Einführung in SSD. Teil 4. Physikalisch

In den vorherigen Teilen der Reihe 'Einführung in SSDs' haben wir die Geschichte der SSD-Speicher, die Schnittstellen zu ihnen und gängige Formfaktoren behandelt. Der vierte Teil wird sich mit der Datenspeicherung in diesen Speichern beschäftigen.

In den vorherigen Artikeln der Reihe:

1. Die Geschichte von HDD und SSD
2. Entwicklung von Speicherschnittstellen
3. Besonderheiten der Formfaktoren

Die Datenspeicherung in Solid-State-Laufwerken kann in zwei logische Teile unterteilt werden: die Speicherung von Informationen in einer Zelle und die Organisation der Speicherung von Zellen.

Jede Zelle eines Solid-State-Laufwerks speichert ein oder mehrere Bit Informationen. Für die Speicherung der Informationen werden verschiedene physikalische Prozesse. Bei der Entwicklung von Solid-State-Laufwerken wurden folgende physikalische Größen zum Kodieren von Informationen untersucht:

• elektrische Ladungen (einschließlich Flash-Speicher);
• magnetische Momente (magnetoresistiver Speicher);
• Phasenänderungen (Speicher mit Phasenwechsel).

Speicher auf Basis elektrischer Ladungen

Die Informationskodierung durch negative Ladung bildet die Grundlage für mehrere Lösungen:

• löschenbarer ultravioletter EEPROM (EPROM);
• elektrisch löschbarer Speicher (EEPROM);
• Flash-Speicher.

Jede Speichereinheit ist ein Feldeffekttransistor mit einem schwebenden Gate, in dem eine negative Ladung gespeichert wird. Der Unterschied zu einem normalen Feldeffekttransistor liegt in der Existenz des schwebenden Gates — eines Leiters in der Dielektrikerschicht.

Wenn ein Spannungsunterschied zwischen Drain und Source erzeugt wird und am Gate eine positive Spannung anliegt, fließt Strom vom Source zum Drain. Bei einem ausreichend hohen Spannungsunterschied „durchbrechen“ jedoch einige Elektronen die Dielektrikerschicht und gelangen ins schwebende Gate. Dieses Phänomen wird als Tunnel-Effekt.

Bezeichnet. Das negativ geladene schwebende Gate erzeugt ein elektrisches Feld, das den Stromfluss vom Source zum Drain behindert. Darüber hinaus erhöht die Anwesenheit von Elektronen im schwebenden Gate die Schwellenspannung, bei der der Transistor öffnet. Bei jedem „Schreiben“ ins schwebende Gate des Transistors wird die Dielektrikerschicht minimal beschädigt, was die Anzahl der Schreibzyklen jeder Zelle begrenzt.

Feld-MOP-Transistoren mit schwimmendem Gate wurden 1967 von Dawon Kahng und Simon Min Sze von Bell Labs entwickelt. Später, während der Untersuchung von Defekten in integrierten Schaltungen, wurde festgestellt, dass sich die Schwellen-Spannung, die den Transistor öffnet, aufgrund der Ladung im schwimmenden Gate änderte. Diese Entdeckung veranlasste Dov Frohman, mit der Entwicklung eines auf diesem Phänomen basierenden Speichers zu beginnen.

Die Änderung der Schwellen-Spannung ermöglicht es, Transistoren zu "programmieren". Transistoren mit einer Ladung im schwimmenden Gate öffnen sich nicht, wenn am Gate eine Spannung angelegt wird, die höher ist als die Schwellen-Spannung für Transistoren ohne Elektronen, aber niedriger als die Schwellen-Spannung für Transistoren mit Elektronen. Nennen wir diesen Wert Lese-Spannung.

löschenprogrammierbarer Nur-Lese-Speicher

1971 entwickelte der Intel-Mitarbeiter Dov Frohman einen wiederbeschreibbaren Speicher auf Transistorbasis, der als löschenprogrammierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM) bezeichnet wurde.. Der Speicher wurde mit Hilfe eines speziellen Geräts — eines Programmiergeräts — beschrieben. Der Programmierer liefert eine höhere Spannung an den Chip als sie in digitalen Schaltungen verwendet wird, und „schreibt“ damit Elektronen in die Floating Gates der Transistoren, wo es nötig ist.

In der EPROM-Speichertechnologie war keine elektrische Löschung der Floating Gates der Transistoren vorgesehen. Stattdessen sollte auf die Transistoren mit starkem ultraviolettem Licht eingewirkt werden, dessen Photonen den Elektronen die notwendige Energie verleihen, um das Floating Gate zu verlassen. Um das UV-Licht tief im Chip zugänglich zu machen, wurde Quarzglas in das Gehäuse eingefügt.

Im Februar 1971 stellte Froman erstmals seinen EPROM-Prototyp auf einer Konferenz für Festkörperbauelemente in Philadelphia vor. Gordon Moore erinnerte sich an die Demonstration: „Dov zeigte ein Bitmuster in den EPROM-Speicherzellen. Als die Zellen mit ultraviolettem Licht bestrahlt wurden, verschwanden die Bits nacheinander, bis das unbekannte Intel-Logo vollständig gelöscht war. … Die Bits gingen verloren, und als das letzte verschwunden war, brach das gesamte Publikum in Applaus aus. Dovs Artikel wurde als der beste auf der Konferenz anerkannt.“ — Artikelübersetzung newsroom.intel.com

Die EPROM-Technologie war teurer als die zuvor verwendeten 'einmal' programmierbaren Speicher (PROM), jedoch ermöglicht die Wiederbeschreibbarkeit eine schnellere Fehlersuche und verkürzt die Entwicklungszeit neuer Hardware.

Das Programmieren von PROMs mit ultraviolettem Licht war ein bedeutender Durchbruch, jedoch schwebte die Idee einer elektrischen Neuprogrammierung bereits in der Luft.

elektrisch löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicher

Im Jahr 1972 präsentierten drei Japaner: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi und Kiyoko Nagai das erste elektrisch löschbare, programmierbare Speichergerät (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM oder E2PROM). Später werden ihre wissenschaftlichen Forschungen Teil von Patenten für kommerzielle Implementierungen von EEPROM-Speicher.

Jede Zelle des EEPROM-Speichers besteht aus mehreren Transistoren:

• ein Transistor mit schwimmendem Gate zur Speicherung eines Bits;
• ein Transistor zur Steuerung des Lese- und Schreibmodus.

Diese Konstruktion erschwert die Verdrahtung des elektrischen Schaltkreises erheblich, weshalb EEPROM-Speicher in Fällen verwendet wurde, in denen ein geringer Speicherplatz nicht kritisch war. Für die Speicherung großer Datenmengen wurde nach wie vor EPROM verwendet.

Flash-Speicher

Der Flash-Speicher, der die besten Eigenschaften von EPROM und EEPROM vereint, wurde 1980 von dem japanischen Professor Fujio Masuoka, einem Ingenieur bei Toshiba, entwickelt. Die erste Entwicklung erhielt den Namen NOR-Flash-Speicher und basiert, wie ihre Vorgänger, auf Feldeffekttransistoren mit schwimmendem Gate.

NOR-Flash-Speicher ist ein zweidimensionales Array von Transistoren. Die Transistor-Gates sind mit der Wortleitung verbunden, während die Drain-Anschlüsse mit der Bitleitung verbunden sind. Wenn Spannung an die Wortleitung angelegt wird, bleiben die Transistoren, die Elektronen enthalten, also die '1' speichern, geschlossen und der Strom fließt nicht. Anhand des Vorhandenseins oder Fehlens von Strom auf der Bitleitung wird der Wert des Bits bestimmt.

Sieben Jahre später entwickelte Fujio Masuoka den NAND-Flash-Speicher. Diese Art von Speicher unterscheidet sich in der Anzahl der Transistoren auf der Bitleitung. Bei NOR-Speicher ist jeder Transistor direkt mit der Bitleitung verbunden, während bei NAND-Speicher die Transistoren in Reihe geschaltet sind.

Das Lesen aus einem Speicher dieser Konfiguration ist komplizierter: An die benötigte Wortleitung wird die zum Lesen erforderliche Spannung angelegt, während an alle anderen Wortleitungen eine Spannung angelegt wird, die den Transistor unabhängig vom Ladezustand öffnet. Da alle anderen Transistoren garantiert geöffnet sind, hängt das Vorhandensein von Spannung auf der Bitleitung nur von einem Transistor ab, an den die Lesespannung angelegt wurde.

Die Erfindung von NAND-Flash-Speicher ermöglicht eine erhebliche Verdichtung der Schaltung, indem mehr Speicher bei den gleichen Abmessungen untergebracht wird. Bis 2007 wurde das Speichervolumen durch Verkleinerung des Herstellungsprozesses des Chips erhöht.

Im Jahr 2007 stellte Toshiba eine neue Version des NAND-Speichers vor: Vertical NAND (V-NAND), auch bekannt als 3D NAND. Bei dieser Technologie liegt der Schwerpunkt auf der Anordnung von Transistoren in mehreren Lagen, was erneut eine Verdichtung der Schaltung und eine Erhöhung des Speichervolumens ermöglicht. Allerdings kann die Verdichtung der Schaltung nicht unendlich wiederholt werden, daher wurden andere Methoden zur Erhöhung des gespeicherten Volumens erforscht.

Anfangs speicherte jeder Transistor zwei Ladeebenen: Null und Eins. Dieser Ansatz wird als Single-Level Cell (SLC)bezeichnet. Speicher mit dieser Technologie zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit und maximale Anzahl an Schreibzyklen aus.

Im Laufe der Zeit wurde beschlossen, das Speichervolumen auf Kosten der Verschleißfestigkeit zu erhöhen. So stieg die Anzahl der Ladeebenen in einer Zelle auf vier, und die Technologie wurde als Multi-Level Cell (MLC)bezeichnet. Daraufhin erschienen Triple-Level Cell (TLC) und undQuad-Level Cell (QLC) Penta-Level Cell (PLC) mit fünf Bits in einer Zelle. Je mehr Bits in einer Zelle untergebracht werden, desto größer ist die Speicherkapazität zum gleichen Preis, jedoch leidet die Verschleißfestigkeit.

Die Verdichtung von Schaltungen durch Verkleinerung der Fertigungsprozesse und Erhöhung der Bitanzahl in einem Transistor wirkt sich negativ auf die gespeicherten Daten aus. Obwohl in EPROM und EEPROM dieselben Transistoren verwendet werden, können EPROM und EEPROM Daten ohne Stromversorgung bis zu zehn Jahre lang speichern, während moderne Flash-Speicher bereits nach einem Jahr alles 'vergessen' können.

Die Verwendung von Flash-Speicher in der Raumfahrtindustrie ist problematisch, da Strahlung schädliche Auswirkungen auf die Elektronen in den schwebenden Toren hat.

Diese Probleme hindern Flash-Speicher daran, der unumstrittene Marktführer im Bereich der Datenspeicherung zu werden. Trotz der weitverbreiteten Verwendung von Flash-Speicherlaufwerken werden Forschungen zu anderen Speichermedien durchgeführt, die diese Mängel nicht aufweisen, darunter die Speicherung von Informationen durch magnetische Momente und Phasenänderungen.

Magnetoresistiver Speicher

Die Codierung von Informationen mit magnetischen Momenten wurde 1955 in Form von Magnetkernspeicher eingeführt. Bis Mitte der 1970er Jahre war Ferritspeicher der vorherrschende Speichertyp. Das Auslesen eines Bits aus diesem Speichertyp führte zur Entmagnetisierung des Rings und zum Informationsverlust. Nach dem Auslesen musste das Bit daher wieder gespeichert werden.

In modernen Entwicklungen der magnetoresistiven Speichertechnologie werden anstelle von Ringen zwei Schichten aus Ferromagneten verwendet, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Eine Schicht fungiert als Permanentmagnet, während die andere die Magnetisierungsrichtung ändert. Das Auslesen eines Bits aus einer solchen Zelle reduziert sich auf die Messung des Widerstands bei Durchfluss von Strom: Wenn die Schichten in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind, ist der Widerstand größer, was dem Wert "1" entspricht.

Ferritspeicher benötigt keine ständige Stromversorgung zur Aufrechterhaltung der gespeicherten Informationen. Allerdings kann das Magnetfeld der Zelle auf den "Nachbarn" Einfluss nehmen, was eine Einschränkung der Verdichtung der Schaltung zur Folge hat.

Laut JEDEC SSD-Laufwerke auf Flash-Basis sollten mindestens drei Monate bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C Informationen speichern. Entwickelt von Intel, ein Chip auf Basis von magnetoresistiver Speicher, verspricht Daten zehn Jahre lang bei einer Temperatur von 200 °C zu sichern.

Trotz der Komplexität der Entwicklung degradiert magnetoresistiver Speicher während der Nutzung nicht und bietet die beste Leistung unter den verschiedenen Speichermedien, was diesen Speichertyp nicht abschreibt.

Phasenänderungsspeicher

Die dritte vielversprechende Art von Speicher ist der Phasenwechsel-Speicher. Diese Art von Speicher nutzt die Eigenschaften von Chalcogeniden, um beim Erhitzen zwischen kristallinen und amorphen Zuständen umzuschalten.

Chalcogenide sind binäre Verbindungen von Metallen mit der 16. Gruppe (6. Hauptgruppe) im Periodensystem. Zum Beispiel kommen Tellurid von Germanium (GeTe) und Tellurid von Antimon (III) (Sb2Te3) in CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM und Blu-ray-Discs zum Einsatz.

Forschungen zur Anwendung von Phasenwechseln zur Datenspeicherung wurden in den 1960er Jahren Die Technologie wurde von Stanford Ovshinsky ins Leben gerufen, jedoch kam es damals nicht zur kommerziellen Umsetzung. In den 2000er Jahren erwachte das Interesse an der Technologie erneut, wobei Samsung eine Technik patentierte, die das Umschalten eines Bits in 5 ns ermöglichte, während Intel und STMicroelectronics die Anzahl der Zustände auf vier erhöhten, wodurch sich das mögliche Volumen verdoppelte.

Bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt verliert der Chalcogenid seine kristalline Struktur und wandelt sich beim Abkühlen in eine amorphe Form um, die durch einen hohen elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist. Wenn es hingegen auf Temperaturen über dem Kristallisationspunkt, aber unter dem Schmelzpunkt erhitzt wird, kehrt der Chalcogenid in einen kristallinen Zustand mit niedrigem Widerstand zurück.

Phase-Change-Speicher benötigt über die Zeit keine 'Aufladung' und ist zudem unempfindlich gegenüber Strahlung, im Gegensatz zu speicherbasierten auf elektrischen Ladungen. Diese Art von Speicher kann Informationen bei 85 °C bis zu 300 Jahre lang speichern.

Es wird angenommen, dass die Entwicklung von Intel, die Technologie 3D Crosspoint (3D XPoint) verwendet Phasenübergänge zur Informationsspeicherung. 3D XPoint wird in Intel® Optane™ Memory-Laufwerken eingesetzt, die eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen.

Fazit

Das physische Design von Solid-State-Laufwerken hat im Laufe von über einem halben Jahrhundert viele Veränderungen durchgemacht, wobei jede Lösung ihre eigenen Nachteile hat. Trotz der unbestreitbaren Popularität von Flash-Speicher arbeiten mehrere Unternehmen, darunter Samsung und Intel, an der Entwicklung von Speicherlösungen, die auf magnetischen Momenten basieren.

Die Reduzierung des Zellverschleißes, deren Verdichtung und die Erhöhung der Gesamtkapazität des Speichers sind derzeit vielversprechende Richtungen für die Weiterentwicklung von Solid-State-Laufwerken.

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Wie schätzen Sie ein, werden Technologien zur Datenspeicherung auf elektrischen Ladungen durch andere ersetzt, etwa durch Quarzplatten oder optischen Speicher auf Nanokristallen aus Salz?

Quelle: habr.com