Προηγούμενα μέρη της σειράς "Εισαγωγή στο SSD" μίλησαν στον αναγνώστη για την ιστορία της εμφάνισης μονάδων SSD, τις διεπαφές για αλληλεπίδραση μαζί τους και τους δημοφιλείς παράγοντες μορφής. Το τέταρτο μέρος θα μιλήσει για την αποθήκευση δεδομένων σε μονάδες δίσκου.
Σε προηγούμενα άρθρα της σειράς:
Η αποθήκευση δεδομένων σε μονάδες στερεάς κατάστασης μπορεί να χωριστεί σε δύο λογικά μέρη: αποθήκευση πληροφοριών σε ένα μόνο κελί και οργάνωση αποθήκευσης κυψέλης.
Κάθε κελί μιας μονάδας δίσκου στερεάς κατάστασης αποθηκεύεται ένα ή περισσότερα κομμάτια πληροφοριών. Διάφοροι τύποι πληροφοριών χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση πληροφοριών. φυσικές διεργασίες. Κατά την ανάπτυξη μονάδων στερεάς κατάστασης, ελήφθησαν υπόψη οι ακόλουθες φυσικές ποσότητες για την κωδικοποίηση πληροφοριών:
- ηλεκτρικά φορτία (συμπεριλαμβανομένης της μνήμης Flash).
- μαγνητικές στιγμές (μαγνητοσυστατική μνήμη);
- καταστάσεις φάσης (μνήμη με αλλαγή κατάστασης φάσης).
Μνήμη βασισμένη σε ηλεκτρικά φορτία
Η κωδικοποίηση πληροφοριών χρησιμοποιώντας αρνητικό φορτίο βασίζεται σε διάφορες λύσεις:
- υπεριώδης διαγραφή ROM (EPROM);
- ηλεκτρικά διαγραφόμενη ROM (EEPROM).
- Μνήμη flash.
Κάθε κύτταρο μνήμης είναι πλωτή πύλη MOSFET, το οποίο αποθηκεύει αρνητικό φορτίο. Η διαφορά του από ένα συμβατικό τρανζίστορ MOS είναι η παρουσία μιας πλωτής πύλης - ενός αγωγού στο διηλεκτρικό στρώμα.
Όταν δημιουργείται διαφορά δυναμικού μεταξύ της αποστράγγισης και της πηγής και υπάρχει θετικό δυναμικό στην πύλη, το ρεύμα θα ρέει από πηγή σε αποχέτευση. Ωστόσο, εάν υπάρχει μια αρκετά μεγάλη διαφορά δυναμικού, μερικά ηλεκτρόνια «διαπερνούν» το διηλεκτρικό στρώμα και καταλήγουν στην πλωτή πύλη. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται .
Μια αρνητικά φορτισμένη πλωτή πύλη δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που εμποδίζει το ρεύμα να ρέει από την πηγή στην αποχέτευση. Επιπλέον, η παρουσία ηλεκτρονίων στην πλωτή πύλη αυξάνει την τάση κατωφλίου στην οποία ενεργοποιείται το τρανζίστορ. Με κάθε «εγγραφή» στην αιωρούμενη πύλη του τρανζίστορ, το διηλεκτρικό στρώμα είναι ελαφρώς κατεστραμμένο, γεγονός που επιβάλλει ένα όριο στον αριθμό των κύκλων επανεγγραφής κάθε κυψέλης.
Τα MOSFET με πλωτή πύλη αναπτύχθηκαν από τους Dawon Kahng και Simon Min Sze στα Bell Labs το 1967. Αργότερα, κατά τη μελέτη ελαττωμάτων σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, παρατηρήθηκε ότι λόγω της φόρτισης στην αιωρούμενη πύλη, η τάση κατωφλίου που ανοίγει το τρανζίστορ άλλαξε. Αυτή η ανακάλυψη ώθησε τον Dov Frohman να αρχίσει να εργάζεται στη μνήμη με βάση αυτό το φαινόμενο.
Η αλλαγή της τάσης κατωφλίου σάς επιτρέπει να "προγραμματίσετε" τα τρανζίστορ. Τα τρανζίστορ αιωρούμενης πύλης δεν θα ενεργοποιηθούν όταν η τάση πύλης είναι μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου για ένα τρανζίστορ χωρίς ηλεκτρόνια, αλλά μικρότερη από την τάση κατωφλίου για ένα τρανζίστορ με ηλεκτρόνια. Ας ονομάσουμε αυτή την τιμή τάση ανάγνωσης.
Διαγράψιμη προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση
Το 1971, ο υπάλληλος της Intel, Dov Frohman, δημιούργησε μια επανεγγράψιμη μνήμη βασισμένη σε τρανζίστορ που ονομάζεται Διαγράψιμη προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση (EPROM). Η εγγραφή στη μνήμη πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια ειδική συσκευή - έναν προγραμματιστή. Ο προγραμματιστής εφαρμόζει υψηλότερη τάση στο τσιπ από ό,τι χρησιμοποιείται στα ψηφιακά κυκλώματα, «γράφοντας» ηλεκτρόνια στις αιωρούμενες πύλες των τρανζίστορ όπου χρειάζεται.
Η μνήμη EPROM δεν προοριζόταν να καθαρίσει ηλεκτρικά τις πλωτές πύλες των τρανζίστορ. Αντίθετα, προτάθηκε να εκτεθούν τα τρανζίστορ σε ισχυρό υπεριώδες φως, τα φωτόνια του οποίου θα έδιναν στα ηλεκτρόνια την ενέργεια που απαιτείται για να διαφύγουν από την πλωτή πύλη. Για να επιτραπεί στο υπεριώδες φως να διεισδύσει βαθιά στο τσιπ, προστέθηκε γυαλί χαλαζία στο περίβλημα.
Ο Froman παρουσίασε για πρώτη φορά το πρωτότυπο EPROM του τον Φεβρουάριο του 1971 σε ένα συνέδριο IC στερεάς κατάστασης στη Φιλαδέλφεια. Ο Gordon Moore θυμήθηκε την επίδειξη: «Ο Dov έδειξε το μοτίβο bit στα κελιά μνήμης EPROM. Όταν τα κύτταρα εκτέθηκαν στο υπεριώδες φως, τα κομμάτια εξαφανίστηκαν ένα προς ένα μέχρι να διαγραφεί εντελώς το άγνωστο λογότυπο της Intel. … Τα beats εξαφανίστηκαν, και όταν εξαφανίστηκε το τελευταίο, ολόκληρο το κοινό ξέσπασε σε χειροκροτήματα. Το άρθρο του Dov αναγνωρίστηκε ως το καλύτερο στο συνέδριο». — Μετάφραση του άρθρου
Η μνήμη EPROM είναι πιο ακριβή από ό,τι προηγουμένως χρησιμοποιημένες συσκευές μνήμης μόνο για ανάγνωση (ROM), αλλά η δυνατότητα επαναπρογραμματισμού σάς επιτρέπει να διορθώνετε τα κυκλώματα γρηγορότερα και να μειώνετε το χρόνο που απαιτείται για την ανάπτυξη νέου υλικού.
Ο επαναπρογραμματισμός των ROM με υπεριώδες φως ήταν μια σημαντική ανακάλυψη, ωστόσο, η ιδέα της ηλεκτρικής επανεγγραφής ήταν ήδη στον αέρα.
Ηλεκτρικά διαγραφόμενη προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση
Το 1972, τρεις Ιάπωνες: ο Yasuo Tarui, ο Yutaka Hayashi και ο Kiyoko Nagai παρουσίασαν την πρώτη ηλεκτρικά διαγραφόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση (EEPROM ή E2PROM). Αργότερα, η επιστημονική τους έρευνα θα γίνει μέρος των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας για εμπορικές εφαρμογές της μνήμης EEPROM.
Κάθε κυψέλη μνήμης EEPROM αποτελείται από πολλά τρανζίστορ:
- τρανζίστορ αιωρούμενης πύλης για αποθήκευση bit.
- τρανζίστορ για τον έλεγχο της λειτουργίας ανάγνωσης-εγγραφής.
Αυτός ο σχεδιασμός περιπλέκει πολύ την καλωδίωση του ηλεκτρικού κυκλώματος, επομένως η μνήμη EEPROM χρησιμοποιήθηκε σε περιπτώσεις όπου μια μικρή ποσότητα μνήμης δεν ήταν κρίσιμη. Το EPROM εξακολουθούσε να χρησιμοποιείται για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων.
Μνήμη flash
Η μνήμη flash, που συνδυάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά των EPROM και EEPROM, αναπτύχθηκε από τον Ιάπωνα καθηγητή Fujio Masuoka, μηχανικό στην Toshiba, το 1980. Η πρώτη ανάπτυξη ονομαζόταν NOR Flash memory και, όπως και οι προκάτοχοί της, βασίζεται σε MOSFET floating-gate.
Η μνήμη flash NOR είναι μια δισδιάστατη διάταξη τρανζίστορ. Οι πύλες των τρανζίστορ συνδέονται με τη γραμμή λέξης και οι αποχετεύσεις συνδέονται με τη γραμμή bit. Όταν εφαρμόζεται τάση στη γραμμή λέξης, τα τρανζίστορ που περιέχουν ηλεκτρόνια, δηλαδή αποθηκεύουν "ένα", δεν θα ανοίξουν και δεν θα ρέει ρεύμα. Με βάση την παρουσία ή την απουσία ρεύματος στη γραμμή bit, εξάγεται ένα συμπέρασμα σχετικά με την τιμή του bit.
Επτά χρόνια αργότερα, ο Fujio Masuoka ανέπτυξε τη μνήμη Flash NAND. Αυτός ο τύπος μνήμης διαφέρει ως προς τον αριθμό των τρανζίστορ στη γραμμή bit. Στη μνήμη NOR, κάθε τρανζίστορ συνδέεται απευθείας σε μια γραμμή bit, ενώ στη μνήμη NAND, τα τρανζίστορ συνδέονται σε σειρά.
Η ανάγνωση από τη μνήμη αυτής της διαμόρφωσης είναι πιο δύσκολη: η τάση που απαιτείται για την ανάγνωση εφαρμόζεται στην απαραίτητη γραμμή της λέξης και η τάση εφαρμόζεται σε όλες τις άλλες γραμμές της λέξης, που ανοίγει το τρανζίστορ ανεξάρτητα από το επίπεδο φόρτισης σε αυτό. Εφόσον όλα τα άλλα τρανζίστορ είναι εγγυημένα ανοιχτά, η παρουσία τάσης στη γραμμή bit εξαρτάται μόνο από ένα τρανζίστορ, στο οποίο εφαρμόζεται η τάση ανάγνωσης.
Η εφεύρεση της μνήμης Flash NAND καθιστά δυνατή τη σημαντική συμπίεση του κυκλώματος, τοποθετώντας περισσότερη μνήμη στο ίδιο μέγεθος. Μέχρι το 2007, η χωρητικότητα της μνήμης αυξήθηκε με τη μείωση της διαδικασίας κατασκευής του τσιπ.
Το 2007, η Toshiba παρουσίασε μια νέα έκδοση της μνήμης NAND: Κάθετη NAND (V-NAND), γνωστός και ως 3D NAND. Αυτή η τεχνολογία δίνει έμφαση στην τοποθέτηση τρανζίστορ σε πολλαπλά στρώματα, γεγονός που επιτρέπει και πάλι πυκνότερα κυκλώματα και αυξημένη χωρητικότητα μνήμης. Ωστόσο, η συμπίεση του κυκλώματος δεν μπορεί να επαναλαμβάνεται επ' αόριστον, επομένως έχουν διερευνηθεί άλλες μέθοδοι για την αύξηση της χωρητικότητας αποθήκευσης.
Αρχικά, κάθε τρανζίστορ αποθήκευε δύο επίπεδα φόρτισης: λογικό μηδέν και λογικό ένα. Αυτή η προσέγγιση ονομάζεται Κυψέλη ενός επιπέδου (SLC). Οι μονάδες δίσκου με αυτήν την τεχνολογία είναι εξαιρετικά αξιόπιστες και έχουν μέγιστο αριθμό κύκλων επανεγγραφής.
Με την πάροδο του χρόνου, αποφασίστηκε να αυξηθεί η χωρητικότητα αποθήκευσης σε βάρος της αντοχής στη φθορά. Έτσι, ο αριθμός των επιπέδων φόρτισης σε ένα κελί είναι μέχρι τέσσερα, και η τεχνολογία ονομάστηκε Κυψέλη πολλαπλών επιπέδων (MLC). Το επόμενο ήρθε Κυψέλη τριπλού επιπέδου (TLC) и Κυψέλη τετραπλού επιπέδου (QLC). Θα υπάρξει ένα νέο επίπεδο στο μέλλον - Κυψέλη πεντα-επιπέδου (PLC) με πέντε bit ανά κελί. Όσο περισσότερα κομμάτια χωρούν σε μια κυψέλη, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα αποθήκευσης με το ίδιο κόστος, αλλά τόσο μικρότερη είναι η αντίσταση στη φθορά.
Η συμπίεση του κυκλώματος μειώνοντας την τεχνική διαδικασία και αυξάνοντας τον αριθμό των bit σε ένα τρανζίστορ επηρεάζει αρνητικά τα αποθηκευμένα δεδομένα. Παρά το γεγονός ότι τα EPROM και EEPROM χρησιμοποιούν τα ίδια τρανζίστορ, τα EPROM και EEPROM μπορούν να αποθηκεύσουν δεδομένα χωρίς ρεύμα για δέκα χρόνια, ενώ η σύγχρονη μνήμη Flash μπορεί να «ξεχάσει» τα πάντα μετά από ένα χρόνο.
Η χρήση της μνήμης Flash στη διαστημική βιομηχανία είναι δύσκολη επειδή η ακτινοβολία έχει επιζήμια επίδραση στα ηλεκτρόνια στις πλωτές πύλες.
Αυτά τα προβλήματα εμποδίζουν τη μνήμη Flash να γίνει ο αδιαμφισβήτητος ηγέτης στον τομέα της αποθήκευσης πληροφοριών. Παρά το γεγονός ότι οι μονάδες που βασίζονται σε μνήμη Flash είναι ευρέως διαδεδομένες, διεξάγεται έρευνα για άλλους τύπους μνήμης που δεν έχουν αυτά τα μειονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης πληροφοριών σε μαγνητικές ροπές και καταστάσεις φάσης.
Μαγνητοσυστατική μνήμη
Η κωδικοποίηση πληροφοριών με μαγνητικές ροπές εμφανίστηκε το 1955 με τη μορφή μνήμης σε μαγνητικούς πυρήνες. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1970, η μνήμη φερρίτη ήταν ο κύριος τύπος μνήμης. Η ανάγνωση λίγο από αυτόν τον τύπο μνήμης οδήγησε σε απομαγνητισμό του δακτυλίου και απώλεια πληροφοριών. Έτσι, μετά από λίγο διάβασμα, έπρεπε να γραφτεί πίσω.
Στις σύγχρονες εξελίξεις της μαγνητοαντιστικής μνήμης, αντί για δακτυλίους, χρησιμοποιούνται δύο στρώματα σιδηρομαγνήτη, που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό. Το ένα στρώμα είναι μόνιμος μαγνήτης και το δεύτερο αλλάζει την κατεύθυνση της μαγνήτισης. Η ανάγνωση λίγο από ένα τέτοιο κελί καταλήγει στη μέτρηση της αντίστασης κατά τη διέλευση ρεύματος: εάν τα στρώματα μαγνητίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, τότε η αντίσταση είναι μεγαλύτερη και αυτή ισοδυναμεί με την τιμή "1".
Η μνήμη φερρίτη δεν απαιτεί σταθερή πηγή ισχύος για τη διατήρηση των καταγεγραμμένων πληροφοριών, ωστόσο, το μαγνητικό πεδίο της κυψέλης μπορεί να επηρεάσει τον «γείτονα», γεγονός που επιβάλλει έναν περιορισμό στη συμπίεση του κυκλώματος.
Σύμφωνα με Οι μονάδες SSD που βασίζονται σε μνήμη Flash χωρίς ρεύμα πρέπει να διατηρούν πληροφορίες για τουλάχιστον τρεις μήνες σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 40°C. Σχεδιασμένο από την Intel υπόσχεται να αποθηκεύει δεδομένα για δέκα χρόνια στους 200°C.
Παρά την πολυπλοκότητα της ανάπτυξης, η μαγνητοαντιστική μνήμη δεν υποβαθμίζεται κατά τη χρήση και έχει την καλύτερη απόδοση μεταξύ άλλων τύπων μνήμης, γεγονός που δεν επιτρέπει τη διαγραφή αυτού του τύπου μνήμης.
Μνήμη αλλαγής φάσης
Ο τρίτος πολλά υποσχόμενος τύπος μνήμης είναι η μνήμη που βασίζεται στην αλλαγή φάσης. Αυτός ο τύπος μνήμης χρησιμοποιεί τις ιδιότητες των χαλκογονιδίων για εναλλαγή μεταξύ κρυσταλλικής και άμορφης κατάστασης όταν θερμαίνεται.
Χαλκογενίδης — δυαδικές ενώσεις μετάλλων με τη 16η ομάδα (6η ομάδα της κύριας υποομάδας) του περιοδικού πίνακα. Για παράδειγμα, οι δίσκοι CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM και Blu-ray χρησιμοποιούν τελλουρίδιο γερμανίου (GeTe) και τελλουρίδιο αντιμονίου (III) (Sb2Te3).
Έρευνα σχετικά με τη χρήση της μετάβασης φάσης για αποθήκευση πληροφοριών πραγματοποιήθηκε στο δεκαετία του 1960 έτος από τον Stanford Ovshinsky, αλλά στη συνέχεια δεν ήρθε σε εμπορική εφαρμογή. Στη δεκαετία του 2000, υπήρξε ανανεωμένο ενδιαφέρον για την τεχνολογία, η Samsung κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τεχνολογία που επιτρέπει εναλλαγή bit σε 5 ns και η Intel και η STMicroelectronics αύξησαν τον αριθμό των καταστάσεων σε τέσσερις, διπλασιάζοντας έτσι την πιθανή χωρητικότητα.
Όταν θερμαίνεται πάνω από το σημείο τήξης, το χαλκογονίδιο χάνει την κρυσταλλική του δομή και, κατά την ψύξη, μετατρέπεται σε άμορφη μορφή που χαρακτηρίζεται από υψηλή ηλεκτρική αντίσταση. Με τη σειρά του, όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασία πάνω από το σημείο κρυστάλλωσης, αλλά κάτω από το σημείο τήξης, το χαλκογονίδιο επιστρέφει σε κρυσταλλική κατάσταση με χαμηλό επίπεδο αντίστασης.
Η μνήμη αλλαγής φάσης δεν απαιτεί «επαναφόρτιση» με την πάροδο του χρόνου και επίσης δεν είναι ευαίσθητη στην ακτινοβολία, σε αντίθεση με τη ηλεκτρικά φορτισμένη μνήμη. Αυτός ο τύπος μνήμης μπορεί να διατηρήσει πληροφορίες για 300 χρόνια σε θερμοκρασία 85°C.
Πιστεύεται ότι η ανάπτυξη της τεχνολογίας της Intel 3D Crosspoint (3D XPoint) Χρησιμοποιεί μεταβάσεις φάσης για την αποθήκευση πληροφοριών. Το 3D XPoint χρησιμοποιείται σε μονάδες μνήμης Intel® Optane™, οι οποίες υποστηρίζεται ότι έχουν μεγαλύτερη αντοχή.
Συμπέρασμα
Ο φυσικός σχεδιασμός των μονάδων στερεάς κατάστασης έχει υποστεί πολλές αλλαγές σε διάστημα μεγαλύτερο από μισό αιώνα ιστορίας, ωστόσο, κάθε μία από τις λύσεις έχει τα μειονεκτήματά της. Παρά την αναμφισβήτητη δημοτικότητα της μνήμης Flash, αρκετές εταιρείες, μεταξύ των οποίων η Samsung και η Intel, διερευνούν τη δυνατότητα δημιουργίας μνήμης με βάση τις μαγνητικές στιγμές.
Η μείωση της φθοράς των κυψελών, η συμπίεσή τους και η αύξηση της συνολικής χωρητικότητας του ηλεκτροκινητήρα είναι τομείς που επί του παρόντος είναι πολλά υποσχόμενοι για την περαιτέρω ανάπτυξη κινητήρων στερεάς κατάστασης.
Μπορείτε να δοκιμάσετε τις πιο εντυπωσιακές μονάδες NAND και 3D XPoint σήμερα στο δικό μας .
Πιστεύετε ότι οι τεχνολογίες για την αποθήκευση πληροφοριών για ηλεκτρικά φορτία θα αντικατασταθούν από άλλες, για παράδειγμα, δίσκους χαλαζία ή οπτική μνήμη σε νανοκρυστάλλους αλατιού;
Πηγή: www.habr.com