Dywedodd rhannau blaenorol o'r gyfres “Cyflwyniad i SSD” wrth y darllenydd am hanes ymddangosiad gyriannau SSD, rhyngwynebau ar gyfer rhyngweithio â nhw, a ffactorau ffurf poblogaidd. Bydd y bedwaredd ran yn sôn am storio data y tu mewn i yriannau.
Mewn erthyglau blaenorol yn y gyfres:
Gellir rhannu storio data mewn gyriannau cyflwr solet yn ddwy ran resymegol: storio gwybodaeth mewn un gell a threfnu storio celloedd.
Mae pob cell mewn gyriant cyflwr solet yn storio un darn neu fwy o wybodaeth. Defnyddir gwahanol fathau o wybodaeth i storio gwybodaeth. prosesau corfforol. Wrth ddatblygu gyriannau cyflwr solet, ystyriwyd y meintiau ffisegol canlynol ar gyfer amgodio gwybodaeth:
- taliadau trydan (gan gynnwys cof Flash);
- eiliadau magnetig (cof magnetoresistive);
- cyflwr cyfnod (cof gyda newid mewn cyflwr cyfnod).
Cof yn seiliedig ar daliadau trydanol
Mae amgodio gwybodaeth gan ddefnyddio gwefr negyddol yn sail i sawl datrysiad:
- ROM uwchfioled y gellir ei ddileu (EPROM);
- ROM y gellir ei ddileu yn drydanol (EEPROM);
- Cof fflach.
Mae pob cell cof yn porth arnofiol MOSFET, sy'n storio tâl negyddol. Ei wahaniaeth o transistor MOS confensiynol yw presenoldeb giât arnofio - dargludydd yn yr haen deuelectrig.
Pan fydd gwahaniaeth potensial yn cael ei greu rhwng y draen a'r ffynhonnell a bod potensial positif wrth y giât, bydd cerrynt yn llifo o'r ffynhonnell i'r draen. Fodd bynnag, os oes gwahaniaeth potensial digon mawr, mae rhai electronau yn “torri trwy” yr haen deuelectrig ac yn gorffen yn y giât arnofio. Gelwir y ffenomen hon .
Mae giât arnofio â gwefr negyddol yn creu maes trydan sy'n atal cerrynt rhag llifo o'r ffynhonnell i'r draen. Ar ben hynny, mae presenoldeb electronau yn y giât arnofio yn cynyddu'r foltedd trothwy y mae'r transistor yn troi ymlaen arno. Gyda phob “ysgrifennu” i giât symudol y transistor, mae'r haen dielectrig wedi'i difrodi ychydig, sy'n gosod terfyn ar nifer y cylchoedd ailysgrifennu ym mhob cell.
Datblygwyd MOSFETs giât arnofiol gan Dawon Kahng a Simon Min Sze yn Bell Labs ym 1967. Yn ddiweddarach, wrth astudio diffygion mewn cylchedau integredig, sylwyd oherwydd y tâl yn y giât arnofio, bod y foltedd trothwy sy'n agor y transistor wedi newid. Ysgogodd y darganfyddiad hwn Dov Frohman i ddechrau gweithio ar y cof yn seiliedig ar y ffenomen hon.
Mae newid y foltedd trothwy yn caniatáu ichi “raglennu” y transistorau. Ni fydd transistorau giât arnawf yn troi ymlaen pan fydd foltedd y giât yn fwy na'r foltedd trothwy ar gyfer transistor heb electronau, ond yn llai na'r foltedd trothwy ar gyfer transistor ag electronau. Gadewch i ni alw'r gwerth hwn foltedd darllen.
Cof Darllen yn Unig Rhaglenadwy y Gellir ei Dileu
Yn 1971, creodd gweithiwr Intel Dov Frohman gof ailysgrifennu yn seiliedig ar transistor o'r enw Cof Darllen yn Unig Rhaglenadwy y Gellir ei Dileu (EPROM). Recordiwyd i'r cof gan ddefnyddio dyfais arbennig - rhaglennydd. Mae'r rhaglennydd yn gosod foltedd uwch ar y sglodyn nag a ddefnyddir mewn cylchedau digidol, a thrwy hynny "ysgrifennu" electronau i gatiau arnofio y transistorau lle bo angen.
Nid bwriad cof EPROM oedd glanhau gatiau arnofiol y transistorau yn drydanol. Yn lle hynny, cynigiwyd bod y transistorau yn agored i olau uwchfioled cryf, y byddai eu ffotonau'n rhoi'r egni sydd ei angen i'r electronau ddianc o'r giât arnofiol. Er mwyn caniatáu i olau uwchfioled dreiddio'n ddwfn i'r sglodion, ychwanegwyd gwydr cwarts at y tai.
Cyflwynodd Froman ei brototeip EPROM am y tro cyntaf ym mis Chwefror 1971 mewn cynhadledd IC cyflwr solet yn Philadelphia. Roedd Gordon Moore yn cofio’r gwrthdystiad: “Dangosodd Dov y patrwm didau yng nghelloedd cof EPROM. Pan oedd y celloedd yn agored i olau uwchfioled, diflannodd y darnau fesul un nes i'r logo Intel anghyfarwydd gael ei ddileu yn llwyr. … Diflannodd y curiadau, a phan ddiflannodd yr un olaf, torrodd y gynulleidfa gyfan i gymeradwyaeth. Cydnabuwyd erthygl Dov fel y gorau yn y gynhadledd.” — Cyfieithiad o'r erthygl
Mae cof EPROM yn ddrytach na dyfeisiau cof darllen yn unig “tafladwy” (ROM) a ddefnyddiwyd yn flaenorol, ond mae'r gallu i ailraglennu yn caniatáu ichi ddadfygio cylchedau yn gyflymach a lleihau'r amser y mae'n ei gymryd i ddatblygu caledwedd newydd.
Roedd ailraglennu ROMau gyda golau uwchfioled yn ddatblygiad sylweddol, fodd bynnag, roedd y syniad o ailysgrifennu trydanol eisoes yn yr awyr.
Cof Darllen yn Unig Rhaglenadwy y Gellir ei Ddileu'n Drydanol
Ym 1972, cyflwynodd tri o Japaneaid: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi a Kiyoko Nagai y cof darllen yn unig cyntaf y gellir ei ddileu yn drydanol (EEPROM neu E2PROM). Yn ddiweddarach, bydd eu hymchwil wyddonol yn dod yn rhan o batentau ar gyfer gweithrediadau masnachol o gof EEPROM.
Mae pob cell cof EEPROM yn cynnwys sawl transistor:
- transistor giât arnawf ar gyfer storio didau;
- transistor ar gyfer rheoli modd darllen-ysgrifennu.
Mae'r dyluniad hwn yn cymhlethu gwifrau'r cylched trydanol yn fawr, felly defnyddiwyd cof EEPROM mewn achosion lle nad oedd ychydig o gof yn hollbwysig. Roedd EPROM yn dal i gael ei ddefnyddio i storio symiau mawr o ddata.
Cof fflach
Datblygwyd cof fflach, sy'n cyfuno nodweddion gorau EPROM ac EEPROM, gan yr athro Japaneaidd, Fujio Masuoka, peiriannydd yn Toshiba, ym 1980. Enw'r datblygiad cyntaf oedd cof NOR Flash ac, fel ei ragflaenwyr, mae'n seiliedig ar MOSFETs giât arnawf.
Mae cof fflach NOR yn amrywiaeth dau-ddimensiwn o dransistorau. Mae gatiau'r transistorau wedi'u cysylltu â'r llinell eiriau, ac mae'r draeniau wedi'u cysylltu â'r llinell didau. Pan fydd foltedd yn cael ei gymhwyso i'r llinell eiriau, ni fydd transistorau sy'n cynnwys electronau, hynny yw, storio "un," yn agor ac ni fydd cerrynt yn llifo. Yn seiliedig ar bresenoldeb neu absenoldeb cerrynt ar y llinell didau, deuir i gasgliad ynghylch gwerth y did.
Saith mlynedd yn ddiweddarach, datblygodd Fujio Masuoka cof NAND Flash. Mae'r math hwn o gof yn wahanol yn nifer y transistorau ar y llinell didau. Mewn cof NOR, mae pob transistor wedi'i gysylltu'n uniongyrchol â llinell did, tra mewn cof NAND, mae'r transistorau wedi'u cysylltu mewn cyfres.
Mae darllen o'r cof am y cyfluniad hwn yn anoddach: mae'r foltedd sy'n angenrheidiol ar gyfer darllen yn cael ei gymhwyso i linell angenrheidiol y gair, a chymhwysir foltedd i holl linellau eraill y gair, sy'n agor y transistor waeth beth fo lefel y tâl ynddo. Gan fod pob transistor arall yn sicr o fod yn agored, mae presenoldeb foltedd ar y llinell didau yn dibynnu ar un transistor yn unig, y mae'r foltedd darllen yn cael ei gymhwyso iddo.
Mae dyfeisio cof NAND Flash yn ei gwneud hi'n bosibl cywasgu'r gylched yn sylweddol, gan osod mwy o gof yn yr un maint. Hyd at 2007, cynyddwyd gallu cof trwy leihau proses weithgynhyrchu'r sglodion.
Yn 2007, cyflwynodd Toshiba fersiwn newydd o gof NAND: NAND fertigol (V-NAND), a elwir hefyd yn 3D NAND. Mae'r dechnoleg hon yn rhoi pwyslais ar osod transistorau mewn haenau lluosog, sydd eto'n caniatáu ar gyfer cylchedwaith dwysach a chynhwysedd cof cynyddol. Fodd bynnag, ni ellir ailadrodd cywasgu cylched am gyfnod amhenodol, felly mae dulliau eraill wedi'u harchwilio i gynyddu'r cynhwysedd storio.
I ddechrau, roedd pob transistor yn storio dwy lefel gwefr: sero rhesymegol ac un rhesymegol. Gelwir yr ymagwedd hon Cell Lefel Sengl (SLC). Mae gyriannau gyda'r dechnoleg hon yn hynod ddibynadwy ac mae ganddynt uchafswm o gylchoedd ailysgrifennu.
Dros amser, penderfynwyd cynyddu'r gallu storio ar draul ymwrthedd gwisgo. Felly mae nifer y lefelau gwefr mewn cell hyd at bedwar, a galwyd y dechnoleg Cell Aml-Lefel (MLC). Daeth nesaf Cell Lefel Driphlyg (TLC) и Cell Lefel Cwad (QLC). Bydd lefel newydd yn y dyfodol - Cell Penta-Lefel (PLC) gyda phum did y gell. Po fwyaf o ddarnau sy'n ffitio i mewn i un gell, y mwyaf yw'r gallu storio ar yr un gost, ond y lleiaf o wrthwynebiad gwisgo.
Mae cywasgu'r gylched trwy leihau'r broses dechnegol a chynyddu nifer y darnau mewn un transistor yn effeithio'n negyddol ar y data sydd wedi'i storio. Er gwaethaf y ffaith bod EPROM ac EEPROM yn defnyddio'r un transistorau, gall EPROM ac EEPROM storio data heb bŵer am ddeng mlynedd, tra gall cof Flash modern “anghofio” popeth ar ôl blwyddyn.
Mae'r defnydd o gof Flash yn y diwydiant gofod yn anodd oherwydd bod ymbelydredd yn cael effaith andwyol ar yr electronau yn y gatiau arnofio.
Mae'r problemau hyn yn atal cof Flash rhag dod yn arweinydd diamheuol ym maes storio gwybodaeth. Er gwaethaf y ffaith bod gyriannau sy'n seiliedig ar gof Flash yn eang, mae ymchwil ar y gweill i fathau eraill o gof nad oes ganddynt yr anfanteision hyn, gan gynnwys storio gwybodaeth mewn eiliadau magnetig a chyflyrau cyfnod.
Cof magnetoresistive
Ymddangosodd gwybodaeth amgodio ag eiliadau magnetig ym 1955 ar ffurf cof ar greiddiau magnetig. Hyd at ganol y 1970au, cof ferrite oedd y prif fath o gof. Arweiniodd darllen ychydig o'r math hwn o gof at ddadmagneteiddio'r cylch a cholli gwybodaeth. Felly, ar ôl darllen ychydig, roedd yn rhaid ei ysgrifennu yn ôl.
Mewn datblygiadau modern o gof magnetoresistive, yn lle modrwyau, defnyddir dwy haen o ferromagnet, wedi'u gwahanu gan ddielectrig. Mae un haen yn fagnet parhaol, ac mae'r ail yn newid cyfeiriad magnetization. Mae darllen ychydig o gell o'r fath yn dibynnu ar fesur y gwrthiant wrth basio cerrynt: os yw'r haenau'n cael eu magneti i gyfeiriadau dirgroes, yna mae'r gwrthiant yn fwy ac mae hyn yn cyfateb i'r gwerth “1”.
Nid oes angen ffynhonnell pŵer gyson ar gof Ferrite i gynnal y wybodaeth a gofnodwyd, fodd bynnag, gall maes magnetig y gell ddylanwadu ar y “cymydog”, sy'n gosod cyfyngiad ar gywasgiad y gylched.
Yn ôl Rhaid i yriannau SSD sy'n seiliedig ar gof Flash heb bŵer gadw gwybodaeth am o leiaf dri mis ar dymheredd amgylchynol o 40 ° C. Wedi'i ddylunio gan Intel yn addo storio data am ddeng mlynedd ar 200°C.
Er gwaethaf cymhlethdod datblygiad, nid yw cof magnetoresistive yn diraddio yn ystod y defnydd ac mae ganddo'r perfformiad gorau ymhlith mathau eraill o gof, nad yw'n caniatáu i'r math hwn o gof gael ei ddileu.
Cof newid cyfnod
Y trydydd math addawol o gof yw cof yn seiliedig ar newid cyfnod. Mae'r math hwn o gof yn defnyddio priodweddau chalcogenides i newid rhwng cyflyrau crisialog ac amorffaidd pan gânt eu gwresogi.
Chalcogenides — cyfansoddion deuaidd metelau sydd â'r 16eg grŵp (6ed grŵp y prif is-grŵp) o'r tabl cyfnodol. Er enghraifft, mae disgiau CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM a Blu-ray yn defnyddio germanium telluride (GeTe) ac antimoni(III) telluride (Sb2Te3).
Cynhaliwyd ymchwil ar y defnydd o drawsnewid cyfnod ar gyfer storio gwybodaeth yn 1960au flwyddyn gan Stanford Ovshinsky, ond yna ni ddaeth i weithredu masnachol. Yn y 2000au, bu diddordeb o'r newydd yn y dechnoleg, patentodd Samsung dechnoleg sy'n caniatáu newid didau mewn 5 ns, a chynyddodd Intel a STMicroelectronics nifer y taleithiau i bedwar, gan ddyblu'r capasiti posibl.
Pan gaiff ei gynhesu uwchben y pwynt toddi, mae calcogenid yn colli ei strwythur crisialog ac, wrth oeri, mae'n troi'n ffurf amorffaidd a nodweddir gan wrthwynebiad trydanol uchel. Yn ei dro, pan gaiff ei gynhesu i dymheredd uwchlaw'r pwynt crisialu, ond yn is na'r pwynt toddi, mae'r calcogenid yn dychwelyd i gyflwr crisialog gyda lefel isel o wrthwynebiad.
Nid oes angen “ailwefru” ar gof newid cyfnod dros amser, ac nid yw ychwaith yn agored i ymbelydredd, yn wahanol i gof â gwefr drydanol. Gall y math hwn o gof gadw gwybodaeth am 300 mlynedd ar dymheredd o 85 ° C.
Credir bod datblygiad technoleg Intel Croesbwynt 3D (3D XPoint) Mae'n defnyddio trawsnewidiadau cyfnod i storio gwybodaeth. Defnyddir 3D XPoint mewn gyriannau Cof Intel® Optane™, yr honnir bod ganddynt fwy o ddygnwch.
Casgliad
Mae dyluniad ffisegol gyriannau cyflwr solet wedi cael llawer o newidiadau dros fwy na hanner canrif o hanes, fodd bynnag, mae anfanteision i bob un o'r atebion. Er gwaethaf poblogrwydd diymwad cof Flash, mae sawl cwmni, gan gynnwys Samsung ac Intel, yn archwilio'r posibilrwydd o greu cof yn seiliedig ar eiliadau magnetig.
Mae lleihau traul celloedd, eu cywasgu, a chynyddu gallu cyffredinol y gyriant yn feysydd sy'n addawol ar hyn o bryd ar gyfer datblygu gyriannau cyflwr solet ymhellach.
Gallwch chi brofi gyriannau NAND a 3D XPoint cŵl heddiw ar hyn o bryd yn ein .
A ydych chi'n meddwl y bydd technolegau ar gyfer storio gwybodaeth am daliadau trydan yn cael eu disodli gan eraill, er enghraifft, disgiau cwarts neu gof optegol ar nanocrystalau halen?
Ffynhonnell: hab.com