Frühere Teile der Reihe „Einführung in SSD“ informierten den Leser über die Entstehungsgeschichte von SSD-Laufwerken, Schnittstellen für die Interaktion mit ihnen und beliebte Formfaktoren. Im vierten Teil geht es um das Speichern von Daten in Laufwerken.
In früheren Artikeln der Serie:
Die Datenspeicherung in Solid-State-Laufwerken kann in zwei logische Teile unterteilt werden: das Speichern von Informationen in einer einzelnen Zelle und das Organisieren der Zellenspeicherung.
Jede Zelle eines Solid-State-Laufwerks speichert eine oder mehrere Informationen. Zum Speichern von Informationen werden verschiedene Arten von Informationen verwendet. physikalische Prozesse. Bei der Entwicklung von Solid-State-Laufwerken wurden die folgenden physikalischen Größen zur Kodierung von Informationen berücksichtigt:
- elektrische Aufladungen (einschließlich Flash-Speicher);
- magnetische Momente (magnetoresistiver Speicher);
- Phasenzustände (Speicher mit einer Änderung des Phasenzustands).
Gedächtnis basierend auf elektrischen Ladungen
Der Kodierung von Informationen mithilfe einer negativen Ladung liegen mehrere Lösungen zugrunde:
- ultraviolett löschbares ROM (EPROM);
- elektrisch löschbares ROM (EEPROM);
- Flash-Speicher.
Jede Speicherzelle ist Floating-Gate-MOSFET, das eine negative Ladung speichert. Der Unterschied zu einem herkömmlichen MOS-Transistor besteht im Vorhandensein eines Floating Gates – eines Leiters in der dielektrischen Schicht.
Wenn zwischen Drain und Source eine Potentialdifferenz entsteht und am Gate ein positives Potential anliegt, fließt Strom von Source zu Drain. Bei ausreichend großer Potentialdifferenz „durchbrechen“ jedoch einige Elektronen die dielektrische Schicht und landen im Floating Gate. Dieses Phänomen nennt man .
Ein negativ geladenes Floating Gate erzeugt ein elektrisches Feld, das den Stromfluss von Source zu Drain verhindert. Darüber hinaus erhöht das Vorhandensein von Elektronen im Floating Gate die Schwellenspannung, bei der der Transistor einschaltet. Bei jedem „Schreibvorgang“ auf das Floating-Gate des Transistors wird die dielektrische Schicht leicht beschädigt, was die Anzahl der Neuschreibzyklen jeder Zelle begrenzt.
Floating-Gate-MOSFETs wurden 1967 von Dawon Kahng und Simon Min Sze in den Bell Labs entwickelt. Später wurde bei der Untersuchung von Defekten in integrierten Schaltkreisen festgestellt, dass sich aufgrund der Ladung im Floating Gate die Schwellenspannung änderte, die den Transistor öffnet. Diese Entdeckung veranlasste Dov Frohman, auf der Grundlage dieses Phänomens mit der Arbeit an der Erinnerung zu beginnen.
Durch Ändern der Schwellenspannung können Sie die Transistoren „programmieren“. Floating-Gate-Transistoren schalten sich nicht ein, wenn die Gate-Spannung größer als die Schwellenspannung für einen Transistor ohne Elektronen, aber kleiner als die Schwellenspannung für einen Transistor mit Elektronen ist. Nennen wir diesen Wert Spannung ablesen.
Löschbarer programmierbarer schreibgeschützter Speicher
1971 entwickelte der Intel-Mitarbeiter Dov Frohman einen auf Transistoren basierenden wiederbeschreibbaren Speicher namens Löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM). Die Aufzeichnung im Speicher erfolgte mit einem speziellen Gerät – einem Programmierer. Der Programmierer legt eine höhere Spannung an den Chip an als in digitalen Schaltkreisen und „schreibt“ dadurch Elektronen an die Floating-Gates der Transistoren, wo sie benötigt werden.
EPROM-Speicher waren nicht dazu gedacht, die Floating-Gates von Transistoren elektrisch zu reinigen. Stattdessen wurde vorgeschlagen, die Transistoren starkem ultraviolettem Licht auszusetzen, dessen Photonen den Elektronen die nötige Energie geben würden, um aus dem Floating Gate zu entkommen. Um ultraviolettes Licht tief in den Chip eindringen zu lassen, wurde dem Gehäuse Quarzglas hinzugefügt.
Froman stellte seinen EPROM-Prototyp erstmals im Februar 1971 auf einer Halbleiter-IC-Konferenz in Philadelphia vor. Gordon Moore erinnerte sich an die Demonstration: „Dov demonstrierte das Bitmuster in den EPROM-Speicherzellen. Als die Zellen ultraviolettem Licht ausgesetzt wurden, verschwanden die Bits nach und nach, bis das unbekannte Intel-Logo vollständig gelöscht war. … Die Beats verschwanden, und als der letzte verstummte, brach das gesamte Publikum in Applaus aus. Dovs Artikel wurde als der beste auf der Konferenz ausgezeichnet.“ — Übersetzung des Artikels
EPROM-Speicher sind teurer als bisher verwendete „Einweg“-Festwertspeicher (ROM), aber die Möglichkeit zur Neuprogrammierung ermöglicht es Ihnen, Schaltkreise schneller zu debuggen und die Zeit zu reduzieren, die für die Entwicklung neuer Hardware benötigt wird.
Die Neuprogrammierung von ROMs mit ultraviolettem Licht war ein bedeutender Durchbruch, die Idee einer elektrischen Umschreibung lag jedoch bereits in der Luft.
Elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher
1972 stellten drei Japaner: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi und Kiyoko Nagai den ersten elektrisch löschbaren Festwertspeicher (EEPROM oder E2PROM) vor. Später wird ihre wissenschaftliche Forschung Teil von Patenten für kommerzielle Implementierungen von EEPROM-Speichern.
Jede EEPROM-Speicherzelle besteht aus mehreren Transistoren:
- Floating-Gate-Transistor zur Bitspeicherung;
- Transistor zur Steuerung des Lese-/Schreibmodus.
Dieses Design verkompliziert die Verkabelung des Stromkreises erheblich, sodass in Fällen, in denen eine kleine Speichermenge nicht kritisch war, ein EEPROM-Speicher verwendet wurde. EPROM wurde noch zur Speicherung großer Datenmengen verwendet.
Flash-Speicher
Der Flash-Speicher, der die besten Eigenschaften von EPROM und EEPROM vereint, wurde 1980 vom japanischen Professor Fujio Masuoka, einem Ingenieur bei Toshiba, entwickelt. Die erste Entwicklung hieß NOR-Flash-Speicher und basiert wie ihre Vorgänger auf Floating-Gate-MOSFETs.
NOR-Flash-Speicher ist eine zweidimensionale Anordnung von Transistoren. Die Gates der Transistoren sind mit der Wortleitung verbunden und die Drains sind mit der Bitleitung verbunden. Wenn Spannung an die Wortleitung angelegt wird, öffnen Transistoren, die Elektronen enthalten, also „eins“ speichern, nicht und es fließt kein Strom. Anhand des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Strom auf der Bitleitung wird auf den Wert des Bits geschlossen.
Sieben Jahre später entwickelte Fujio Masuoka den NAND-Flash-Speicher. Dieser Speichertyp unterscheidet sich in der Anzahl der Transistoren auf der Bitleitung. Beim NOR-Speicher ist jeder Transistor direkt mit einer Bitleitung verbunden, während beim NAND-Speicher die Transistoren in Reihe geschaltet sind.
Das Auslesen dieser Konfiguration aus dem Speicher ist schwieriger: Die zum Lesen erforderliche Spannung wird an die erforderliche Zeile des Wortes angelegt, und an alle anderen Zeilen des Wortes wird Spannung angelegt, wodurch der Transistor unabhängig vom Ladungspegel darin geöffnet wird. Da alle anderen Transistoren garantiert offen sind, hängt das Anliegen der Spannung auf der Bitleitung nur von einem Transistor ab, an dem die Lesespannung anliegt.
Die Erfindung des NAND-Flash-Speichers ermöglicht es, die Schaltung erheblich zu komprimieren und so mehr Speicher bei gleicher Größe unterzubringen. Bis 2007 wurde die Speicherkapazität durch eine Verkürzung des Herstellungsprozesses des Chips erhöht.
Im Jahr 2007 stellte Toshiba eine neue Version des NAND-Speichers vor: Vertikales NAND (V-NAND), auch bekannt als 3D NAND. Bei dieser Technologie liegt der Schwerpunkt auf der Anordnung von Transistoren in mehreren Schichten, was wiederum eine dichtere Schaltung und eine erhöhte Speicherkapazität ermöglicht. Da die Schaltungsverdichtung jedoch nicht unbegrenzt wiederholt werden kann, wurden andere Methoden zur Erhöhung der Speicherkapazität untersucht.
Anfänglich speicherte jeder Transistor zwei Ladungsniveaus: logisch Null und logisch Eins. Dieser Ansatz heißt Single-Level-Zelle (SLC). Laufwerke mit dieser Technologie sind äußerst zuverlässig und verfügen über eine maximale Anzahl von Wiederschreibzyklen.
Im Laufe der Zeit wurde beschlossen, die Speicherkapazität auf Kosten der Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die Anzahl der Ladestufen in einer Zelle beträgt also bis zu vier, hieß die Technologie Mehrebenenzelle (MLC). Als nächstes kam Triple-Level-Zelle (TLC) и Quad-Level-Zelle (QLC). In Zukunft wird es ein neues Level geben - Penta-Level-Zelle (PLC) mit fünf Bits pro Zelle. Je mehr Bits in eine Zelle passen, desto größer ist die Speicherkapazität bei gleichen Kosten, aber desto geringer ist die Verschleißfestigkeit.
Die Verdichtung der Schaltung durch Reduzierung des technischen Prozesses und Erhöhung der Bitanzahl in einem Transistor wirkt sich negativ auf die gespeicherten Daten aus. Obwohl EPROM und EEPROM dieselben Transistoren verwenden, können EPROM und EEPROM Daten zehn Jahre lang ohne Strom speichern, während moderne Flash-Speicher nach einem Jahr alles „vergessen“ können.
Der Einsatz von Flash-Speichern in der Raumfahrtindustrie ist schwierig, da Strahlung eine schädliche Wirkung auf die Elektronen in den Floating Gates hat.
Diese Probleme verhindern, dass Flash-Speicher zum unangefochtenen Marktführer im Bereich der Informationsspeicherung werden. Obwohl auf Flash-Speicher basierende Laufwerke weit verbreitet sind, wird derzeit an anderen Speichertypen geforscht, die diese Nachteile nicht aufweisen, einschließlich der Speicherung von Informationen in magnetischen Momenten und Phasenzuständen.
Magnetoresistiver Speicher
Die Kodierung von Informationen mit magnetischen Momenten erschien 1955 in Form von Speichern auf Magnetkernen. Bis Mitte der 1970er Jahre war der Ferritspeicher der wichtigste Speichertyp. Das Lesen eines Bits aus dieser Art von Speicher führte zur Entmagnetisierung des Rings und zum Verlust von Informationen. Daher musste es nach einigem Lesen wieder zurückgeschrieben werden.
In modernen Entwicklungen magnetoresistiver Speicher werden anstelle von Ringen zwei Schichten eines Ferromagneten verwendet, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Eine Schicht ist ein Permanentmagnet und die zweite ändert die Magnetisierungsrichtung. Beim Ablesen eines Bits einer solchen Zelle geht es darum, den Widerstand beim Stromfluss zu messen: Wenn die Schichten in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind, ist der Widerstand größer und dies entspricht dem Wert „1“.
Ferritspeicher benötigen keine konstante Stromquelle, um die aufgezeichneten Informationen aufrechtzuerhalten. Das Magnetfeld der Zelle kann jedoch den „Nachbarn“ beeinflussen, was die Schaltungskompaktierung einschränkt.
Согласно SSD-Laufwerke auf Basis von Flash-Speicher ohne Strom müssen bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C Informationen mindestens drei Monate lang speichern. Entworfen von Intel verspricht, Daten zehn Jahre lang bei 200°C zu speichern.
Trotz der Komplexität der Entwicklung verschlechtert sich der magnetoresistive Speicher während des Gebrauchs nicht und weist unter anderen Speichertypen die beste Leistung auf, sodass dieser Speichertyp nicht abgeschrieben werden kann.
Phasenwechselspeicher
Der dritte vielversprechende Speichertyp ist der Speicher, der auf Phasenwechsel basiert. Diese Art von Speicher nutzt die Eigenschaften von Chalkogeniden, um bei Erwärmung zwischen kristallinem und amorphem Zustand zu wechseln.
Chalkogenide — binäre Verbindungen von Metallen der 16. Gruppe (6. Gruppe der Hauptnebengruppe) des Periodensystems. Beispielsweise verwenden CD-RW-, DVD-RW-, DVD-RAM- und Blu-ray-Discs Germaniumtellurid (GeTe) und Antimon(III)-Tellurid (Sb2Te3).
Untersuchungen zur Nutzung des Phasenübergangs zur Informationsspeicherung wurden in durchgeführt 1960er Jahr von Stanford Ovshinsky, doch dann kam es nicht zur kommerziellen Umsetzung. In den 2000er Jahren gab es erneutes Interesse an der Technologie, Samsung patentierte eine Technologie, die eine Bitumschaltung in 5 ns ermöglicht, und Intel und STMicroelectronics erhöhten die Anzahl der Zustände auf vier und verdoppelten damit die mögliche Kapazität.
Beim Erhitzen über den Schmelzpunkt verliert Chalkogenid seine kristalline Struktur und geht beim Abkühlen in eine amorphe Form über, die sich durch einen hohen elektrischen Widerstand auszeichnet. Beim Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb des Kristallisationspunkts, aber unterhalb des Schmelzpunkts kehrt das Chalkogenid wiederum in einen kristallinen Zustand mit geringem Widerstand zurück.
Phasenwechselspeicher müssen im Laufe der Zeit nicht „aufgeladen“ werden und sind im Gegensatz zu elektrisch geladenen Speichern auch nicht anfällig für Strahlung. Dieser Speichertyp kann Informationen bei einer Temperatur von 300 °C 85 Jahre lang speichern.
Es wird angenommen, dass die Entwicklung der Intel-Technologie 3D-Kreuzpunkt (3D-XPoint) Es nutzt Phasenübergänge zum Speichern von Informationen. 3D XPoint wird in Intel® Optane™ Speicherlaufwerken verwendet, die angeblich eine längere Lebensdauer haben.
Abschluss
Das physische Design von Solid-State-Laufwerken hat im Laufe von mehr als einem halben Jahrhundert viele Veränderungen erfahren, jede dieser Lösungen hat jedoch ihre Nachteile. Trotz der unbestreitbaren Beliebtheit von Flash-Speichern prüfen mehrere Unternehmen, darunter Samsung und Intel, die Möglichkeit, Speicher auf Basis magnetischer Momente zu schaffen.
Die Reduzierung des Zellverschleißes, deren Kompaktierung und die Erhöhung der Gesamtkapazität des Laufwerks sind derzeit vielversprechende Bereiche für die Weiterentwicklung von Solid-State-Laufwerken.
Die coolsten NAND- und 3D-XPoint-Laufwerke von heute können Sie jetzt in unserem testen .
Glauben Sie, dass Technologien zur Speicherung von Informationen über elektrische Ladungen durch andere ersetzt werden, beispielsweise Quarzscheiben oder optische Speicher auf Salznanokristallen?
Source: habr.com