Antaŭaj partoj de la serio "Enkonduko al SSD" rakontis al la leganto pri la historio de la apero de SSD-diskoj, interfacoj por interagi kun ili kaj popularaj formfaktoroj. La kvara parto parolos pri stokado de datumoj ene de diskoj.
En antaŭaj artikoloj en la serio:
Stokado de datumoj en solidsubstancaj diskoj povas esti dividita en du logikaj partoj: stokado de informoj en ununura ĉelo kaj organizado de ĉelstokado.
Ĉiu ĉelo de solidsubstanca disko stokas unu aŭ pluraj pecetoj da informo. Diversaj specoj de informoj estas uzataj por konservi informojn. fizikaj procezoj. Dum evoluigado de solidsubstancaj diskoj, la sekvaj fizikaj kvantoj estis pripensitaj por kodi informojn:
- elektraj ŝargoj (inkluzive de Flash-memoro);
- magnetaj momentoj (magnetorrezistema memoro);
- fazaj statoj (memoro kun ŝanĝo en faza stato).
Memoro bazita sur elektraj ŝargoj
Ĉidi informojn uzante negativan ŝargon subestas plurajn solvojn:
- ultraviola viŝebla ROM (EPROM);
- elektre viŝebla ROM (EEPROM);
- Flash memoro.
Ĉiu memorĉelo estas flosanta pordego MOSFET, kiu stokas negativan ŝargon. Ĝia diferenco de konvencia MOS-transistoro estas la ĉeesto de flosanta pordego - konduktilo en la dielektrika tavolo.
Kiam ebla diferenco estas kreita inter la drenilo kaj fonto kaj ekzistas pozitiva potencialo ĉe la pordego, fluo fluos de fonto al drenilo. Tamen, se ekzistas sufiĉe granda potencialdiferenco, kelkaj elektronoj "trarompas" la dielektrikan tavolon kaj alvenas en la ŝveba pordego. Tiu ĉi fenomeno nomiĝas .
Negative ŝargita flospordego kreas elektran kampon kiu malhelpas fluon flui de fonto al drenilo. Krome, la ĉeesto de elektronoj en la ŝveba pordego pliigas la sojlan tension ĉe kiu la transistoro ŝaltas. Kun ĉiu "skribo" al la ŝveba pordego de la transistoro, la dielektrika tavolo estas iomete difektita, kio trudas limon al la nombro da reverkaj cikloj de ĉiu ĉelo.
Flospordegaj MOSFEToj estis evoluigitaj fare de Dawon Kahng kaj Simon Min Sze ĉe Bell Labs en 1967. Poste, studinte difektojn en integraj cirkvitoj, oni rimarkis, ke pro la ŝargo en la flosanta pordego, la sojla tensio, kiu malfermas la transistoron, ŝanĝiĝis. Ĉi tiu malkovro instigis Dov Frohman komenci labori pri memoro bazita sur ĉi tiu fenomeno.
Ŝanĝi la sojlan tension ebligas al vi "programi" la transistorojn. Ŝvebaj pordegtransistoroj ne enŝaltos kiam la pordega tensio estas pli granda ol la sojla tensio por transistoro sen elektronoj, sed malpli ol la sojla tensio por transistoro kun elektronoj. Ni nomu ĉi tiun valoron leganta tensio.
Viŝebla Programebla Nurlegebla Memoro
En 1971, Intel-oficisto Dov Frohman kreis transistor-bazita reskribibla memoro nomita Viŝebla Programebla Nurlegebla Memoro (EPROM). Registrado en memoro estis farita per speciala aparato - programisto. La programisto aplikas pli altan tension al la blato ol estas uzita en ciferecaj cirkvitoj, tiel "skribante" elektronojn al la ŝvebaj pordegoj de la transistoroj kie bezonite.
EPROM-memoro ne estis intencita por purigi la flosajn pordegojn de transistoroj elektre. Anstataŭe, estis svatite eksponi la transistorojn al forta ultraviola lumo, kies fotonoj donus al la elektronoj la energion necesan por eviti la ŝveban pordegon. Por permesi al transviola lumo penetri profunde en la blaton, kvarcvitro estis aldonita al la loĝejo.
Froman unue prezentis sian EPROM-prototipon en februaro 1971 ĉe solidsubstanca IC-konferenco en Filadelfio. Gordon Moore memoris la manifestacion: "Dov montris la bitan ŝablonon en la EPROM-memorĉeloj. Kiam la ĉeloj estis elmontritaj al transviola lumo, la pecoj malaperis unu post la alia ĝis la nekonata Intel-emblemo estis tute forigita. … La taktoj malaperis, kaj kiam la lasta malaperis, la tuta publiko aplaŭdis. La artikolo de Dov estis rekonita kiel la plej bona ĉe la konferenco." — Traduko de la artikolo
EPROM-memoro estas pli multekosta ol antaŭe uzataj "foruzeblaj" nurlegebla memoro (ROM) aparatoj, sed la kapablo reprogrami permesas vin sencimigi cirkvitojn pli rapide kaj redukti la tempon necesan por evoluigi novan aparataron.
Reprogramado de ROM-oj kun transviola lumo estis grava sukceso, tamen la ideo de elektra reverkado jam estis en la aero.
Elektre Viŝebla Programebla Nurlegebla Memoro
En 1972, tri japanoj: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi kaj Kiyoko Nagai lanĉis la unuan elektre viŝeblan nurlegeblan memoron (EEPROM aŭ E2PROM). Poste, ilia scienca esplorado fariĝos parto de patentoj por komercaj efektivigoj de EEPROM-memoro.
Ĉiu EEPROM-memorĉelo konsistas el pluraj transistoroj:
- flosanta pordega transistoro por bita stokado;
- transistoro por kontroli lego-skriba reĝimo.
Tiu dezajno tre malfaciligas la drataron de la elektra cirkvito, tiel ke EEPROM-memoro estis uzita en kazoj kie malgranda kvanto de memoro ne estis kritika. EPROM daŭre estis uzita por stoki grandajn kvantojn da datenoj.
Flash memoro
Flashmemoro, kombinanta la plej bonajn ecojn de EPROM kaj EEPROM, estis evoluigita fare de japana profesoro Fujio Masuoka, inĝeniero ĉe Toshiba, en 1980. La unua evoluo estis nomita NOR Flash-memoro kaj, kiel ĝiaj antaŭuloj, estas bazita sur ŝveb-pordegaj MOSFEToj.
NOR fulmmemoro estas dudimensia aro de transistoroj. La pordegoj de la transistoroj estas ligitaj al la vortlinio, kaj la dreniloj estas ligitaj al la bitlinio. Kiam tensio estas aplikata al la vorto linio, transistoroj enhavantaj elektronojn, tio estas, stokantaj "unu", ne malfermos kaj kurento ne fluos. Surbaze de la ĉeesto aŭ foresto de fluo sur la bitolinio, konkludo estas desegnita pri la valoro de la bito.
Sep jarojn poste, Fujio Masuoka evoluigis NAND Flash-memoron. Ĉi tiu speco de memoro malsamas en la nombro da transistoroj sur la bitlinio. En NOR-memoro, ĉiu transistoro estas rekte ligita al bitlinio, dum en NAND-memoro, la transistoroj estas ligitaj en serioj.
Legado de memoro pri ĉi tiu agordo estas pli malfacila: la tensio necesa por legado estas aplikata al la necesa linio de la vorto, kaj tensio estas aplikata al ĉiuj aliaj linioj de la vorto, kiu malfermas la transistoron sendepende de la ŝargnivelo en ĝi. Ĉar ĉiuj aliaj transistoroj estas garantiitaj esti malfermaj, la ĉeesto de tensio sur la bitlinio dependas nur de unu transistoro, al kiu la legita tensio estas aplikata.
La invento de NAND Flash-memoro ebligas signife kunpremi la cirkviton, metante pli da memoro en la sama grandeco. Ĝis 2007, memorkapacito estis pliigita reduktante la produktadprocezon de la blato.
En 2007, Toshiba lanĉis novan version de NAND-memoro: Vertikala NAND (V-NAND), ankaŭ konata kiel 3D NAND. Tiu teknologio metas emfazon de metado de transistoroj en multoblaj tavoloj, kio denove enkalkulas pli densan cirkuladon kaj pliigitan memorkapaciton. Tamen, cirkvitkompaktado ne povas esti ripetita senfine, tiel ke aliaj metodoj estis esploritaj por pliigi la stokan kapaciton.
Komence, ĉiu transistoro stokis du ŝargnivelojn: logika nulo kaj logika unu. Ĉi tiu aliro nomiĝas Ununivela Ĉelo (SLC). Veturadoj kun ĉi tiu teknologio estas tre fidindaj kaj havas maksimuman nombron da reverkaj cikloj.
Kun la tempo, oni decidis pliigi la stokan kapaciton koste de eluziĝorezisto. Do la nombro da ŝargniveloj en ĉelo estas ĝis kvar, kaj la teknologio estis nomita Plurnivela Ĉelo (MLC). Poste venis Tri-nivela ĉelo (TLC) и Kvarnivela Ĉelo (QLC). Estos nova nivelo en la estonteco - Penta-nivela ĉelo (PLC) kun kvin bitoj por ĉelo. Ju pli da pecoj konvenas en unu ĉelon, des pli granda la stokada kapablo je la sama kosto, sed des malpli eluziĝorezisto.
Kompaktado de la cirkvito reduktante la teknikan procezon kaj pliigante la nombron da bitoj en unu transistoro negative influas la konservitajn datumojn. Malgraŭ tio, ke EPROM kaj EEPROM uzas la samajn transistorojn, EPROM kaj EEPROM povas stoki datumojn sen potenco dum dek jaroj, dum moderna Flash-memoro povas "forgesi" ĉion post jaro.
La uzo de fulmmemoro en la spaca industrio estas malfacila ĉar radiado havas malutilan efikon al la elektronoj en la ŝvebaj pordegoj.
Ĉi tiuj problemoj malhelpas Flash-memoron iĝi la nediskutebla gvidanto en la kampo de informstokado. Malgraŭ la fakto, ke diskoj bazitaj sur Flash-memoro estas disvastigita, esplorado estas daŭranta pri aliaj specoj de memoro, kiuj ne havas ĉi tiujn malavantaĝojn, inkluzive de stokado de informoj en magnetaj momentoj kaj fazaj statoj.
Magnetoresistiva memoro
Kodigo de informoj kun magnetaj momentoj aperis en 1955 en formo de memoro sur magnetaj kernoj. Ĝis la mez-1970-aj jaroj, ferita memoro estis la ĉeftipo de memoro. Legi iom el ĉi tiu tipo de memoro kaŭzis malmagnetiĝon de la ringo kaj perdon de informoj. Tiel, post iom legi, ĝi devis esti reskribita.
En modernaj evoluoj de magnetorezista memoro, anstataŭ ringoj, du tavoloj de feromagneto estas uzataj, apartigitaj per dielektriko. Unu tavolo estas permanenta magneto, kaj la dua ŝanĝas la direkton de magnetigo. Legi iom el tia ĉelo signifas mezuri la reziston dum pasado de kurento: se la tavoloj estas magnetigitaj en kontraŭaj direktoj, tiam la rezisto estas pli granda kaj tio estas ekvivalenta al la valoro "1".
Ferritmemoro ne postulas konstantan energifonton konservi la registritajn informojn, tamen, la magneta kampo de la ĉelo povas influi la "najbaron", kiu trudas limigon al la cirkvito-kompaktado.
Laŭ SSD-diskoj bazitaj sur Flash-memoro sen potenco devas konservi informojn dum almenaŭ tri monatoj ĉe ĉirkaŭa temperaturo de 40 °C. Desegnita de Intel promesas konservi datumojn dum dek jaroj je 200°C.
Malgraŭ la komplekseco de evoluo, magnetorezista memoro ne degradas dum uzo kaj havas la plej bonan efikecon inter aliaj specoj de memoro, kio ne permesas al ĉi tiu speco de memoro esti forigita.
Memoro pri fazoŝanĝo
La tria esperiga speco de memoro estas memoro bazita sur fazŝanĝo. Ĉi tiu speco de memoro uzas la trajtojn de kalkogenidoj por ŝanĝi inter kristalaj kaj amorfaj statoj kiam varmigite.
Kalkogenidoj — binaraj kunmetaĵoj de metaloj kun la 16-a grupo (6-a grupo de la ĉefa subgrupo) de la perioda tabelo. Ekzemple, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM kaj Blu-radiaj diskoj uzas germanioteluridon (GeTe) kaj antimono (III) teluridon (Sb2Te3).
Esplorado pri la uzo de faztransiro por informstokado estis aranĝita en 1960-aj jaroj jaro de Stanford Ovshinsky, sed tiam ĝi ne venis al komerca efektivigo. En la 2000-aj jaroj, ekzistis renoviĝinta intereso en la teknologio, Samsung patentis teknologion kiu permesas bitŝanĝon en 5 ns, kaj Intel kaj STMicroelectronics pliigis la nombron da ŝtatoj al kvar, tiel duobligante la eblan kapaciton.
Kiam varmigita super la frostopunkto, kalkogenido perdas sian kristalan strukturon kaj, post malvarmiĝo, iĝas amorfa formo karakterizita per alta elektra rezisto. Siavice, kiam varmigite al temperaturo super la kristaliĝopunkto, sed sub la fandpunkto, la kalkogenido revenas al kristala stato kun malalta nivelo de rezisto.
Fazŝanĝa memoro ne postulas "reŝargadon" dum tempo, kaj ankaŭ ne estas sentema al radiado, male al elektre ŝargita memoro. Ĉi tiu speco de memoro povas reteni informojn dum 300 jaroj je temperaturo de 85 °C.
Oni kredas, ke la disvolviĝo de Intel-teknologio 3D Krucpunkto (3D XPoint) Ĝi uzas faztransirojn por stoki informojn. 3D XPoint estas uzata en Intel® Optane™ Memor-diskoj, kiuj laŭdire havas pli grandan eltenemon.
konkludo
La fizika dezajno de solidsubstancaj diskoj spertis multajn ŝanĝojn dum pli ol duonjarcento da historio, tamen ĉiu el la solvoj havas siajn malavantaĝojn. Malgraŭ la nekontestebla populareco de Flash-memoro, pluraj kompanioj, inkluzive de Samsung kaj Intel, esploras la eblecon krei memoron bazitan sur magnetaj momentoj.
Redukti ĉeluziĝon, kompaktigi ilin kaj pliigi la totalan kapaciton de la disko estas areoj kiuj estas nuntempe promesplenaj por la pluevoluigo de solidsubstancaj diskoj.
Vi povas testi la hodiaŭajn plej bonegajn NAND kaj 3D XPoint-diskojn nun en nia .
Ĉu vi pensas, ke teknologioj por konservi informojn pri elektraj ŝargoj estos anstataŭigitaj per aliaj, ekzemple kvarcaj diskoj aŭ optika memoro sur salaj nanokristaloj?
fonto: www.habr.com