Minulé části cyklu „Úvod do SSD“ čtenářům přiblížily historii vzniku SSD disků, rozhraní pro jejich komunikaci a populární formáty. Čtvrtá část se zaměří na ukládání dat uvnitř disků.
V předchozích článcích cyklu:
Ukládání dat do polovodičových disků lze rozdělit do dvou logických částí: ukládání informací v jedné buňce a organizace ukládání buněk.
Každá buňka polovodičového disku uchovává jeden nebo více bitů informací. Pro uchování informací se používají různé fyzikální procesy. Při vývoji polovodičových disků byly zohledněny následující fyzikální veličiny pro kódování informací:
- elektrické náboje (včetně Flash paměti);
- magnetické momenty (magnetorezistivní paměť);
- fázové stavy (paměť s fázovými změnami).
Paměť založená na elektrických nábojích
Kódování informací pomocí záporného náboje je základem několika řešení:
- mazatelná UV-ROM (EPROM);
- elektricky mazatelné ROM (EEPROM);
- Flash paměť.
Každá paměťová buňka je polní MOSFET s plovoucím hradlem, ve které je uchovávána záporný náboj. Jeho rozdíl oproti běžnému MOSFETu spočívá v přítomnosti plovoucího hradla — vodiče v dielektrické vrstvě.
Při vytváření potenciálového rozdílu mezi drenáží a zdrojem a přítomnosti kladného potenciálu na hradle poteče proud od zdroje k drenáži. Nicméně, při dostatečně velkém potenciálovém rozdílu někteří elektrony „prorazí“ dielektrickou vrstvu a dostanou se do plovoucího hradla. Tento jev se nazývá .
Záporně nabité plovoucí hradlo vytváří elektrické pole, které brání toku proudu od zdroje k drenáži. Navíc, přítomnost elektronů v plovoucím hradle zvyšuje prahové napětí, při kterém se tranzistor otevírá. Při každém „zápisu“ do plovoucího hradla tranzistoru je dielektrická vrstva mírně poškozena, což omezuje počet přepisovacích cyklů každé buňky.
Polní MOS tranzistory s plovoucími hradly byly vyvinuty Dawonem Kahngem a Simonem Min Szém z Bell Labs v roce 1967. Později, při studiu vad integrovaných obvodů, bylo zjištěno, že náboj v plovoucím hradle změnil prahové napětí, které otevírá tranzistor. Tento objev přiměl Dova Frohmana začít práci na paměti založené na tomto jevu.
Změna prahového napětí umožňuje 'programování' tranzistorů. Tranzistory s nábojem v plovoucím hradle se neotevřou, pokud je na hradlo aplikováno napětí větší než prahové napětí pro tranzistor bez elektronů, ale menší než prahové napětí pro tranzistor s elektrony. Označme tuto hodnotu napětí čtení.
Erasable Programmable Read-Only Memory
V roce 1971 vytvořil zaměstnanec Intelu, Dov Frohman, přepisovatelnou paměť na tranzistorech, nazvanou Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Zápis do paměti se prováděl pomocí speciálního zařízení — programátoru. Programátor aplikuje na čip vyšší napětí, než je používáno v digitálních obvodech, a tím 'zapíše' elektrony do plovoucích hradel tranzistorů tam, kde je to potřeba.
V EPROM paměti nebylo předpokládáno elektrické vymazání plovoucích hradel tranzistorů. Místo toho se navrhovalo ovlivnit tranzistory silným ultrafialovým zářením, jehož fotony dodávají elektronům energii potřebnou k opuštění plovoucího hradla. Aby UV světlo mohlo proniknout dovnitř čipu, byla na kryt přidána křemenná skla.
Frohman poprvé představil svůj prototyp EPROM v únoru 1971 na konferenci o pevných pamětích ve Filadelfii. Gordon Moore si vzpomíná na demonstraci: 'Dov demonstroval bitový vzor v buňkách paměti EPROM. Když na buňky působilo ultrafialové světlo, bity zmizely jeden po druhém, dokud nezmizel známý logotyp Intelu úplně. … Bity vymizely, a když poslední z nich zmizel, celé publikum propuklo v potlesk. Dova článek byl uznán jako nejlepší na konferenci.' — Překlad článku
EPROM paměť je dražší než předchozí 'jednorázové' paměťové zařízení (ROM), nicméně možnost přepisování umožňuje rychleji ladit obvody a zkracovat dobu vývoje nového hardwaru.
Přepisování ROM pomocí ultrafialového světla bylo významným pokrokem, nicméně myšlenka elektrického přepisování již 'visela ve vzduchu'.
Elektricky vymazatelná programovatelná paměť pouze ke čtení
v roce 1972 představili tři Japonci: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi a Kiyoko Nagai první elektricky vymazatelnou trvalou paměť (Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM nebo E2PROM). Později se jejich vědecké výzkumy staly součástí patentů na komerční realizace EEPROM paměti.
Každá buňka EEPROM paměti se skládá z několika tranzistorů:
- tranzistor s plovoucím gate pro ukládání bitu;
- tranzistor pro řízení režimu čtení-zápisu.
Taková konstrukce značně komplikuje zapojení elektrického obvodu, proto se EEPROM paměť používala v případech, kdy malý objem paměti nebyl kritický. Pro ukládání velkého objemu dat se stále používala EPROM.
Flash paměť
Flash paměť, která kombinuje nejlepší vlastnosti EPROM a EEPROM, byla vyvinuta japonským profesorem Fujio Masuokou, inženýrem společnosti Toshiba, v roce 1980. První varianta byla nazvána NOR flash paměť a, stejně jako její předchůdci, je založena na MOSFET tranzistorech s plovoucím gate.
NOR flash paměť je dvourozměrné pole tranzistorů. Gate tranzistorů jsou připojeny k řádku slov, zatímco vývody jsou připojeny k řádku bitů. Při aplikaci napětí na řádek slov se tranzistory obsahující elektrony, tedy ukládající 'jedničku', neotevřou a proud nepoteče. Na základě přítomnosti nebo absence proudu na řádku bitu se vyvozuje hodnota bitu.
O sedm let později Fujio Masuoka vyvinul NAND flash paměť. Tento typ paměti se liší počtem tranzistorů na bitovém řádku. U NOR paměti je každý tranzistor přímo připojen k bitovému řádku, zatímco u NAND paměti jsou tranzistory připojeny sériově.
Čtení z paměti takové konfigurace je složitější: na potřebnou řádku slova se dodává napětí potřebné pro čtení, zatímco na všechny ostatní řádky slova se dodává napětí, které otevře tranzistor bez ohledu na úroveň náboje v něm. Jelikož jsou všechny ostatní tranzistory zaručeně otevřené, existence napětí na bitové lince závisí pouze na jediném tranzistoru, na který bylo dodáno napětí pro čtení.
Vynález flash paměti typu NAND umožňuje významné zhušťování schématu, umisťováním většího objemu paměti ve stejných rozměrech. Až do roku 2007 se objem paměti zvyšoval zmenšováním výrobního technologického procesu čipu.
V roce 2007 společnost Toshiba představila novou verzi NAND paměti: Vertical NAND (V-NAND), také známou jako 3D NAND. V této technologii se klade důraz na umístění tranzistorů do několika vrstev, což opět umožňuje zhuštění schématu a zvýšení objemu paměti. Nicméně, zhuštění schématu nemůže být opakováno do nekonečna, a proto byly prozkoumány další metody zvyšování uloženého objemu paměti.
Původně každý tranzistor ukládal dvě úrovně náboje: logickou nulu a logickou jedničku. Tento přístup se nazývá Single-Level Cell (SLC). Disky s touto technologií se vyznačují vysokou spolehlivostí a maximálním počtem cyklů přepisování.
V průběhu času bylo přijato rozhodnutí zvýšit objem disků na úkor odolnosti. Tak se množství úrovní náboje v buňce zvýšilo na čtyři, a tuto technologii nazvali Multi-Level Cell (MLC). Následně se objevily Triple-Level Cell (TLC) a Quad-Level Cell (QLC). V budoucnosti se objeví nová úroveň — Penta-Level Cell (PLC) s pěti bity v jedné buňce. Čím více bitů je umístěno do jedné buňky, tím větší je objem disku při stejné ceně, ale menší odolnost.
Zhuštění schématu zmenšováním technologického procesu a zvyšováním počtu bitů v jednom tranzistoru má negativní dopad na uchovávaná data. Ačkoli EPROM a EEPROM používají stejné tranzistory, EPROM a EEPROM dokážou uchovávat data bez napájení deset let, zatímco moderní flash paměť může všechno "zapomenout" již po roce.
Použití flash paměti v kosmickém průmyslu je problematické, protože radiace negativně ovlivňuje elektrony v plovoucích zátkách.
Uvedené problémy brání flash paměti stát se neochvějným lídrem v oblasti ukládání informací. I když jsou flash paměťové jednotky široce rozšířené, probíhají výzkumy jiných typů pamětí, které nemají tyto nevýhody, mezi nimiž je ukládání informací pomocí magnetických momentů a fázových stavů.
Magnetorezistivní paměť
Kódování informací pomocí magnetických momentů vzniklo v roce 1955 ve formě paměti na magnetických jádrech. Až do poloviny 70. let byla ferritová paměť hlavním typem paměti. Při čtení bitu z tohoto typu paměti došlo k demagnetizaci kroužku a ztrátě informací. Takže po přečtení bitu bylo nutné jej znovu zapsat.
V moderních vývojích magnetorezistivní paměti se místo kroužků používají dvě vrstvy ferromagnetika, oddělené dielektrikem. Jedna vrstva je permanentní magnet a druhá mění směr magnetizace. Čtení bitu z takové buňky spočívá v měření odporu při průchodu proudu: pokud jsou vrstvy magnetizovány opačným směrem, odpor je větší a to odpovídá hodnotě „1“.
Ferritová paměť nevyžaduje trvalý zdroj napájení k udržení zapsaných informací, nicméně magnetické pole buňky může ovlivnit „sousední“ buňku, což ukládá omezení na hustotu schématu.
Podle SSD disky založené na flash paměti by měly uchovávat informace alespoň tři měsíce při okolní teplotě 40 °C. Vyvinutý Intel slibuje uchovat data po dobu deseti let při teplotě 200 °C.
Navzdory složitosti vývoje se magnetorezistivní paměť během používání nedegeneruje a má lepší výkon než ostatní typy pamětí, což neumožňuje tuto formu paměti odepsat.
Paměť s fázovou změnou
Třetí perspektivní typ paměti — paměť na bázi fázového přechodu. Tento typ paměti využívá vlastnosti chalcogenidů přepínat mezi krystalickým a amorfním stavem při zahřívání.
Chalcogenidy — binární spojení kovů se skupinou 16 (6. skupina hlavní podskupiny) periodické tabulky Mendelejeva. Například v CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM a Blu-ray discích se používají tellurid germánia (GeTe) a tellurid antimonu (III) (Sb2Te3).
Studie o využití fázového přechodu pro ukládání informací byly prováděny v 60. letech 20. století Stanem Ovshinským, ale tehdy se technologiím neusnadnilo dostat se na trh. V 2000. letech se zájem o tuto technologii znovu objevil, Samsung patentoval technologii umožňující přepínání bitu za 5 ns a Intel a STMicroelectronics zvýšily počet stavů na čtyři, čímž dvakrát zvýšily možný objem.
Při zahřátí nad bod tání chalcogenid ztrácí krystalickou strukturu a po vychladnutí se mění na amorfní formu, která se charakterizuje vysokým elektrickým odporem. Naopak při zahřívání na teplotu vyšší než bod krystalizace, ale nižší než bod tání se chalcogenid vrací do krystalického stavu s nízkou úrovní odporu.
Paměť s fázovým přechodem nevyžaduje „dobíjení“ během času a není citlivá na radiaci, na rozdíl od paměti na elektrických nábojích. Tento typ paměti může uchovávat informace po dobu 300 let při teplotě 85 °C.
Předpokládá se, že vývoj společnosti Intel, technologie 3D Crosspoint (3D XPoint) využívá právě fázové přechody pro ukládání informací. 3D XPoint se používá v úložištích Intel® Optane™ Memory, pro které byla prohlášena vysoká životnost.
Závěr
Fyzické zařízení pevných disků prošlo mnoha změnami za více než půl století existence, nicméně každé z řešení má své nevýhody. Navzdory nesporné popularitě paměti Flash několik společností včetně Samsungu a Intelu zkoumá možnosti vytvoření paměti na magnetických momentech.
Snížení opotřebení buněk, jejich zhuštění a zvýšení celkové kapacity úložiště — to jsou směry, které jsou v současnosti perspektivní pro další rozvoj pevných disků.
Nejmodernější NAND a 3D XPoint disky si můžete již nyní vyzkoušet v naší .
Jak si myslíte, že technologie ukládání informací na elektrických nábojích nahradí jiné, například křemenné disky nebo optickou paměť na nanokrystalech soli?
Zdroj: habr.com
