Předchozí díly série „Úvod do SSD“ čtenáři vyprávěly o historii vzniku SSD disků, rozhraních pro interakci s nimi a populárních tvarových faktorech. Čtvrtá část bude hovořit o ukládání dat uvnitř disků.
V předchozích článcích série:
Úložiště dat na jednotkách SSD lze rozdělit na dvě logické části: ukládání informací v jedné buňce a organizování úložiště buněk.
Každá buňka SSD ukládá jeden nebo více bitů informací. K ukládání informací se používají různé typy informací. fyzikální procesy. Při vývoji disků SSD byly pro kódování informací uvažovány následující fyzické veličiny:
- elektrické náboje (včetně paměti Flash);
- magnetické momenty (magnetorezistivní paměť);
- fázové stavy (paměť se změnou stavu fáze).
Paměť založená na elektrických nábojích
Kódování informací pomocí záporného náboje je základem několika řešení:
- ultrafialová vymazatelná ROM (EPROM);
- elektricky vymazatelná ROM (EEPROM);
- Flash paměť.
Každá paměťová buňka je plovoucí brána MOSFET, která ukládá záporný náboj. Jeho rozdíl od běžného MOS tranzistoru je přítomnost plovoucího hradla - vodiče v dielektrické vrstvě.
Když se vytvoří potenciální rozdíl mezi odtokem a zdrojem a na bráně je kladný potenciál, proud poteče od zdroje k odtoku. Pokud však existuje dostatečně velký potenciálový rozdíl, některé elektrony „prorazí“ dielektrickou vrstvu a skončí v plovoucí bráně. Tento jev se nazývá .
Záporně nabitá plovoucí brána vytváří elektrické pole, které brání proudu v toku ze zdroje do odpadu. Navíc přítomnost elektronů v plovoucí bráně zvyšuje prahové napětí, při kterém se tranzistor zapíná. Při každém „zápisu“ na plovoucí hradlo tranzistoru je dielektrická vrstva mírně poškozena, což omezuje počet přepisovacích cyklů každého článku.
MOSFETy s plovoucí bránou vyvinuli Dawon Kahng a Simon Min Sze v Bell Labs v roce 1967. Později, při studiu defektů v integrovaných obvodech, bylo zjištěno, že kvůli náboji v plovoucí bráně se změnilo prahové napětí, které otevírá tranzistor. Tento objev přiměl Dova Frohmana, aby začal pracovat na paměti založené na tomto jevu.
Změna prahového napětí umožňuje „programovat“ tranzistory. Tranzistory s plovoucím hradlem se nezapnou, když je napětí hradla vyšší než prahové napětí pro tranzistor bez elektronů, ale nižší než prahové napětí pro tranzistor s elektrony. Nazvěme tuto hodnotu čtecí napětí.
Vymazatelná programovatelná paměť pouze pro čtení
V roce 1971 vytvořil zaměstnanec Intelu Dov Frohman tranzistorovou přepisovatelnou paměť s názvem Vymazatelná programovatelná paměť pouze pro čtení (EPROM). Záznam do paměti byl prováděn pomocí speciálního zařízení - programátoru. Programátor přivádí na čip vyšší napětí, než se používá v digitálních obvodech, a tím „zapisuje“ elektrony do plovoucích hradel tranzistorů tam, kde je to potřeba.
Paměť EPROM nebyla určena k elektrickému čištění plovoucích hradel tranzistorů. Místo toho bylo navrženo vystavit tranzistory silnému ultrafialovému světlu, jehož fotony by dodaly elektronům energii potřebnou k úniku z plovoucí brány. Aby ultrafialové světlo mohlo proniknout hluboko do čipu, bylo do pouzdra přidáno křemenné sklo.
Froman poprvé představil svůj prototyp EPROM v únoru 1971 na konferenci polovodičových IC ve Philadelphii. Gordon Moore si na demonstraci vzpomněl: „Dov předvedl bitový vzor v paměťových buňkách EPROM. Když byly buňky vystaveny ultrafialovému světlu, bity jeden po druhém mizely, dokud nebylo neznámé logo Intelu zcela vymazáno. … Beaty zmizely, a když zmizel poslední, celé publikum propuklo v potlesk. Dovův článek byl na konferenci uznán jako nejlepší.“ — Překlad článku
Paměť EPROM je dražší než dříve používaná „jednorázová“ paměťová zařízení pouze pro čtení (ROM), ale schopnost přeprogramování vám umožňuje rychleji ladit obvody a zkrátit čas potřebný k vývoji nového hardwaru.
Přeprogramování ROM s ultrafialovým světlem bylo významným průlomem, nicméně myšlenka na elektrické přepisování už byla ve vzduchu.
Elektricky mazatelná programovatelná paměť pouze pro čtení
V roce 1972 tři Japonci: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi a Kiyoko Nagai představili první elektricky mazatelnou paměť pouze pro čtení (EEPROM nebo E2PROM). Později se jejich vědecký výzkum stane součástí patentů na komerční implementace paměti EEPROM.
Každá paměťová buňka EEPROM se skládá z několika tranzistorů:
- tranzistor s plovoucím hradlem pro ukládání bitů;
- tranzistor pro ovládání režimu čtení a zápisu.
Tato konstrukce značně komplikuje zapojení elektrického obvodu, takže paměť EEPROM byla použita v případech, kdy malé množství paměti nebylo kritické. EPROM se stále používala k ukládání velkého množství dat.
Flash paměť
Flash paměť, kombinující nejlepší vlastnosti EPROM a EEPROM, byla vyvinuta japonským profesorem Fujio Masuokou, inženýrem společnosti Toshiba, v roce 1980. První vývoj se jmenoval NOR Flash paměti a stejně jako jeho předchůdci je založen na MOSFETech s plovoucí bránou.
NOR flash paměť je dvourozměrné pole tranzistorů. Hradla tranzistorů jsou připojena ke slovnímu řádku a svody jsou připojeny k bitovému řádku. Když je na slovo přivedeno napětí, tranzistory obsahující elektrony, tedy „jedničku“, se neotevřou a proud nepoteče. Na základě přítomnosti nebo nepřítomnosti proudu na bitovém řádku se vyvodí závěr o hodnotě bitu.
O sedm let později vyvinul Fujio Masuoka paměť NAND Flash. Tento typ paměti se liší počtem tranzistorů na bitovém řádku. V paměti NOR je každý tranzistor přímo připojen k bitové lince, zatímco v paměti NAND jsou tranzistory zapojeny do série.
Čtení z paměti této konfigurace je obtížnější: napětí potřebné pro čtení je přivedeno na nezbytný řádek slova a napětí je aplikováno na všechny ostatní řádky slova, což otevírá tranzistor bez ohledu na úroveň nabití v něm. Protože všechny ostatní tranzistory jsou zaručeně otevřené, závisí přítomnost napětí na bitovém vedení pouze na jednom tranzistoru, na který je přivedeno čtené napětí.
Vynález paměti NAND Flash umožňuje výrazně komprimovat obvod a umístit více paměti do stejné velikosti. Do roku 2007 se kapacita paměti zvyšovala snížením výrobního procesu čipu.
V roce 2007 společnost Toshiba představila novou verzi paměti NAND: Vertikální NAND (V-NAND), také známý jako 3D NAND. Tato technologie klade důraz na umístění tranzistorů ve více vrstvách, což opět umožňuje hustší obvody a zvýšenou kapacitu paměti. Zhutňování okruhu však nelze opakovat donekonečna, proto byly prozkoumány jiné způsoby, jak zvýšit kapacitu úložiště.
Zpočátku každý tranzistor uložil dvě úrovně nabití: logickou nulu a logickou jedničku. Tento přístup se nazývá Jednoúrovňová buňka (SLC). Pohony s touto technologií jsou vysoce spolehlivé a mají maximální počet přepisovacích cyklů.
Postupem času bylo rozhodnuto o zvýšení skladovací kapacity na úkor odolnosti proti opotřebení. Počet úrovní nabití v článku je tedy až čtyři a tato technologie byla povolána Víceúrovňová buňka (MLC). Další přišel Triple-Level Cell (TLC) и Čtyřúrovňová buňka (QLC). V budoucnu bude nová úroveň - Penta-Level Cell (PLC) s pěti bity na buňku. Čím více bitů se vejde do jedné buňky, tím větší je úložná kapacita při stejné ceně, ale menší odolnost proti opotřebení.
Zhutnění obvodu snížením technického procesu a zvýšením počtu bitů v jednom tranzistoru negativně ovlivňuje uložená data. Navzdory skutečnosti, že EPROM a EEPROM používají stejné tranzistory, EPROM a EEPROM mohou uchovávat data bez napájení po dobu deseti let, zatímco moderní Flash paměti mohou po roce vše „zapomenout“.
Použití paměti Flash ve vesmírném průmyslu je obtížné, protože záření má škodlivý vliv na elektrony v plovoucích bránách.
Tyto problémy brání tomu, aby se Flash paměť stala nesporným lídrem v oblasti ukládání informací. Navzdory tomu, že jsou mechaniky založené na Flash paměti rozšířené, probíhá výzkum dalších typů pamětí, které tyto nevýhody nemají, včetně ukládání informací v magnetických momentech a fázových stavech.
Magnetorezistivní paměť
Kódování informací magnetickými momenty se objevilo v roce 1955 ve formě paměti na magnetických jádrech. Až do poloviny 1970. let byla hlavním typem paměti feritová paměť. Čtení trochu z tohoto typu paměti vedlo k demagnetizaci prstenu a ztrátě informací. Po krátkém přečtení to tedy muselo být odepsáno.
V moderním vývoji magnetorezistivní paměti se místo kroužků používají dvě vrstvy feromagnetu, oddělené dielektrikem. Jedna vrstva je permanentní magnet a druhá mění směr magnetizace. Odečtení bitu z takové buňky se týká měření odporu při průchodu proudu: pokud jsou vrstvy magnetizovány v opačných směrech, pak je odpor větší a odpovídá hodnotě „1“.
Feritová paměť nevyžaduje konstantní zdroj energie pro udržení zaznamenané informace, nicméně magnetické pole buňky může ovlivnit „souseda“, což omezuje zhutnění obvodu.
Podle SSD disky založené na Flash paměti bez napájení musí uchovávat informace po dobu nejméně tří měsíců při okolní teplotě 40 °C. Navrženo společností Intel slibuje uchování dat po dobu deseti let při 200 °C.
I přes složitost vývoje magnetorezistivní paměť během používání nedegraduje a má nejlepší výkon mezi ostatními typy pamětí, což neumožňuje tento typ paměti odepisovat.
Paměť na změnu fáze
Třetím slibným typem paměti je paměť založená na změně fáze. Tento typ paměti využívá vlastnosti chalkogenidů k přepínání mezi krystalickým a amorfním stavem při zahřátí.
Chalkogenidy — binární sloučeniny kovů s 16. skupinou (6. skupina hlavní podskupiny) periodické tabulky. Například disky CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM a Blu-ray používají telurid germania (GeTe) a telurid antimonitý (Sb2Te3).
V r byl proveden výzkum využití fázového přechodu pro ukládání informací 1960. léta XNUMX. století roku Stanfordem Ovshinským, ale poté se ke komerční realizaci nedostalo. V roce 2000 byl o technologii obnovený zájem, Samsung patentoval technologii umožňující přepínání bitů za 5 ns a Intel a STMicroelectronics zvýšily počet stavů na čtyři, čímž zdvojnásobily možnou kapacitu.
Při zahřátí nad bod tání ztrácí chalkogenid svou krystalickou strukturu a po ochlazení přechází do amorfní formy vyznačující se vysokým elektrickým odporem. Na druhé straně, když se zahřeje na teplotu nad bodem krystalizace, ale pod bodem tání, chalkogenid se vrátí do krystalického stavu s nízkou úrovní odporu.
Paměť se změnou fáze nevyžaduje „nabíjení“ v průběhu času a na rozdíl od elektricky nabité paměti také není citlivá na záření. Tento typ paměti dokáže uchovat informace po dobu 300 let při teplotě 85°C.
Předpokládá se, že vývoj technologie Intel 3D křížový bod (3D XPoint) K ukládání informací využívá fázové přechody. 3D XPoint se používá v jednotkách Intel® Optane™ Memory, o kterých se tvrdí, že mají větší výdrž.
Závěr
Fyzická konstrukce SSD za více než půl století historie prošla mnoha změnami, nicméně každé z řešení má své nevýhody. Navzdory nepopiratelné popularitě pamětí Flash, několik společností, včetně Samsungu a Intelu, zkoumá možnost vytvoření paměti založené na magnetických momentech.
Snížení opotřebení článků, jejich zhutnění a zvýšení celkové kapacity disku jsou oblasti, které jsou v současnosti slibné pro další rozvoj SSD disků.
Nejúžasnější NAND a 3D XPoint disky dneška můžete otestovat právě teď v našem .
Myslíte si, že technologie pro ukládání informací o elektrických nábojích budou nahrazeny jinými, například křemennými disky nebo optickou pamětí na nanokrystalech soli?
Zdroj: www.habr.com