EPROM memorija je skuplja od prethodno korištenih uređaja s memorijom samo za jednokratnu upotrebu (ROM), ali mogućnost reprogramiranja vam omogućava da brže otklanjate greške u krugovima i smanjite vrijeme potrebno za razvoj novog hardvera.
Reprogramiranje ROM-ova ultraljubičastim svjetlom bilo je značajan napredak, međutim, ideja o električnom prepisivanju već je bila u zraku.
Programabilna memorija samo za čitanje koja se može izbrisati
Godine 1972. trojica Japanaca: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi i Kiyoko Nagai predstavili su prvu električki izbrisivu memoriju samo za čitanje (EEPROM ili E2PROM). Kasnije će njihova naučna istraživanja postati dio patenata za komercijalne implementacije EEPROM memorije.
Svaka EEPROM memorijska ćelija se sastoji od nekoliko tranzistora:
- tranzistor sa plutajućim vratima za pohranu bitova;
- tranzistor za upravljanje modom čitanja i pisanja.
Ovaj dizajn uvelike komplicira ožičenje električnog kola, pa se EEPROM memorija koristila u slučajevima kada mala količina memorije nije bila kritična. EPROM se i dalje koristio za pohranjivanje velikih količina podataka.
Fleš memorija
Flash memoriju, koja kombinuje najbolje karakteristike EPROM-a i EEPROM-a, razvio je japanski profesor Fujio Masuoka, inženjer u Toshibi, 1980. godine. Prvi razvoj se zvao NOR Flash memorija i, kao i njegovi prethodnici, baziran je na MOSFET-ovima sa plutajućim vratima.
NOR fleš memorija je dvodimenzionalni niz tranzistora. Gejtovi tranzistora su spojeni na liniju riječi, a drenovi na bitnu liniju. Kada se napon stavi na liniju riječi, tranzistori koji sadrže elektrone, odnosno koji pohranjuju "jedan", neće se otvoriti i struja neće teći. Na osnovu prisustva ili odsustva struje na liniji bita, donosi se zaključak o vrijednosti bita.
Sedam godina kasnije, Fujio Masuoka je razvio NAND Flash memoriju. Ova vrsta memorije razlikuje se po broju tranzistora na bitskoj liniji. U NOR memoriji, svaki tranzistor je direktno povezan na bitnu liniju, dok su u NAND memoriji tranzistori povezani u seriju.
Čitanje iz memorije ove konfiguracije je teže: napon potreban za čitanje se primjenjuje na potrebnu liniju riječi, a napon se primjenjuje na sve ostale linije riječi, što otvara tranzistor bez obzira na razinu napunjenosti u njemu. Pošto su svi ostali tranzistori zagarantovano otvoreni, prisustvo napona na liniji bitova zavisi samo od jednog tranzistora na koji se primenjuje očitani napon.
Izum NAND Flash memorije omogućava značajno kompresiju kola, stavljajući više memorije u istu veličinu. Do 2007. kapacitet memorije je povećan smanjenjem procesa proizvodnje čipa.
2007. Toshiba je predstavila novu verziju NAND memorije: Vertikalni NAND (V-NAND), također poznat kao 3D NAND. Ova tehnologija stavlja naglasak na postavljanje tranzistora u više slojeva, što opet omogućava gušće kolo i povećan kapacitet memorije. Međutim, zbijanje kruga se ne može ponavljati beskonačno, pa su istražene druge metode za povećanje kapaciteta skladištenja.
U početku, svaki tranzistor je pohranio dva nivoa napunjenosti: logičku nulu i logičku jedan. Ovaj pristup se zove Jednorazinska ćelija (SLC). Pogoni s ovom tehnologijom su vrlo pouzdani i imaju maksimalan broj ciklusa ponovnog pisanja.
Vremenom je odlučeno da se poveća kapacitet skladištenja na račun otpornosti na habanje. Dakle, broj nivoa napunjenosti u ćeliji je do četiri, a tehnologija je nazvana Ćelija na više nivoa (MLC). Sledeće je došlo Trostruka ćelija (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). Biće novi nivo u budućnosti - Penta-Level Cell (PLC) sa pet bitova po ćeliji. Što više bitova stane u jednu ćeliju, to je veći kapacitet skladištenja uz istu cijenu, ali je manja otpornost na habanje.
Zbijanje kola smanjenjem tehničkog procesa i povećanjem broja bitova u jednom tranzistoru negativno utiče na pohranjene podatke. Uprkos činjenici da EPROM i EEPROM koriste iste tranzistore, EPROM i EEPROM mogu pohranjivati podatke bez napajanja deset godina, dok moderna Flash memorija može sve "zaboraviti" nakon godinu dana.
Upotreba Flash memorije u svemirskoj industriji je teška jer zračenje ima štetan učinak na elektrone u plutajućim vratima.
Ovi problemi sprečavaju da Flash memorija postane neprikosnoveni lider u oblasti skladištenja informacija. Uprkos činjenici da su diskovi zasnovani na Flash memoriji široko rasprostranjeni, u toku su istraživanja drugih vrsta memorije koje nemaju ove nedostatke, uključujući pohranjivanje informacija u magnetnim momentima i faznim stanjima.
Magnetorezistivna memorija
Kodiranje informacija sa magnetnim momentima pojavilo se 1955. godine u obliku memorije na magnetnim jezgrama. Sve do sredine 1970-ih, feritna memorija je bila glavna vrsta memorije. Čitanje malo iz ove vrste memorije dovelo je do demagnetizacije prstena i gubitka informacija. Dakle, nakon malo čitanja, moralo se vratiti nazad.
U modernim razvojima magnetorezistivne memorije, umjesto prstenova, koriste se dva sloja feromagneta, odvojena dielektrikom. Jedan sloj je trajni magnet, a drugi mijenja smjer magnetizacije. Čitanje bita iz takve ćelije svodi se na mjerenje otpora pri prolasku struje: ako su slojevi magnetizirani u suprotnim smjerovima, tada je otpor veći i to je ekvivalentno vrijednosti "1".
Feritna memorija ne zahtijeva konstantan izvor napajanja za održavanje snimljenih informacija, međutim, magnetsko polje ćelije može utjecati na „susjeda“, što nameće ograničenje na zbijanje kola.
Prema SSD diskovi zasnovani na Flash memoriji bez napajanja moraju čuvati informacije najmanje tri mjeseca na temperaturi okoline od 40°C. Dizajnirao Intel obećava čuvanje podataka deset godina na 200°C.
Uprkos složenosti razvoja, magnetorezistivna memorija se ne degradira tokom upotrebe i ima najbolje performanse među ostalim vrstama memorije, što ne dozvoljava otpisivanje ove vrste memorije.
Memorija za promjenu faze
Treći tip memorije koji obećava je memorija zasnovana na promjeni faze. Ova vrsta memorije koristi svojstva halkogenida za prebacivanje između kristalnog i amorfnog stanja kada se zagrije.
Halkogenidi — binarna jedinjenja metala sa 16. grupom (6. grupa glavne podgrupe) periodnog sistema. Na primjer, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM i Blu-ray diskovi koriste germanij telurid (GeTe) i antimon(III) telurid (Sb2Te3).
Istraživanje o korištenju faznog prijelaza za pohranjivanje informacija provedeno je u 1960-ih godine od Stanforda Ovšinskog, ali tada nije došlo do komercijalne implementacije. Tokom 2000-ih došlo je do ponovnog interesovanja za tehnologiju, Samsung je patentirao tehnologiju koja omogućava prebacivanje bita za 5 ns, a Intel i STMicroelectronics su povećali broj stanja na četiri, čime su udvostručili mogući kapacitet.
Kada se zagrije iznad tačke topljenja, halkogenid gubi svoju kristalnu strukturu i nakon hlađenja prelazi u amorfni oblik koji karakterizira visoka električna otpornost. Zauzvrat, kada se zagrije na temperaturu iznad tačke kristalizacije, ali ispod tačke topljenja, halkogenid se vraća u kristalno stanje sa niskim nivoom otpornosti.
Memorija s promjenom faze ne zahtijeva “dopunjavanje” tokom vremena, a također nije osjetljiva na zračenje, za razliku od električno napunjene memorije. Ova vrsta memorije može zadržati informacije 300 godina na temperaturi od 85°C.
Smatra se da je razvoj Intelove tehnologije 3D Crosspoint (3D XPoint) Koristi fazne prelaze za skladištenje informacija. 3D XPoint se koristi u Intel® Optane™ memorijskim diskovima, za koje se tvrdi da imaju veću izdržljivost.
zaključak
Fizički dizajn SSD uređaja pretrpeo je mnoge promene tokom više od pola veka istorije, međutim, svako od rešenja ima svoje nedostatke. Uprkos neospornoj popularnosti Flash memorije, nekoliko kompanija, uključujući Samsung i Intel, istražuju mogućnost stvaranja memorije zasnovane na magnetnim momentima.
Smanjenje trošenja ćelija, njihovo sabijanje i povećanje ukupnog kapaciteta pogona su područja koja trenutno obećavaju dalji razvoj SSD uređaja.
Možete testirati današnje najkul NAND i 3D XPoint drajvove upravo sada u našoj .
Mislite li da će tehnologije za pohranjivanje informacija o električnim nabojima biti zamijenjene drugim, na primjer, kvarcnim diskovima ili optičkom memorijom na nanokristalima soli?
izvor: www.habr.com