Las partes anteriores del ciclo "Introducción a los SSD" informaron al lector sobre la historia de los discos de estado sólido, las interfaces de interacción con ellos y los formatos populares. La cuarta parte hablará sobre el almacenamiento de datos dentro de los dispositivos.
En los artículos anteriores del ciclo:
El almacenamiento de datos en unidades de estado sólido se puede dividir en dos partes lógicas: el almacenamiento de información en una celda y la organización del almacenamiento de celdas.
Cada celda de un disco de estado sólido almacena uno o varios bits de información. Para almacenar información se utilizan varios procesos físicos. Durante el desarrollo de los discos de estado sólido se trabajó con las siguientes magnitudes físicas para la codificación de información:
- cargas eléctricas （incluida la memoria Flash）;
- momentos magnéticos （memoria magnetoresistiva）；
- estados de fase （memoria con cambio de estado de fase）.
Memoria basada en cargas eléctricas
La codificación de información mediante carga negativa es la base de varias soluciones:
- EPROM borrable por ultravioleta;
- EEPROM borrable eléctricamente;
- memoria Flash.
Cada celda de memoria es un transistor MOSFET de tipo campo con puerta flotante, en el que se almacena carga negativa. Su diferencia con un transistor MOSFET normal radica en la presencia de una puerta flotante — conductor en una capa de dieléctrico.
Al crear una diferencia de potencial entre el drenaje y la fuente, y tener un potencial positivo en la puerta, fluirá corriente desde la fuente hacia el drenaje. Sin embargo, al existir una diferencia de potencial suficientemente grande, algunos electrones "rompen" la capa de dieléctrico y se encuentran en la puerta flotante. Este fenómeno se llama .
La puerta flotante negativamente cargada crea un campo eléctrico que dificulta el flujo de corriente desde la fuente al drenaje. Además, la presencia de electrones en la puerta flotante incrementa el voltaje umbral al que se activa el transistor. En cada "escritura" en la puerta flotante del transistor, la capa de dieléctrico se daña levemente, lo que impone una limitación en la cantidad de ciclos de reescritura de cada celda.
Los transistores MOS de puerta flotante fueron desarrollados por Dawon Kahng y Simon Min Sze de Bell Labs en 1967. Posteriormente, al investigar los defectos en los circuitos integrados, se observó que, debido a la carga en la puerta flotante, el voltaje umbral que activa el transistor había cambiado. Este descubrimiento llevó a Dov Frohman a comenzar a trabajar en memorias basadas en este fenómeno.
El cambio en el voltaje umbral permite "programar" transistores. Los transistores con carga en la puerta flotante no se activarán al aplicar un voltaje en la puerta superior al voltaje umbral para un transistor sin electrones, pero inferior al voltaje umbral para un transistor con electrones. Llamemos a este valor voltaje de lectura.
Memoria de Solo Lectura Programable y Borrable
En 1971, un empleado de Intel, Dov Frohman, creó una memoria regrabable en transistores, llamada Memoria de Solo Lectura Programable y Borrable (EPROM). La escritura en la memoria se realizaba mediante un dispositivo especial: un programador. El programador aplica un voltaje más alto al chip que el que se utiliza en los circuitos digitales, lo que "graba" electrones en las puertas flotantes de los transistores donde sea necesario.
En la memoria EPROM, no se preveía limpiar las puertas flotantes de los transistores por medios eléctricos. En cambio, se proponía afectar a los transistores mediante una intensa radiación ultravioleta, cuyos fotones dotan a los electrones de la energía necesaria para abandonar la puerta flotante. Para permitir que la radiación ultravioleta penetre en el chip, se añadió vidrio de cuarzo al encapsulado.
Frohman presentó por primera vez su prototipo de EPROM en febrero de 1971 en una conferencia sobre circuitos integrados sólidos en Filadelfia. Gordon Moore recordó la demostración: "Dov presentó un patrón de bits en las celdas de memoria EPROM. Cuando las celdas eran expuestas a la luz ultravioleta, los bits desaparecían uno a uno, hasta que el logotipo familiar de Intel se borró por completo. ... Los bits se desvanecían, y cuando el último desapareció, todo el auditorio estalló en aplausos. El artículo de Dov fue reconocido como el mejor de la conferencia." — Traducción del artículo
La memoria EPROM es más cara que los dispositivos de almacenamiento permanente "desechables" (ROM) utilizados anteriormente; sin embargo, la posibilidad de reprogramarla permite depurar circuitos más rápidamente y acortar el tiempo de desarrollo de nuevo hardware.
La reprogramación de la ROM mediante luz ultravioleta fue un avance significativo, sin embargo, la idea de reescritura eléctrica ya estaba "en el aire".
Memoria de Solo Lectura Programable Electrónicamente Borrable
En 1972, tres japoneses: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Nagai presentaron el primer dispositivo de almacenamiento de memoria no volátil borrable eléctricamente (Memoria de Solo Lectura Programable Electrónicamente Borrable, EEPROM o E2PROM). Más tarde, sus investigaciones se convertirían en parte de las patentes para las implementaciones comerciales de la memoria EEPROM.
Cada celda de memoria EEPROM consiste en varios transistores:
- un transistor con puerta flotante para almacenar un bit;
- un transistor para controlar el modo de lectura/escritura.
Este diseño complica en gran medida el cableado del circuito eléctrico, por lo que la memoria EEPROM se utilizaba en casos donde un pequeño volumen de memoria no era crítico. Para almacenar grandes volúmenes de datos, todavía se utilizaba la EPROM.
Memoria Flash
La memoria Flash, que combina las mejores características de la EPROM y EEPROM, fue desarrollada por el profesor japonés Fujio Masuoka, ingeniero de Toshiba, en 1980. El primer desarrollo se denominó memoria Flash tipo NOR y, al igual que sus predecesores, se basa en transistores MOS de efecto de campo con puerta flotante.
La memoria Flash tipo NOR es una matriz de transistores bidimensional. Las puertas de los transistores están conectadas a la línea de palabras, mientras que los drenajes se conectan a la línea de bits. Al aplicar voltaje en la línea de palabras, los transistores que contienen electrones, es decir, que almacenan "uno", no se abrirán y no fluirá corriente. La presencia o ausencia de corriente en la línea de bits indica el valor del bit.
Siete años después, Fujio Masuoka desarrolló la memoria Flash tipo NAND. Este tipo de memoria se distingue por la cantidad de transistores en la línea de bits. En la memoria tipo NOR, cada transistor está conectado directamente a la línea de bits, mientras que en la memoria NAND, los transistores están conectados en serie.
La lectura desde la memoria de tal configuración es más complicada: se aplica un voltaje necesario para la lectura a la línea correspondiente, mientras que a todas las demás líneas se les aplica un voltaje que activa el transistor sin importar el nivel de carga en él. Dado que todos los demás transistores están garantizados que están abiertos, la presencia de voltaje en la línea de bits depende únicamente de un transistor al que se le ha aplicado el voltaje de lectura.
La invención de la memoria Flash tipo NAND permite aumentar significativamente la densidad del circuito, colocando un volumen mayor de memoria en las mismas dimensiones. Hasta 2007, el volumen de memoria se incrementaba mediante la reducción del proceso de fabricación del chip.
En 2007, la empresa Toshiba presentó una nueva versión de la memoria NAND: Vertical NAND (V-NAND), también conocida como 3D NAND. En esta tecnología se hace hincapié en la colocación de transistores en varias capas, lo que nuevamente permite aumentar la densidad del circuito y aumentar la capacidad de memoria. Sin embargo, la compactación del circuito no puede repetirse indefinidamente, por lo que se investigaron otros métodos para aumentar el volumen de memoria almacenada.
Inicialmente, cada transistor almacenaba dos niveles de carga: cero lógico y uno lógico. Este enfoque se denomina Single-Level Cell (SLC). Los dispositivos con esta tecnología se caracterizan por una alta fiabilidad y un máximo número de ciclos de reescritura.
Con el tiempo, se decidió aumentar el volumen de los dispositivos a costa de la resistencia al desgaste. Así, el número de niveles de carga en la celda aumentó a cuatro, y la tecnología se denominó Multi-Level Cell (MLC). Luego aparecieron Triple-Level Cell (TLC) y Quad-Level Cell (QLC). En el futuro, habrá un nuevo nivel — Penta-Level Cell (PLC) con cinco bits en una celda. Cuantos más bits se pueden colocar en una celda, mayor será el volumen del dispositivo a mismo costo, pero menor será la resistencia al desgaste.
La compactación del circuito mediante la reducción del proceso tecnológico y el aumento del número de bits en un transistor afecta negativamente a los datos almacenados. A pesar de que en EPROM y EEPROM se utilizan los mismos transistores, EPROM y EEPROM pueden almacenar datos sin alimentación durante diez años, mientras que la memoria Flash moderna puede "olvidar" todo ya a los seis meses.
El uso de la memoria Flash en la industria espacial es problemático, ya que la radiación afecta negativamente a los electrones en los transistores flotantes.
Los problemas mencionados impiden que la memoria Flash se convierta en el líder indiscutible en el almacenamiento de información. A pesar de que los dispositivos basados en memoria Flash son ampliamente utilizados, se están investigando otros tipos de memoria que carecen de estas desventajas, entre los cuales se incluye el almacenamiento de información en momentos magnéticos y estados de fase.
Memoria magnetorresistiva
La codificación de información mediante momentos magnéticos surgió en 1955 como memoria en núcleos magnéticos. Hasta mediados de los años 70, la memoria de ferrita era el principal tipo de memoria. Leer un bit de este tipo de memoria provocaba la desmagnetización del anillo y la pérdida de información. Por lo tanto, después de leer un bit, era necesario volver a grabarlo.
En los desarrollos modernos de memoria magnetorresistiva, en lugar de anillos se utilizan dos capas de ferromagneto, separadas por un dieléctrico. Una capa es un imán permanente, y la otra cambia la dirección de su magnetización. Leer un bit de tal celda se reduce a medir la resistencia al pasar corriente: si las capas están magnetizadas en direcciones opuestas, la resistencia es mayor y esto equivale al valor de «1».
La memoria de ferrita no requiere una fuente de alimentación constante para mantener la información grabada; sin embargo, el campo magnético de la celda puede afectar al 'vecino', lo que limita la densidad del circuito.
Según Los discos SSD basados en memoria Flash deben conservar la información sin alimentación durante al menos tres meses a una temperatura ambiente de 40 °C. El desarrollado por Intel promete conservar los datos durante diez años a una temperatura de 200 °C.
A pesar de la complejidad de su desarrollo, la memoria magnetorresistiva no se degrada durante el uso y tiene un mejor rendimiento que otros tipos de memoria, lo que la convierte en una opción a tener en cuenta.
Memoria de cambio de fase
Un tercer tipo de memoria prometedora es la memoria basada en cambio de fase. Este tipo de memoria utiliza las propiedades de los halcógenos para alternar entre estados cristalinos y amorfos al calentarse.
Halcógenos — conexiones binarias de metales con el grupo 16 (grupo 6 de la subcategoría principal) de la tabla periódica de Mendeléyev. Por ejemplo, en discos CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM y Blu-ray se utilizan telururo de germanio (GeTe) y telururo de antimonio (III) (Sb2Te3).
Las investigaciones sobre la aplicación de la transición de fase para el almacenamiento de información se llevaron a cabo en los años 1960 , por Stanford Ovshinsky, pero entonces no se llegó a una implementación comercial. En los años 2000, surgió nuevamente el interés por la tecnología; Samsung patentó una tecnología que permite cambiar un bit en 5 ns, mientras que Intel y STMicroelectronics aumentaron el número de estados a cuatro, duplicando así la capacidad posible.
Al calentarse por encima del punto de fusión, el calcogenuro pierde su estructura cristalina y, al enfriarse, se convierte en una forma amorfa, caracterizada por su alta resistencia eléctrica. Por otro lado, al calentarse a una temperatura superior al punto de cristalización, pero inferior al punto de fusión, el calcogenuro regresa al estado cristalino con un bajo nivel de resistencia.
La memoria de cambio de fase no requiere 'recarga' con el tiempo y también es inmune a la radiación, a diferencia de la memoria basada en cargas eléctricas. Este tipo de memoria puede conservar información durante 300 años a una temperatura de 85 °C.
Se considera que el desarrollo de Intel, tecnología 3D Crosspoint (3D XPoint) utiliza precisamente transiciones de fase para almacenar información. 3D XPoint se utiliza en los dispositivos de memoria Intel® Optane™, que han sido anunciados con una mayor resistencia al desgaste.
Conclusión
El dispositivo físico de los unidades de estado sólido ha pasado por numerosos cambios en más de medio siglo de historia, sin embargo, cada una de las soluciones tiene sus desventajas. A pesar de la indiscutible popularidad de la memoria Flash, varias empresas, entre ellas Samsung e Intel, están trabajando en la posibilidad de crear memoria basada en momentos magnéticos.
La reducción del desgaste de las celdas, su compresión y el aumento de la capacidad total del dispositivo son las direcciones que actualmente son prometedoras para el desarrollo futuro de los unidades de estado sólido.
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¿Crees que la tecnología de almacenamiento de información en cargas eléctricas será desplazada por otras, como los discos de cuarzo o la memoria óptica en nanocristales de sal?
Fuente: habr.com
