E parti precedenti di a serie "Introduzione à SSD" anu dettu à u lettore nantu à a storia di l'emergenza di unità SSD, interfacce per interagisce cun elli, è fatturi di forma populari. A quarta parte parlerà di l'almacenamiento di dati in unità.
In articuli precedenti in a serie:
L'almacenamiento di dati in unità di u statu solidu pò esse divisu in duie parti logiche: almacenà l'infurmazioni in una sola cellula è urganizà u almacenamentu di cellula.
Ogni cellula di un drive à stati solidi emmagatzema unu o più pezzi d'infurmazione. Diversi tipi di informazioni sò usati per almacenà l'infurmazioni. prucessi fisichi. Quandu si sviluppanu unità di stati solidi, e seguenti quantità fisiche sò state cunsiderate per l'infurmazioni di codificazione:
- carichi elettrici (cumpresa memoria Flash);
- mumenti magnetichi (memoria magnetoresistiva);
- stati fasi (memoria cù un cambiamentu in u statu di fase).
Memoria basata nantu à carichi elettrici
A codificazione di l'infurmazioni utilizendu una carica negativa sottumette parechje soluzioni:
- ROM borrabile ultravioletta (EPROM);
- ROM elettricamente cancellabile (EEPROM);
- Memoria flash.
Ogni cellula di memoria hè porta flottante MOSFET, chì guarda una carica negativa. A so diffarenza da un transistor MOS cunvinziunali hè a prisenza di una porta flottante - un cunduttore in a capa dielettrica.
Quandu una diferenza potenziale hè creata trà u drenu è a fonte è ci hè un potenziale pusitivu à a porta, u currente scorri da a fonte à u drenu. Tuttavia, s'ellu ci hè una differenza di putenziale abbastanza grande, certi elettroni "passanu" a capa dielettrica è finiscinu in a porta flottante. Stu fenomenu hè chjamatu .
Una porta flottante carica negativa crea un campu elettricu chì impedisce a corrente di flussu da a fonte à u drenu. Inoltre, a presenza di l'elettroni in a porta flottante aumenta a tensione di soglia à a quale u transistor si accende. Cù ogni "scrittura" à a porta flottante di u transistor, a capa dielettrica hè ligeramente dannata, chì impone un limitu à u nùmeru di cicli di riscrittura di ogni cellula.
I MOSFET Floating-gate sò stati sviluppati da Dawon Kahng è Simon Min Sze à i Bell Labs in u 1967. In seguitu, quandu anu studiatu i difetti in i circuiti integrati, hè statu nutatu chì, per via di a carica in a porta flottante, a tensione di soglia chì apre u transistor hà cambiatu. Sta scuperta hà incitatu Dov Frohman à cumincià à travaglià in memoria basatu annantu à stu fenomenu.
U cambiamentu di a tensione di u limitu permette di "prugrammà" i transistori. I transistor di porta flottante ùn si accendenu micca quandu a tensione di a porta hè più grande di a tensione di soglia per un transistor senza elettroni, ma menu di a tensione di soglia per un transistor cù elettroni. Chjamemu stu valore tensione di lettura.
Memoria Programmable Erasable Read-Only
In u 1971, l'impiegatu Intel Dov Frohman hà criatu una memoria riscrivibile basata in transistor chjamata Memoria di sola lettura programmabile cancellabile (EPROM). A registrazione in memoria hè stata realizata cù un dispositivu speciale - un programatore. U programatore applica una tensione più altu à u chip chì hè utilizatu in i circuiti digitale, cusì "scrittu" elettroni à e porte flottanti di i transistori induve hè necessariu.
A memoria EPROM ùn era micca destinata à pulisce e porte flottanti di i transistori elettricamente. Invece, hè stata pruposta di espose i transistori à una forte luce ultravioletta, i fotoni di quale daranu l'elettroni l'energia necessaria per scappà da a porta flottante. Per permette à a luce ultravioleta di penetrà in fondu in u chip, u vetru di quartz hè statu aghjuntu à l'alloghju.
Froman prisintò u so prototipu EPROM per a prima volta in u ferraghju di u 1971 in una cunferenza IC di stati solidi in Filadelfia. Gordon Moore hà ricurdatu a dimostrazione: "Dov hà dimustratu u mudellu di bit in e cellule di memoria EPROM. Quandu i celluli sò stati esposti à a luce ultravioletta, i pezzi sò spariti unu à unu finu à chì u logu Intel pocu familiar hè stata completamente sguassata. ... I ritmi sparivanu, è quandu l'ultimu sparì, u publicu tutale sbucò in applausi. L'articulu di Dov hè statu ricunnisciutu cum'è u megliu in a cunferenza. - Traduzzione di l'articulu
A memoria EPROM hè più caru di i dispositi di memoria di sola lettura (ROM) "disponibili" utilizati prima, ma a capacità di riprogrammà permette di debug circuiti più veloce è riduce u tempu chì ci vole à sviluppà un novu hardware.
A riprogrammazione di ROM cù a luce ultravioletta era un avanzatu significativu, però, l'idea di riscrittura elettrica era digià in l'aria.
Memoria di sola lettura programmabile cancellabile elettricamente
In u 1972, trè giapponesi: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi è Kiyoko Nagai introduciunu a prima memoria di sola lettura elettricamente cancellabile (EEPROM o E2PROM). In seguitu, a so ricerca scientifica diventerà parte di brevetti per implementazioni cummerciale di memoria EEPROM.
Ogni cellula di memoria EEPROM hè custituita da parechji transistori:
- transistor di porta flottante per u almacenamentu di bit;
- transistor per cuntrullà u modu di lettura-scrittura.
Stu disignu complica assai u cablaggio di u circuitu elettricu, cusì a memoria EEPROM hè stata aduprata in i casi induve una piccula quantità di memoria ùn era micca critica. L'EPROM era sempre aduprata per almacenà grandi quantità di dati.
Memoria flash
A memoria flash, chì combina e migliori funzioni di EPROM è EEPROM, hè stata sviluppata da u prufessore giapponese Fujio Masuoka, un ingegnere in Toshiba, in u 1980. U primu sviluppu hè statu chjamatu NOR Flash memory è, cum'è i so predecessori, hè basatu annantu à i MOSFET di porta flottante.
A memoria flash NOR hè una matrice bidimensionale di transistori. I porti di i transistori sò cunnessi à a linea di parola, è i dreni sò cunnessi à a linea di bit. Quandu a tensione hè appiicata à a linea di a parolla, i transistori chì cuntenenu l'elettroni, vale à dì, chì almacenanu "unu", ùn si apre è u currenti ùn scorri micca. Basatu nantu à a prisenza o l'absenza di corrente nantu à a linea di bit, una cunclusione hè tracciata nantu à u valore di u bit.
Sette anni dopu, Fujio Masuoka hà sviluppatu a memoria Flash NAND. Stu tipu di memoria differisce in u numeru di transistori nantu à a linea di bit. In a memoria NOR, ogni transistor hè direttamente cunnessu à una linea di bit, mentre chì in a memoria NAND, i transistor sò cunnessi in serie.
A lettura da a memoria di sta cunfigurazione hè più difficiuli: a tensione necessaria per a lettura hè appiicata à a linea necessaria di a parolla, è a tensione hè appiicata à tutti l'altri linii di a parolla, chì apre u transistor, indipendentemente da u livellu di carica in questu. Siccomu tutti l'altri transistor sò garantiti per esse aperti, a prisenza di tensione nantu à a linea di bit dipende solu da un transistor, à quale hè appiicata a tensione di lettura.
L'invenzione di a memoria flash NAND permette di cumpressà significativamente u circuitu, pusendu più memoria in a stessa dimensione. Finu à u 2007, a capacità di memoria hè stata aumentata riducendu u prucessu di fabricazione di u chip.
In u 2007, Toshiba hà introduttu una nova versione di memoria NAND: NAND verticale (V-NAND), canusciutu macari comu 3D NAND. Sta tecnulugia mette un enfasi à pusà transistors in parechje strati, chì permette di novu un circuitu più densu è una capacità di memoria aumentata. Tuttavia, a compactazione di u circuitu ùn pò esse ripetuta indefinitu, cusì altri metudi sò stati esplorati per aumentà a capacità di almacenamento.
Inizialmente, ogni transistor hà guardatu dui livelli di carica: logica zero è logica. Stu approcciu hè chjamatu Cella à un livellu (SLC). Drives cù sta tecnulugia sò assai affidabili è anu un numeru massimu di cicli di riscrittura.
À u tempu, hè statu decisu di aumentà a capacità di almacenamento à a spesa di a resistenza à l'usura. Allora u numaru di livelli di carica in una cellula hè finu à quattru, è a tecnulugia hè stata chjamata Cella à più livelli (MLC). Dopu hè vinutu Cella à triplu livellu (TLC) и Cella à quadru livellu (QLC). Ci sarà un novu livellu in u futuru - Cella à penta-livellu (PLC) cù cinque bit per cellula. U più bits si mette in una cellula, più grande hè a capacità di almacenamento à u listessu costu, ma menu resistenza à l'usura.
A compattazione di u circuitu riducendu u prucessu tecnicu è aumentendu u nùmeru di bit in un transistor affetta negativamente i dati almacenati. Malgradu u fattu chì l'EPROM è l'EEPROM utilizanu i stessi transistori, l'EPROM è l'EEPROM ponu almacenà e dati senza putenza per deci anni, mentre chì a memoria Flash moderna pò "dimenticà" tuttu dopu un annu.
L'usu di a memoria Flash in l'industria spaziale hè difficiule perchè a radiazione hà un effettu preghjudiziu nantu à l'elettroni in e porte flottanti.
Questi prublemi impediscenu à a memoria Flash di diventà u capu indiscutitu in u campu di l'almacenamiento di l'infurmazioni. Malgradu u fattu chì i drive basati nantu à a memoria Flash sò spargugliati, a ricerca hè in corso in altri tipi di memoria chì ùn anu micca questi svantaghji, cumpresu l'almacenamiento di l'infurmazioni in mumenti magnetichi è stati di fasi.
Memoria magnetoresistiva
L'infurmazione di codificazione cù i mumenti magnetichi apparsu in u 1955 in a forma di memoria nantu à i core magnetichi. Finu à a mità di l'anni 1970, a memoria di ferrite era u tipu principale di memoria. A lettura di un pocu di stu tipu di memoria hà purtatu à a demagnetizazione di l'anellu è a perdita di l'infurmazioni. Cusì, dopu avè lettu un pocu, duvia esse scrittu torna.
In i sviluppi muderni di a memoria magnetoresistiva, invece di anelli, sò usati dui strati di un ferromagnet, separati da un dielettricu. Una capa hè un magnetu permanente, è u sicondu cambia a direzzione di magnetizazione. Leghjite un pocu da una tale cellula vene à a misurazione di a resistenza quandu passa u currente: se i strati sò magnetizzati in direzzione opposta, a resistenza hè più grande è questu hè equivalente à u valore "1".
A memoria di ferrite ùn hà micca bisognu di una fonte di energia constante per mantene l'infurmazioni registrate, in ogni modu, u campu magneticu di a cellula pò influenzà u "vicinu", chì impone una limitazione à a compactazione di u circuitu.
Sicondu L'unità SSD basate nantu à a memoria Flash senza alimentazione deve mantene l'infurmazioni per almenu trè mesi à una temperatura ambiente di 40 ° C. Cuncepitu da Intel prumetti di almacenà e dati per deci anni à 200 ° C.
Malgradu a cumplessità di u sviluppu, a memoria magnetoresistiva ùn si degrade durante l'usu è hà u megliu rendimentu trà altri tipi di memoria, chì ùn permettenu micca stu tipu di memoria per esse scritte.
Memoria di cambiamentu di fase
U terzu tipu di memoria promettente hè a memoria basatu nantu à u cambiamentu di fase. Stu tipu di memoria usa e proprietà di calcogenidi per cambià trà stati cristallini è amorfi quandu si riscalda.
Calcogenidi - cumposti binari di metalli cù u gruppu 16th (gruppu 6th di u sottugruppu principale) di a tavula periodica. Per esempiu, i dischi CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM è Blu-ray utilizanu germanium telluride (GeTe) è antimony (III) telluride (Sb2Te3).
A ricerca nantu à l'usu di a transizione di fase per u almacenamentu di l'infurmazioni hè stata realizata in 1960 annu da Stanford Ovshinsky, ma dopu ùn hè micca vinutu à l'implementazione cummerciale. In l'anni 2000, ci hè statu rinnuvatu interessu in a tecnulugia, a tecnulugia patentata Samsung chì permette u cambiamentu di bit in 5 ns, è Intel è STMicroelectronics anu aumentatu u numeru di stati à quattru, radduppiendu cusì a capacità pussibule.
Quandu si riscalda sopra à u puntu di fusione, u calcogenidu perde a so struttura cristallina è, dopu à rinfriscà, si trasforma in una forma amorfa carattarizata da una alta resistenza elettrica. À u turnu, quandu si riscalda à una temperatura sopra à u puntu di cristallizazione, ma sottu à u puntu di fusione, u calcogenidu torna à un statu cristalinu cù un livellu bassu di resistenza.
A memoria di cambiamentu di fase ùn hà micca bisognu di "ricarica" cù u tempu, è ùn hè ancu suscettibile à a radiazione, à u cuntrariu di a memoria carica elettricamente. Stu tipu di memoria pò mantene l'infurmazioni per 300 anni à una temperatura di 85 ° C.
Hè cresce chì u sviluppu di a tecnulugia Intel 3D Crosspoint (3D XPoint) Utiliza transizioni di fase per almacenà l'infurmazioni. 3D XPoint hè utilizatu in unità di memoria Intel® Optane ™, chì si dicenu chì anu più endurance.
cunchiusioni
U disignu fisicu di unità di u statu solidu hà sappiutu assai cambiamenti in più di mezu seculu di storia, però, ogni suluzione hà i so inconvenienti. Malgradu a popularità innegabile di a memoria Flash, parechje cumpagnie, cumpresa Samsung è Intel, anu esploratu a pussibilità di creà memoria basatu nantu à i mumenti magnetichi.
A riduzzione di l'usura di e cellule, a compattazione è l'aumentu di a capacità generale di l'unità sò aree chì sò attualmente promettenti per u sviluppu ulteriore di unità di u solidu.
Pudete pruvà i più cool drive NAND è 3D XPoint d'oghje avà in u nostru .
Pensate chì i tecnulugii per almacenà l'infurmazioni nantu à i carichi elettrici seranu rimpiazzati da altri, per esempiu, dischi di quartz o memoria otticu nantu à i nanocristalli di sal?
Source: www.habr.com