Einführung in SSD. Teil 4. Physikalisch

Frühere Teile der Reihe „Einführung in SSD“ haben dem Leser die Geschichte der SSD-Laufwerke, die Schnittstellen zur Interaktion mit ihnen und die gängigen Formfaktoren nähergebracht. Der vierte Teil behandelt die Datenspeicherung innerhalb der Laufwerke.

In den vorherigen Artikeln der Reihe:

1. Die Geschichte der HDD und SSD
2. Das Aufkommen von Speicherinterfaces
3. Besonderheiten der Formfaktoren

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

Jede Zelle eines Flash-Speichers speichert ein oder mehrere Bit Informationen. Zur Speicherung von Informationen werden verschiedene physikalische Prozesse. Bei der Entwicklung von Flash-Speichern wurden folgende physikalischen Größen zur Kodierung von Informationen betrachtet:

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

Speicher, der auf elektrischen Ladungen basiert,

Die Kodierung von Informationen durch negative Ladungen liegt mehreren Lösungen zugrunde:

• UV-löschbare ROMs (EPROM);
• elektrisch löschbare ROMs (EEPROM);
• Flash-Speicher.

Jede Speichereinheit ist ein MOSFET mit Floating Gate, in dem eine negative Ladung gespeichert wird. Der Unterschied zu einem normalen MOSFET liegt in der Existenz eines Floating Gates — einem Leiter in der Dielektrikschicht.

Bei der Erzeugung eines Potenzialunterschieds zwischen Drain und Source und wenn ein positives Potenzial am Gate vorhanden ist, fließt Strom von Source zu Drain. Bei ausreichend großem Potenzialunterschied „brechen“ jedoch einige Elektronen die Dielektrikschicht und gelangen ins Floating Gate. Dieses Phänomen wird als Tunneleffekt.

Der negativ geladene Floating Gate erzeugt ein elektrisches Feld, das den Stromfluss vom Source zum Drain behindert. Darüber hinaus erhöht das Vorhandensein von Elektronen im Floating Gate die Schwellenspannung, bei der der Transistor aktiviert wird. Bei jeder „Schreibung“ ins Floating Gate des Transistors wird die Dielektrikschicht leicht beschädigt, was die Anzahl der möglichen Schreibzyklen jeder Zelle begrenzt.

Die Floating-Gate-MOS-Transistoren wurden 1967 von Dawon Kahng und Simon Min Sze von den Bell Labs entwickelt. Bei späteren Untersuchungen von Defekten in integrierten Schaltkreisen wurde festgestellt, dass sich die Schwellenspannung, die den Transistor öffnet, aufgrund der Ladung im Floating Gate verändert hat. Diese Entdeckung veranlasste Dov Frohman, mit der Arbeit an einem auf diesem Phänomen basierenden Speicher zu beginnen.

Die Änderung der Schwellenspannung ermöglicht es, Transistoren zu "programmieren". Transistoren mit einer Ladung im Floating Gate öffnen sich nicht, wenn eine Spannung angelegt wird, die höher ist als die Schwellenspannung für den Transistor ohne Elektronen, aber niedriger als die Schwellenspannung für den Transistor mit Elektronen. Nennen wir diesen Wert Lesespannung.

löschen programmierbare nur lesbare Speicher

Im Jahr 1971 entwickelte Dov Frohman, ein Mitarbeiter von Intel, einen wiederbeschreibbaren Speicher auf Basis von Transistoren, der löschen programmierbare nur lesbare Speicher (EPROM). Das Schreiben in den Speicher erfolgte über ein spezielles Gerät – einen Programmierer. Der Programmierer legt auf den Chip eine höhere Spannung an als in digitalen Schaltungen verwendet wird, wodurch Elektronen in die Floating Gates der Transistoren

geschrieben werden, wo dies erforderlich ist. Bei der EPROM-Speicherstruktur war nicht vorgesehen, die Floating Gates der Transistoren elektrisch zu löschen. Stattdessen wurde vorgeschlagen, die Transistoren mit intensivem UV-Licht zu bestrahlen, dessen Photonen den Elektronen die Energie verleihen, die sie benötigen, um das Floating Gate zu verlassen. Um den Zugang des UV-Lichts in das Innere des Chips zu ermöglichen, wurde ein Quarzglasgehäuse hinzugefügt.

Frohman stellte seinen EPROM-Prototyp erstmals im Februar 1971 auf einer Konferenz zu Festkörper-Mikrochips in Philadelphia vor. Gordon Moore erinnerte sich an die Demonstration: „Dov zeigte ein Bitmuster in den EPROM-Speicherzellen. Als die Zellen mit UV-Licht bestrahlt wurden, verschwanden die Bits nacheinander, bis das vertraute Intel-Logo ganz ausgelöscht war. ... Die Bits verschwanden, und als das letzte verschwand, brach das gesamte Publikum in Beifall aus. Dovs Artikel wurde als der beste der Konferenz anerkannt." - Übersetzung des Artikels newsroom.intel.com

EPROM-Speicher ist teurer als die zuvor verwendeten "einmaligen" Festspeichergeräte (ROM), jedoch ermöglicht die Wiederbeschreibbarkeit eine schnellere Debugging der Schaltungen und verkürzt die Entwicklungszeit neuer Hardware.

Die Wiederbeschreibbarkeit von ROM mit ultraviolettem Licht war ein bedeutender Durchbruch, jedoch schwebte die Idee der elektrischen Wiederbeschreibbarkeit bereits in der Luft.

Elektrisch Löschbare Programmierbare Nur-Lese-Speicher (EEPROM)

Im Jahr 1972 präsentierten drei Japaner: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi und Kiyoko Nagai den ersten elektrisch löschbaren permanenten Speicher (Elektrisch Löschbare Programmierbare Nur-Lese-Speicher, EEPROM oder E2PROM). Später werden ihre wissenschaftlichen Arbeiten Teil der Patente für die kommerziellen Realisierungen von EEPROM-Speichern.

Jede Zelle des EEPROM-Speichers besteht aus mehreren Transistoren:

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

Diese Konstruktion kompliziert die Verdrahtung der elektrischen Schaltung erheblich, weshalb EEPROM-Speicher in Fällen verwendet wurde, in denen ein kleiner Speicher 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 der Firma Toshiba, entwickelt. Die erste Entwicklung wurde als NOR-Flash-Speicher bezeichnet und basiert, wie ihre Vorgänger, auf MOSFETs mit schwimmendem Gate.

Der NOR-Flash-Speicher ist ein zweidimensionales Array von Transistoren. Die Gates der Transistoren sind mit der Wortlinie verbunden, während die Drain-Anschlüsse mit der Bitlinie verbunden sind. Beim Anlegen einer Spannung an die Wortlinie öffnen sich die Transistoren, die Elektronen enthalten, also die "1" speichern, nicht und der Strom fließt nicht. Aufgrund des Vorhandenseins oder Fehlens von Strom auf der Bitlinie wird der Bitwert bestimmt.

Nach sieben Jahren entwickelte Fujio Masuoka den NAND-Flash-Speicher. Diese Speicherart unterscheidet sich durch die Anzahl der Transistoren pro Bitlinie. Bei NOR-Speicher ist jeder Transistor direkt mit der Bitlinie verbunden, während bei NAND-Speicher die Transistoren in Reihe geschaltet sind.

Das Lesen aus dem Speicher einer solchen Konfiguration gestaltet sich schwieriger: An die notwendige Wortlinie wird die Spannung angelegt, die zum Lesen erforderlich ist, während an alle anderen Wortlinien eine Spannung angelegt wird, die den Transistor unabhängig vom Ladezustand öffnet. Da alle anderen Transistoren garantiert geöffnet sind, hängt das Vorhandensein einer Spannung an der Bitlinie nur von einem Transistor ab, an den die Lesespannung angelegt wird.

Die Erfindung des NAND-Flashspeichers ermöglicht eine signifikante Verdichtung der Schaltung, wodurch ein größerer Speicher bei gleichbleibenden Abmessungen untergebracht werden kann. Bis 2007 wurde das Speichervolumen durch die Verringerung des Produktionsprozesses 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 wird der Schwerpunkt auf die Anordnung der Transistoren in mehreren Schichten gelegt, was erneut eine Verdichtung der Schaltung ermöglicht und das Speichervolumen erhöht. Dennoch kann die Verdichtung der Schaltung nicht unbegrenzt wiederholt werden, weshalb andere Methoden zur Steigerung des gespeicherten Speichervolumens untersucht wurden.

Ursprünglich speicherte jeder Transistor zwei Ladeebenen: logische Null und logische 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 Volumen der Speicher zu erhöhen, allerdings auf Kosten der Verschleißfestigkeit. So wurde die Anzahl der Ladeebenen in einer Zelle auf vier erhöht, und die Technologie wurde als Multi-Level Cell (MLC)bezeichnet. Darauf folgten Triple-Level Cell (TLC) und Quad-Level Cell (QLC). In Zukunft wird eine neue Ebene hinzukommen — Penta-Level Cell (PLC) , mit fünf Bits in einer Zelle. Je mehr Bits in einer Zelle untergebracht werden, desto größer ist das Volumen des Speichers bei gleichbleibenden Kosten, jedoch ist die Verschleißfestigkeit geringer.

Die Verdichtung der Schaltung durch Verringerung des Technologieprozesses und Erhöhung der Anzahl der Bits in einem Transistor hat negative Auswirkungen auf die gespeicherten Daten. Obwohl in EPROM und EEPROM die gleichen Transistoren verwendet werden, können EPROM und EEPROM Daten ohne Stromversorgung zehn Jahre lang speichern, während moderner Flash-Speicher alles bereits nach einem Jahr "vergessen" kann.

Die Verwendung von Flash-Speicher in der Raumfahrtindustrie ist problematisch, da Strahlung einen schädlichen Einfluss auf die Elektronen in den floating Gates ausübt.

Die genannten Probleme hindern Flash-Speicher daran, unumschränkt führend im Bereich der Informationsspeicherung zu werden. Obwohl Flash-basierte Speicher weit verbreitet sind, wird an anderen Speichervarianten geforscht, die diese Nachteile nicht haben, darunter die Speicherung von Informationen in magnetischen Momenten und Phasenänderungen.

Magnetoresistiver Speicher

Die Codierung von Informationen mit magnetischen Momenten entstand 1955 in Form von Speicher auf Magnetkernen. Bis zur Mitte der 1970er Jahre war Ferritspeicher die Hauptspeicherart. Das Lesen eines Bits aus einem solchen Speicher führte zu einer Entmagnetisierung des Rings und einem Verlust von Informationen. Daher musste das Bit nach dem Lesen zurückgeschrieben werden.

In modernen Entwicklungen des magnetoresistiven Speichers werden anstelle von Ringen zwei Schichten von Ferromagneten verwendet, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Eine Schicht ist ein permanenter Magnet, während die andere die Magnetisierungsrichtung wechselt. Das Lesen eines Bits aus einer solchen Zelle reduziert sich auf das Messen des Widerstands bei Durchleitung von Strom: Wenn die Schichten in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind, ist der Widerstand höher, was dem Wert „1“ entspricht.

Ferritspeicher benötigt keine dauerhafte Stromquelle, um die gespeicherte Information aufrechtzuerhalten, jedoch kann das Magnetfeld einer Zelle auf den „Nachbarn“ einwirken, was die Verdichtung der Schaltung einschränkt.

Laut JEDEC Flash-basierte SSDs müssen ohne Strom Informationen mindestens drei Monate bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C speichern. Der von Intel entwickelte Chip auf Magnetoresistiver Speicherbasis verspricht, Daten zehn Jahre lang bei 200 °C zu erhalten.

Trotz der Komplexität der Entwicklung degradiert magnetoresistiver Speicher während des Gebrauchs nicht und bietet die beste Leistung unter den verschiedenen Arten von Speicher, was es ermöglicht, diese Speicherart nicht abzuschreiben.

Speicher mit Phasenumschaltung

Eine weitere vielversprechende Speicherart ist der Phasenübergangsspeicher. Dieser Speichertyp nutzt die Eigenschaften von Chalkogeniden, um zwischen kristallinen und amorphen Zuständen bei Erhitzung umzuschalten.

Chalkogenide — Binärverbindungen von Metallen mit der 16. Gruppe (6. Gruppe der Hauptgruppe) des Periodensystems von Mendelejew. Zum Beispiel werden in CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM und Blu-ray-Discs Telluride von Germanium (GeTe) und Tellurid von Antimon (III) (Sb2Te3) verwendet.

Forschungen zur Anwendung von Phasenübergängen zur Informationsspeicherung wurden in den 1960er Jahren von Stanford Ovshinsky durchgeführt, aber es kam damals nicht zur kommerziellen Umsetzung. In den 2000er Jahren kam das Interesse an der Technologie erneut auf, Samsung patentierte eine Technologie, die ein Umschalten von Bits in 5 ns ermöglicht, während Intel und STMicroelectronics die Anzahl der Zustände auf vier erhöhten, wodurch das mögliche Volumen verdoppelt wurde.

Bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt verliert der Chalcogenid seine kristalline Struktur und verwandelt sich beim Abkühlen in eine amorphe Form, die durch einen hohen elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist. Umgekehrt kehrt der Chalcogenid bei Temperaturerhöhung über dem Kristallisationstemperatur, aber unter dem Schmelzpunkt in den kristallinen Zustand mit niedrigem Widerstand zurück.

Der Phasenübergangs-Speicher benötigt im Gegensatz zu elektrisch geladenem Speicher keine "Nachladung" über die Zeit und ist auch nicht empfindlich gegenüber Strahlung. Dieser Speichertyp kann Informationen 300 Jahre lang bei 85°C speichern.

Es wird angenommen, dass die Entwicklung von Intel, die Technologie 3D Crosspoint (3D XPoint) gerade Phasenübergänge zur Speicherung von Informationen nutzt. 3D XPoint wird in Intel® Optane™ Memory-Laufwerken verwendet, für die eine hohe Verschleißfestigkeit angegeben ist.

Fazit

Das physische Gerät von Solid-State-Laufwerken hat im Laufe von mehr als einem halben Jahrhundert viele Veränderungen durchgemacht, jedoch hat jede Lösung ihre eigenen Nachteile. Trotz der unbestreitbaren Beliebtheit von Flash-Speicher arbeiten mehrere Unternehmen, darunter Samsung und Intel, an der Möglichkeit der Schaffung von Speicher auf Basis magnetischer Momente.

Die Reduktion der Abnutzung von Zellen, deren Verdichtung und die Erhöhung der gesamten Kapazität des Speichers sind die Bereiche, die derzeit vielversprechend für die weitere Entwicklung von Solid-State-Laufwerken sind.

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Was denken Sie, wird die Informationstechnologie auf elektrischen Ladungen durch andere Technologien wie beispielsweise Quarzplatten oder optischem Speicher auf Nanokristallen aus Salz verdrängt werden?

Quelle: habr.com