Les parts anteriors de la sèrie "Introducció a SSD" van explicar al lector la història de l'aparició de les unitats SSD, les interfícies per interactuar amb elles i els factors de forma populars. La quarta part parlarà de l'emmagatzematge de dades dins de les unitats.
En articles anteriors de la sèrie:
L'emmagatzematge de dades en unitats d'estat sòlid es pot dividir en dues parts lògiques: emmagatzemar informació en una sola cel·la i organitzar l'emmagatzematge de la cel·la.
Cada cel·la d'una unitat d'estat sòlid emmagatzema un o més fragments d'informació. S'utilitzen diversos tipus d'informació per emmagatzemar informació. processos físics. En desenvolupar unitats d'estat sòlid, es van tenir en compte les quantitats físiques següents per a la codificació de la informació:
- càrregues elèctriques (inclosa memòria flaix);
- moments magnètics (memòria magnetoresistiva);
- estats de fase (memòria amb canvi d'estat de fase).
Memòria basada en càrregues elèctriques
La codificació de la informació utilitzant una càrrega negativa és subjacent a diverses solucions:
- ROM esborrable ultraviolada (EPROM);
- ROM esborrable elèctricament (EEPROM);
- Memòria flash.
Cada cèl·lula de memòria és MOSFET de porta flotant, que emmagatzema una càrrega negativa. La seva diferència amb un transistor MOS convencional és la presència d'una porta flotant: un conductor a la capa dielèctrica.
Quan es crea una diferència de potencial entre el drenatge i la font i hi ha un potencial positiu a la porta, el corrent fluirà de font a drenatge. Tanmateix, si hi ha una diferència de potencial prou gran, alguns electrons "trepen" la capa dielèctrica i acaben a la porta flotant. Aquest fenomen s'anomena .
Una porta flotant carregada negativament crea un camp elèctric que impedeix que el corrent flueixi de la font al desguàs. A més, la presència d'electrons a la porta flotant augmenta la tensió llindar a la qual s'encén el transistor. Amb cada "escriptura" a la porta flotant del transistor, la capa dielèctrica està lleugerament danyada, cosa que imposa un límit al nombre de cicles de reescriptura de cada cel·la.
Els MOSFET de porta flotant van ser desenvolupats per Dawon Kahng i Simon Min Sze a Bell Labs el 1967. Més tard, en estudiar defectes en circuits integrats, es va observar que a causa de la càrrega de la porta flotant, la tensió de llindar que obre el transistor va canviar. Aquest descobriment va impulsar Dov Frohman a començar a treballar en la memòria basant-se en aquest fenomen.
Canviar la tensió llindar us permet "programar" els transistors. Els transistors de porta flotant no s'encenen quan la tensió de la porta és superior a la tensió de llindar d'un transistor sense electrons, però inferior a la tensió de llindar d'un transistor amb electrons. Anomenem aquest valor lectura de voltatge.
Memòria de només lectura programable esborrable
El 1971, l'empleat d'Intel Dov Frohman va crear una memòria reescrivible basada en transistors anomenada Memòria de només lectura programable esborrable (EPROM). La gravació a la memòria es va dur a terme amb un dispositiu especial: un programador. El programador aplica un voltatge més alt al xip que el que s'utilitza en els circuits digitals, de manera que "escriu" electrons a les portes flotants dels transistors quan sigui necessari.
La memòria EPROM no estava destinada a netejar elèctricament les portes flotants dels transistors. En canvi, es va proposar exposar els transistors a una llum ultraviolada forta, els fotons de la qual donarien als electrons l'energia necessària per escapar de la porta flotant. Per permetre que la llum ultraviolada penetri profundament al xip, es va afegir vidre de quars a la carcassa.
Froman va presentar per primera vegada el seu prototip d'EPROM el febrer de 1971 en una conferència d'IC d'estat sòlid a Filadèlfia. Gordon Moore va recordar la demostració: "Dov va demostrar el patró de bits a les cel·les de memòria EPROM. Quan les cèl·lules es van exposar a la llum ultraviolada, els fragments van desaparèixer un a un fins que es va esborrar completament el desconegut logotip d'Intel. … Els ritmes van desaparèixer, i quan va desaparèixer l'últim, tot el públic va esclatar en aplaudiments. L'article de Dov va ser reconegut com el millor de la conferència". — Traducció de l'article
La memòria EPROM és més cara que els dispositius de memòria de només lectura (ROM) "d'un sol ús" utilitzats anteriorment, però la capacitat de reprogramar us permet depurar circuits més ràpidament i reduir el temps que triga a desenvolupar nou maquinari.
La reprogramació de ROM amb llum ultraviolada va ser un avenç important, però, la idea de la reescriptura elèctrica ja estava a l'aire.
Memòria de només lectura programable esborrable elèctricament
El 1972, tres japonesos: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi i Kiyoko Nagai van introduir la primera memòria de només lectura esborrable elèctricament (EEPROM o E2PROM). Més tard, la seva recerca científica passarà a formar part de les patents per a implementacions comercials de memòria EEPROM.
Cada cel·la de memòria EEPROM consta de diversos transistors:
- transistor de porta flotant per a l'emmagatzematge de bits;
- transistor per controlar el mode de lectura-escriptura.
Aquest disseny complica molt el cablejat del circuit elèctric, de manera que la memòria EEPROM es va utilitzar en els casos en què una petita quantitat de memòria no era crítica. L'EPROM encara s'utilitzava per emmagatzemar grans quantitats de dades.
Memòria flash
La memòria flaix, que combina les millors característiques d'EPROM i EEPROM, va ser desenvolupada pel professor japonès Fujio Masuoka, enginyer de Toshiba, l'any 1980. El primer desenvolupament es va anomenar memòria Flash NOR i, com els seus predecessors, es basa en MOSFET de porta flotant.
La memòria flash NOR és una matriu bidimensional de transistors. Les portes dels transistors estan connectades a la línia de paraules i els drenatges a la línia de bits. Quan s'aplica tensió a la línia de paraula, els transistors que contenen electrons, és a dir, que emmagatzemen "un", no s'obriran i el corrent no fluirà. A partir de la presència o absència de corrent a la línia de bits, s'extreu una conclusió sobre el valor del bit.
Set anys més tard, Fujio Masuoka va desenvolupar la memòria Flash NAND. Aquest tipus de memòria es diferencia pel nombre de transistors a la línia de bits. A la memòria NOR, cada transistor està connectat directament a una línia de bits, mentre que a la memòria NAND, els transistors estan connectats en sèrie.
La lectura de la memòria d'aquesta configuració és més difícil: la tensió necessària per a la lectura s'aplica a la línia necessària de la paraula i la tensió s'aplica a totes les altres línies de la paraula, la qual cosa obre el transistor independentment del nivell de càrrega. Com que tots els altres transistors estan garantits per estar oberts, la presència de tensió a la línia de bits depèn només d'un transistor, al qual s'aplica la tensió de lectura.
La invenció de la memòria Flash NAND permet comprimir significativament el circuit, col·locant més memòria a la mateixa mida. Fins al 2007, la capacitat de memòria es va incrementar reduint el procés de fabricació del xip.
El 2007, Toshiba va introduir una nova versió de la memòria NAND: NAND vertical (V-NAND), també conegut com 3D NAND. Aquesta tecnologia posa èmfasi en la col·locació de transistors en múltiples capes, cosa que permet de nou un circuit més dens i una capacitat de memòria més gran. Tanmateix, la compactació del circuit no es pot repetir indefinidament, de manera que s'han explorat altres mètodes per augmentar la capacitat d'emmagatzematge.
Inicialment, cada transistor emmagatzemava dos nivells de càrrega: zero lògic i un lògic. Aquest enfocament s'anomena Cel·la d'un sol nivell (SLC). Les unitats amb aquesta tecnologia són altament fiables i tenen un nombre màxim de cicles de reescriptura.
Amb el temps, es va decidir augmentar la capacitat d'emmagatzematge a costa de la resistència al desgast. Així que el nombre de nivells de càrrega en una cèl·lula és de fins a quatre, i es va anomenar la tecnologia Cèl·lula multinivell (MLC). El següent va venir Cèl·lula de triple nivell (TLC) и Cèl·lula de quatre nivells (QLC). Hi haurà un nou nivell en el futur - Cèl·lula de nivell penta (PLC) amb cinc bits per cel·la. Com més bits encaixen en una cel·la, més gran serà la capacitat d'emmagatzematge al mateix cost, però menys resistència al desgast.
La compactació del circuit reduint el procés tècnic i augmentant el nombre de bits en un transistor afecta negativament les dades emmagatzemades. Malgrat que l'EPROM i l'EEPROM utilitzen els mateixos transistors, l'EPROM i l'EEPROM poden emmagatzemar dades sense energia durant deu anys, mentre que la memòria Flash moderna pot "oblidar-ho" tot després d'un any.
L'ús de la memòria flaix a la indústria espacial és difícil perquè la radiació té un efecte perjudicial sobre els electrons de les portes flotants.
Aquests problemes impedeixen que la memòria flash es converteixi en el líder indiscutible en el camp de l'emmagatzematge d'informació. Malgrat que les unitats basades en memòria Flash estan molt esteses, s'està investigant altres tipus de memòria que no presenten aquests inconvenients, com ara l'emmagatzematge d'informació en moments magnètics i estats de fase.
Memòria magnetoresistiva
La codificació de la informació amb moments magnètics va aparèixer l'any 1955 en forma de memòria en nuclis magnètics. Fins a mitjans de la dècada de 1970, la memòria de ferrita era el principal tipus de memòria. Llegir una mica d'aquest tipus de memòria va provocar la desmagnetització de l'anell i la pèrdua d'informació. Així, després de llegir una mica, s'havia de tornar a escriure.
En els desenvolupaments moderns de la memòria magnetoresistiva, en comptes d'anells, s'utilitzen dues capes d'un ferroimant, separades per un dielèctric. Una capa és un imant permanent i la segona canvia la direcció de la magnetització. Llegir una mica d'aquesta cèl·lula es redueix a mesurar la resistència en passar el corrent: si les capes estan magnetitzades en direccions oposades, aleshores la resistència és més gran i això equival al valor "1".
La memòria de ferrita no requereix una font d'alimentació constant per mantenir la informació registrada, però, el camp magnètic de la cèl·lula pot influir en el "veí", la qual cosa imposa una limitació a la compactació del circuit.
Segons Les unitats SSD basades en memòria Flash sense energia han de conservar la informació durant almenys tres mesos a una temperatura ambient de 40 °C. Dissenyat per Intel promet emmagatzemar dades durant deu anys a 200 °C.
Malgrat la complexitat del desenvolupament, la memòria magnetoresistiva no es degrada durant l'ús i té el millor rendiment entre altres tipus de memòria, la qual cosa no permet eliminar aquest tipus de memòria.
Memòria de canvi de fase
El tercer tipus de memòria prometedor és la memòria basada en el canvi de fase. Aquest tipus de memòria utilitza les propietats dels calcogenurs per canviar entre estats cristal·lins i amorfs quan s'escalfa.
Calcogenurs — compostos binaris de metalls amb el 16è grup (6è grup del subgrup principal) de la taula periòdica. Per exemple, els discs CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM i Blu-ray utilitzen telurur de germani (GeTe) i telurur d'antimoni (III) (Sb2Te3).
La investigació sobre l'ús de la transició de fase per a l'emmagatzematge d'informació es va dur a terme a dècada de 1960 any per Stanford Ovshinsky, però després no va arribar a la implementació comercial. A la dècada del 2000, hi va haver un renovat interès per la tecnologia, la tecnologia patentada de Samsung que permet la commutació de bits en 5 ns, i Intel i STMicroelectronics van augmentar el nombre d'estats a quatre, duplicant així la capacitat possible.
Quan s'escalfa per sobre del punt de fusió, el calcogenur perd la seva estructura cristal·lina i, en refredar-se, es converteix en una forma amorfa caracteritzada per una alta resistència elèctrica. Al seu torn, quan s'escalfa a una temperatura superior al punt de cristal·lització, però per sota del punt de fusió, el calcogenur torna a un estat cristal·lí amb un baix nivell de resistència.
La memòria de canvi de fase no requereix "recàrrega" al llarg del temps i tampoc és susceptible a la radiació, a diferència de la memòria carregada elèctricament. Aquest tipus de memòria pot retenir informació durant 300 anys a una temperatura de 85 °C.
Es creu que el desenvolupament de la tecnologia Intel Punt d'encreuament 3D (3D XPoint) Utilitza transicions de fase per emmagatzemar informació. 3D XPoint s'utilitza a les unitats de memòria Intel® Optane™, que es diu que tenen una major resistència.
Conclusió
El disseny físic de les unitats d'estat sòlid ha sofert molts canvis al llarg de més de mig segle d'història, però, cadascuna de les solucions té els seus inconvenients. Malgrat l'innegable popularitat de la memòria Flash, diverses empreses, entre elles Samsung i Intel, estan explorant la possibilitat de crear memòria basada en moments magnètics.
Reduir el desgast de les cèl·lules, compactar-les i augmentar la capacitat global de la unitat són àrees que actualment són prometedores per al desenvolupament posterior de les unitats d'estat sòlid.
Podeu provar les unitats NAND i 3D XPoint més fantàstiques d'avui ara mateix al nostre .
Creus que les tecnologies per emmagatzemar informació sobre càrregues elèctriques seran substituïdes per altres, per exemple, els discos de quars o la memòria òptica sobre nanocristalls de sal?
Font: www.habr.com
