De tidligere dele af cyklussen "Introduktion til SSD" har fortalt læserne om historien bag SSD-diskere, grænsefladerne til interaktion med dem og populære formfaktorer. Den fjerde del vil handle om datalagring inde i drev.
I de tidligere artikler i cyklussen:
Datalagring i solid state-drev kan opdeles i to logiske dele: lagring af information i én celle og organiseringen af cellelagring.
Hver celle i solid state-drevet lagrer en eller flere bits information. Til lagring af information anvendes forskellige fysiske processer. I udviklingen af solid state-drev blev følgende fysiske størrelser overvejet til kodning af information:
- elektriske ladninger (herunder Flash-hukommelse);
- magnetiske momenter (magnetoresistiv hukommelse);
- faseændringer (hukommelse med faseændring).
Hukommelse baseret på elektriske ladninger
Kodning af information ved hjælp af negativ ladning er grundlaget for flere løsninger:
- UV-slettet PROM (EPROM);
- elektrisk slettbar PROM (EEPROM);
- Flash-hukommelse.
Hver hukommelsescelle er en MOSFET-transistor med flydende gate, hvor negativ ladning lagres. Forskellen fra en almindelig MOSFET-transistor er, at den har en flydende gate — en leder i dielektrisk lag.
Når der skabes en potentialeforskel mellem drænet og kilden, og der er et positivt potentiale på gaten, vil strøm flyde fra kilden til drænet. Men med en tilstrækkelig stor potentialeforskel, "tunneler" nogle elektroner gennem dielektriklagene og ender i den flydende gate. Dette fænomen kaldes .
Den negativt ladede flydende gate skaber et elektrisk felt, der hindrer strømmen fra at flyde fra kilden til drænet. Desuden øger tilstedeværelsen af elektroner i den flydende gate tærskelspændingen, hvorved transistoren åbnes. Ved hver "skrivning" til den flydende gate, bliver dielektriklaget en smule beskadiget, hvilket begrænser antallet af omskrivningscykler for hver celle.
Felt-embedded MOS-transistorer med en flydende gate blev udviklet af Dawon Kahng og Simon Min Sze fra Bell Labs i 1967. Senere, under undersøgelsen af integrerede kredsløbsfejl, blev det observeret, at tærskelspændingen, der åbner transistoren, ændrede sig på grund af ladningen i den flydende gate. Denne opdagelse fik Dov Frohman til at begynde arbejdet med en hukommelse baseret på dette fænomen.
Ændringen af tærskelspændingen gør det muligt at "programmere" transistorer. Transistorer med ladning i den flydende gate vil ikke åbne ved en spænding på gate, der er større end tærskelspændingen for en transistor uden elektroner, men mindre end tærskelspændingen for en transistor med elektroner. Lad os kalde denne værdi læse spænding.
Erasable Programmable Read-Only Memory
I 1971 skabte Intel-ansatte Dov Frohman en omskrivbar hukommelse på transistorer, kaldet Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Skrivning til hukommelsen blev udført ved hjælp af en særlig enhed - en programmerer. Programmereren påfører chippen en højere spænding end den, der bruges i digitale kredsløb, og "skriver" derved elektroner ind i de flydende gates på transistorerne, hvor det er nødvendigt.
I EPROM-hukommelsen var der ikke mulighed for elektrisk at rense de flydende gates på transistorerne. I stedet blev det foreslået at påvirke transistorene med stærk UV-stråling, hvor fotonerne giver elektronerne den nødvendige energi til at forlade den flydende gate. For at UV-lyset kunne trænge ind i chippen, blev der tilføjet kvarts glas til indkapslingen.
Frohman præsenterede for første gang sin prototype af EPROM i februar 1971 på en konference om faststofmikrokredsløb i Philadelphia. Gordon Moore mindes præsentationen: "Dov demonstrerede bitmønsteret i EPROM-hukommelsescellerne. Da UV-lys påvirkede cellerne, forsvandt bitene en efter en, indtil det velkendte Intel-logo helt forsvandt. ... Bitene forsvandt, og da den sidste forsvandt, brød hele publikum ud i bifald. Dovs artikel blev anerkendt som den bedste på konferencen." — Oversættelse af artiklen
EPROM-hukommelse er dyrere end de tidligere anvendte "engangs" permanente hukommelsesenheder (ROM), men muligheden for genprogrammering gør det muligt at debugge kredsløbene hurtigere og forkorte udviklingstiden for ny hardware.
Genprogrammering af ROM med ultraviolet lys var et betydeligt gennembrud, men ideen om elektrisk genoptagelse svævede allerede i luften.
Elektrisk sletbar programmerbar read-only hukommelse
I 1972 præsenterede tre japanere: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi og Kiyoko Nagai den første elektrisk sletbare permanente hukommelsesenhed (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM eller E2PROM). Senere blev deres forskning en del af patenterne for kommercielle implementeringer af EEPROM-hukommelse.
Hver celle i EEPROM-hukommelsen består af flere transistorer:
- en transistor med flydende gate til at gemme en bit;
- en transistor til at styre læse- og skrivefunktionen.
Denne konstruktion komplicerer elektrisk kredsløbsvægning betydeligt, derfor blev EEPROM-hukommelse kun brugt, når en lille hukommelseskapacitet ikke var kritisk. For opbevaring af store datamængder blev EPROM stadig anvendt.
Flash-hukommelse
Flash-hukommelse, der kombinerer de bedste træk fra EPROM og EEPROM, blev udviklet af den japanske professor Fujio Masuoka, ingeniør hos Toshiba, i 1980. Det første design blev kaldt NOR-type Flash-hukommelse og er baseret på felteffekts-transistorer med flydende gate, ligesom sine forgængere.
NOR-type Flash-hukommelse er et todimensionelt array af transistorer. Gitterne af transistorer er tilsluttet ordlinjen, mens drænet er på bitlinjen. Når der påføres spænding til ordlinjen, vil transistorer, der indeholder elektroner, det vil sige dem der gemmer en "1", ikke åbne, og strømmen vil ikke flyde. Tilstedeværelsen eller fraværet af strøm på bitlinjen afgør bitværdien.
Syv år senere udviklede Fujio Masuoka NAND-type Flash-hukommelse. Denne type hukommelse adskiller sig i antallet af transistorer på bitlinjen. I NOR-hukommelse er hver transistor direkte tilsluttet bitlinjen, mens i NAND-hukommelse er transistorerne tilsluttet i serie.
At læse fra hukommelsen i en sådan konfiguration er mere kompleks: der påføres spænding til den nødvendige linje for ordet, som er nødvendig for at læse, mens der påføres spænding til alle andre linjer for ordet, som åbner transistoren uanset niveauet af ladning i den. Da alle de andre transistorer er garanteret åbne, afhænger tilstedeværelsen af spænding på bitlinjen kun af den ene transistor, som der er påført læsespænding til.
Opfindelsen af NAND-flashhukommelse gør det muligt at komprimere kredsløbet betydeligt ved at placere en større hukommelseskapacitet i de samme dimensioner. Indtil 2007 blev hukommelseskapaciteten øget ved at reducere chipproduktionsprocessen.
I 2007 præsenterede Toshiba en ny version af NAND-hukommelse: Vertikal NAND (V-NAND), også kendt som 3D NAND. I denne teknologi lægges der vægt på at placere transistorer i flere lag, hvilket igen muliggør en komprimering af kredsløbet og øger hukommelseskapaciteten. Ikke desto mindre kan kredsløbskompression ikke gentages uendeligt, så der blev undersøgt andre metoder til at øge den lagrede hukommelseskapacitet.
Oprindeligt opbevarede hver transistor to niveauer af ladning: logisk nul og logisk en. Denne tilgang kaldes Single-Level Cell (SLC). Enheder med denne teknologi skiller sig ud ved høj pålidelighed og et maksimalt antal omskrivningscykler.
Over tid blev det besluttet at øge kapaciteten af enhederne på bekostning af slidstyrken. Så antallet af ladningsniveauer i cellen steg op til fire, og teknologien blev kaldt Multi-Level Cell (MLC). Følgende blev Triple-Level Cell (TLC) og Quad-Level Cell (QLC). I fremtiden vil der komme et nyt niveau — Penta-Level Cell (PLC) med fem bits i én celle. Jo flere bits der placeres i én celle, jo større er hukommelseskapaciteten til samme pris, men mindre slidstyrke.
Komprimering af kredsløbet ved at reducere procesimplementeringen og øge antallet af bits i én transistor har en negativ indflydelse på de lagrede data. Selvom de samme transistorer anvendes i EPROM og EEPROM, kan EPROM og EEPROM gemme data uden strøm i ti år, mens moderne flashhukommelse kan "glemme" det hele på bare et år.
Brugen af flashhukommelse i rumfartsindustrien er vanskelig, da stråling har en skadelig indvirkning på elektronerne i flydende porte.
De nævnte problemer forhindrer flashhukommelse i at blive den ubestridte leder inden for datalagring. Selvom flash-baserede lagringsenheder er meget almindelige, forskes der i andre hukommelsestyper, der mangler disse ulemper, herunder lagring af information i magnetiske momenter og faseskift.
Magnetoresistiv hukommelse
Kodning af information med magnetiske momenter opstod i 1955 i form af hukommelse på magnetiske kerner. Indtil midten af 1970'erne var ferrit-hukommelse den primære hukommelsestype. Læsning af et bit fra denne type hukommelse medførte demagnetisering af ringen og tab af information. Dermed måtte et bit efter læsning skrives tilbage.
I moderne udviklinger af magnetoresistiv hukommelse bruges der i stedet for ringe to lag af ferromagnetik adskilt af dielektrik. Det ene lag er en permanent magnet, mens det andet ændrer magnetiseringsretning. Læsning af et bit fra en sådan celle reduceres til at måle modstanden ved strømgennemgang: hvis lagene er magnetiseret i modsat retning, er modstanden højere, og det svarer til værdien "1".
Ferrit-hukommelse kræver ikke en konstant strømkilde for at opretholde den gemte information, men det magnetiske felt fra en celle kan påvirke en "nabo", hvilket sætter begrænsninger for tæthed i kredsløbet.
Ifølge SSD-diske baseret på flash-hukommelse skal uden strøm opretholde information i mindst tre måneder ved en omgivelsestemperatur på 40 °C. Den udviklede Intel lover at bevare data i ti år ved en temperatur på 200 °C.
På trods af kompleksiteten ved udviklingen, degraderer magnetoresistiv hukommelse ikke under brug og har den bedste ydeevne blandt de andre hukommelsestyper, hvilket gør det umuligt at afskrive denne type hukommelse.
Hukommelse med faseskift
Den tredje lovende type hukommelse er hukommelse baseret på faseskift. Denne type hukommelse udnytter egenskaberne ved chalcogenider til at skifte mellem krystallinske og amorfe tilstande ved opvarmning.
Chalcogenider — binære metalforbindelser med gruppe 16 (6. hovedgruppe) i Mendeleevs periodiske tabel. For eksempel anvendes tellurid af germanium (GeTe) og tellurid af antimon (III) (Sb2Te3) i CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM og Blu-ray diske.
Forskning i anvendelsen af faseovergange til datalagring blev udført i 1960'erne af Stanford Ovshinsky, men det nåede ikke til kommerciel realisering. I 2000'erne kom interessen for teknologien igen; Samsung patenterede en teknologi, der kan skifte bit på 5 ns, mens Intel og STMicroelectronics øgede antallet af tilstande til fire, hvilket fordoblede den potentielle kapacitet.
Ved opvarmning over smeltepunktet mister chalcogenid dets krystallinske struktur og omdannes til en amorf form, der er kendetegnet ved høj elektrisk modstand. Ved opvarmning til en temperatur over krystallisationspunktet, men under smeltepunktet, vender chalcogenidet tilbage til den krystallinske tilstand med lav modstand.
Faseovergangsbaseret hukommelse kræver ikke 'opladning' over tid og er heller ikke følsom over for stråling, hvilket adskiller den fra hukommelse baseret på elektriske ladninger. Denne type hukommelse kan bevare information i op til 300 år ved 85°C.
Det menes, at Intels udvikling, teknologien 3D Crosspoint (3D XPoint) specifikt bruger faseovergange til datalagring. 3D XPoint anvendes i Intel® Optane™ Memory-drev, som har en højere slidstyrke.
Konklusion
Den fysiske enhed for solid state-drev har gennemgået mange ændringer i løbet af mere end et halvt århundrede; dog har hver af løsningerne sine ulemper. På trods af den ubestridelige popularitet af Flash-hukommelse arbejder flere virksomheder, herunder Samsung og Intel, på muligheden for at udvikle hukommelse baseret på magnetiske momenter.
Reduceret slid på cellerne, deres komprimering og stigning i den samlede kapacitet af drevet er de nuværende lovende retninger for videreudviklingen af solid state-drev.
Du kan allerede nu teste de mest avancerede NAND- og 3D XPoint-drev i vores .
Hvad mener du, vil teknologier til datalagring baseret på elektriske ladninger blive erstattet af andre, som f.eks. kvartsdiske eller optisk hukommelse på nanokrystaller af salt?
Kilde: habr.com
