Las partes anteriores de la serie "Introducción a SSD" contaron al lector sobre la historia de la aparición de las unidades SSD, las interfaces para interactuar con ellas y los factores de forma populares. La cuarta parte hablará sobre el almacenamiento de datos dentro de unidades.
En artículos anteriores de la serie:
El almacenamiento de datos en unidades de estado sólido se puede dividir en dos partes lógicas: almacenar información en una sola celda y organizar el almacenamiento de la celda.
Cada celda de una unidad de estado sólido almacena uno o más bits de información. Se utilizan varios tipos de información para almacenar información. procesos fisicos. Al desarrollar unidades de estado sólido, se consideraron las siguientes cantidades físicas para codificar información:
- cargas eléctricas (incluida la memoria Flash);
- momentos magnéticos (memoria magnetorresistiva);
- estados de fase (memoria con cambio de estado de fase).
Memoria basada en cargas eléctricas.
Codificar información utilizando una carga negativa implica varias soluciones:
- ROM borrable por ultravioleta (EPROM);
- ROM borrable eléctricamente (EEPROM);
- Memoria flash.
Cada celda de memoria es portón flotante MOSFET, que almacena una carga negativa. Su diferencia con un transistor MOS convencional es la presencia de una puerta flotante, un conductor, en la capa dieléctrica.
Cuando se crea una diferencia de potencial entre el drenaje y la fuente y hay un potencial positivo en la compuerta, la corriente fluirá de la fuente al drenaje. Sin embargo, si hay una diferencia de potencial suficientemente grande, algunos electrones “atraviesan” la capa dieléctrica y terminan en la puerta flotante. Este fenómeno se llama .
Una compuerta flotante cargada negativamente crea un campo eléctrico que impide que la corriente fluya desde la fuente al drenaje. Además, la presencia de electrones en la puerta flotante aumenta el voltaje umbral al que se enciende el transistor. Con cada "escritura" en la puerta flotante del transistor, la capa dieléctrica se daña ligeramente, lo que impone un límite en el número de ciclos de reescritura de cada celda.
Los MOSFET de puerta flotante fueron desarrollados por Dawon Kahng y Simon Min Sze en Bell Labs en 1967. Posteriormente, al estudiar defectos en circuitos integrados, se observó que debido a la carga en la puerta flotante, el voltaje umbral que abre el transistor cambiaba. Este descubrimiento impulsó a Dov Frohman a empezar a trabajar en la memoria basándose en este fenómeno.
Cambiar el voltaje umbral le permite "programar" los transistores. Los transistores de puerta flotante no se encenderán cuando el voltaje de la puerta sea mayor que el voltaje umbral para un transistor sin electrones, pero menor que el voltaje umbral para un transistor con electrones. Llamemos a este valor voltaje de lectura.
Memoria de solo lectura programable borrable
En 1971, el empleado de Intel, Dov Frohman, creó una memoria regrabable basada en transistores llamada Memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM). La grabación en la memoria se realizó mediante un dispositivo especial: un programador. El programador aplica un voltaje más alto al chip que el que se usa en los circuitos digitales, "escribiendo" electrones en las puertas flotantes de los transistores cuando sea necesario.
La memoria EPROM no estaba destinada a limpiar eléctricamente las puertas flotantes de los transistores. En lugar de ello, se propuso exponer los transistores a una intensa luz ultravioleta, cuyos fotones darían a los electrones la energía necesaria para escapar de la puerta flotante. Para permitir que la luz ultravioleta penetre profundamente en el chip, se añadió vidrio de cuarzo a la carcasa.
Froman presentó por primera vez su prototipo EPROM en febrero de 1971 en una conferencia de circuitos integrados de estado sólido en Filadelfia. Gordon Moore recordó la demostración: “Dov demostró el patrón de bits en las celdas de memoria EPROM. Cuando las células fueron expuestas a la luz ultravioleta, los bits desaparecieron uno por uno hasta que el desconocido logotipo de Intel se borró por completo. … Los ritmos desaparecieron, y cuando desapareció el último, todo el público 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 memoria de solo lectura (ROM) "desechables" utilizados anteriormente, pero la capacidad de reprogramar le permite depurar circuitos más rápido y reducir el tiempo que lleva desarrollar nuevo hardware.
La reprogramación de ROM con luz ultravioleta supuso un avance importante, sin embargo, la idea de la reescritura eléctrica ya estaba en el aire.
Eléctricamente programable y borrable memoria de sólo lectura
En 1972, tres japoneses: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Nagai introdujeron la primera memoria de sólo lectura borrable eléctricamente (EEPROM o E2PROM). Posteriormente, sus investigaciones científicas pasarán a formar parte de patentes para implementaciones comerciales de memoria EEPROM.
Cada celda de memoria EEPROM consta de varios transistores:
- transistor de puerta flotante para almacenamiento de bits;
- Transistor para controlar el modo de lectura y escritura.
Este diseño complica enormemente el cableado del circuito eléctrico, por lo que se utilizó la memoria EEPROM en los casos en que una pequeña cantidad de memoria no era crítica. La EPROM todavía se utilizaba para almacenar grandes cantidades de datos.
Memoria flash
La memoria flash, que combina las mejores características de EPROM y EEPROM, fue desarrollada por el profesor japonés Fujio Masuoka, ingeniero de Toshiba, en 1980. El primer desarrollo se llamó memoria NOR Flash y, al igual que sus predecesores, se basa en MOSFET de puerta flotante.
La memoria flash NOR es una matriz bidimensional de transistores. Las puertas de los transistores están conectadas a la línea de palabras y los drenajes están conectados a la línea de bits. Cuando se aplica voltaje a la línea de palabras, los transistores que contienen electrones, es decir, que almacenan "uno", no se abrirán y la corriente no fluirá. En función de la presencia o ausencia de corriente en la línea de bits, se llega a una conclusión sobre el valor del bit.
Siete años después, Fujio Masuoka desarrolló la memoria NAND Flash. Este tipo de memoria se diferencia en la cantidad de transistores en la línea de bits. En la memoria NOR, cada transistor está conectado directamente a una línea de bits, mientras que en la memoria NAND, los transistores están conectados en serie.
Leer de la memoria esta configuración es más difícil: el voltaje requerido para la lectura se aplica a la línea necesaria de la palabra y el voltaje se aplica a todas las demás líneas de la palabra, lo que abre el transistor independientemente del nivel de carga en él. Dado que se garantiza que todos los demás transistores estarán abiertos, la presencia de voltaje en la línea de bits depende solo de un transistor al que se aplica el voltaje leído.
La invención de la memoria NAND Flash permite comprimir significativamente el circuito, colocando más memoria en el mismo tamaño. Hasta 2007, la capacidad de memoria se incrementaba reduciendo el proceso de fabricación del chip.
En 2007, Toshiba presentó una nueva versión de memoria NAND: NAND vertical (V-NAND), también conocido como 3D NAND. Esta tecnología pone énfasis en colocar transistores en múltiples capas, lo que nuevamente permite circuitos más densos y una mayor capacidad de memoria. Sin embargo, la compactación del circuito no se puede repetir indefinidamente, por lo que se han explorado otros métodos para aumentar la capacidad de almacenamiento.
Inicialmente, cada transistor almacenaba dos niveles de carga: cero lógico y uno lógico. Este enfoque se llama Celda de un solo nivel (SLC). Las unidades con esta tecnología son muy confiables y tienen un número máximo de ciclos de reescritura.
Con el tiempo, se decidió aumentar la capacidad de almacenamiento a expensas de la resistencia al desgaste. Entonces, el número de niveles de carga en una celda es de hasta cuatro, y la tecnología se llamó Celda multinivel (MLC). Luego vino Celda de triple nivel (TLC) и Celda de cuatro niveles (QLC). Habrá un nuevo nivel en el futuro. Celda de pentanivel (PLC) con cinco bits por celda. Cuantos más bits quepan en una celda, mayor será la capacidad de almacenamiento al mismo costo, pero menor será la resistencia al desgaste.
La compactación del circuito mediante la reducción del proceso técnico y el aumento del número de bits en un transistor afecta negativamente a los datos almacenados. A pesar de que EPROM y EEPROM utilizan los mismos transistores, EPROM y EEPROM pueden almacenar datos sin energía durante diez años, mientras que la memoria Flash moderna puede "olvidarse" de todo después de un año.
El uso de la memoria Flash en la industria espacial es difícil porque la radiación tiene un efecto perjudicial sobre los electrones en las puertas flotantes.
Estos problemas impiden que la memoria Flash se convierta en líder indiscutible en el campo del almacenamiento de información. A pesar de que las unidades basadas en memoria Flash están muy extendidas, se están investigando otros tipos de memoria que no presentan estos inconvenientes, incluido el almacenamiento de información en momentos magnéticos y estados de fase.
Memoria magnetorresistiva
La codificación de información con momentos magnéticos apareció en 1955 en forma de memoria en núcleos magnéticos. Hasta mediados de la década de 1970, la memoria de ferrita era el principal tipo de memoria. Leer un poco de este tipo de memoria provocaba la desmagnetización del anillo y la pérdida de información. Por lo tanto, después de leer un poco, hubo que volver a escribirlo.
En los desarrollos modernos de memoria magnetorresistiva, en lugar de anillos, se utilizan dos capas de ferroimán, separadas por un dieléctrico. Una capa es un imán permanente y la segunda cambia la dirección de magnetización. Leer un poco de una celda de este tipo se reduce a medir la resistencia al paso de la corriente: si las capas están magnetizadas en direcciones opuestas, entonces la resistencia es mayor y esto equivale al valor "1".
La memoria de ferrita no requiere una fuente de energía constante para mantener la información registrada, sin embargo, el campo magnético de la celda puede influir en el "vecino", lo que impone una limitación a la compactación del circuito.
según Las unidades SSD basadas en memoria Flash sin alimentación deben conservar la información durante al menos tres meses a una temperatura ambiente de 40°C. Diseñado por Intel promete almacenar datos durante diez años a 200°C.
A pesar de la complejidad del desarrollo, la memoria magnetorresistiva no se degrada durante el uso y tiene el mejor rendimiento entre otros tipos de memoria, lo que no permite cancelar este tipo de memoria.
Memoria de cambio de fase
El tercer tipo de memoria prometedor es la memoria basada en el cambio de fase. Este tipo de memoria utiliza las propiedades de los calcogenuros para cambiar entre estados cristalinos y amorfos cuando se calientan.
calcogenuros — compuestos binarios de metales del grupo 16 (sexto grupo del subgrupo principal) de la tabla periódica. Por ejemplo, los discos CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM y Blu-ray utilizan telururo de germanio (GeTe) y telururo de antimonio (III) (Sb6Te2).
La investigación sobre el uso de la transición de fase para el almacenamiento de información se llevó a cabo en Década de 1960 año por Stanford Ovshinsky, pero luego no llegó a la implementación comercial. En la década de 2000, hubo un renovado interés en la tecnología, Samsung patentó una tecnología que permite la conmutación de bits en 5 ns, e Intel y STMicroelectronics aumentaron el número de estados a cuatro, duplicando así la capacidad posible.
Cuando se calienta por encima del punto de fusión, el calcogenuro pierde su estructura cristalina y, al enfriarse, adquiere una forma amorfa caracterizada por una alta resistencia eléctrica. A su vez, cuando se calienta a una temperatura superior al punto de cristalización, pero inferior al punto de fusión, el calcogenuro vuelve a un estado cristalino con un bajo nivel de resistencia.
La memoria de cambio de fase no requiere “recarga” con el tiempo y tampoco es susceptible a la radiación, a diferencia de la memoria cargada eléctricamente. Este tipo de memoria puede retener información durante 300 años a una temperatura de 85°C.
Se cree que el desarrollo de la tecnología Intel. Punto de cruce 3D (3D XPoint) Utiliza transiciones de fase para almacenar información. 3D XPoint se utiliza en las unidades de memoria Intel® Optane™, que supuestamente tienen una mayor resistencia.
Conclusión
El diseño físico de las unidades de estado sólido ha sufrido muchos cambios a lo largo de más de medio siglo de historia, sin embargo, cada una de las soluciones tiene sus inconvenientes. A pesar de la innegable popularidad de la memoria Flash, varias empresas, incluidas Samsung e Intel, están explorando la posibilidad de crear memoria basada en momentos magnéticos.
Reducir el desgaste de las células, compactarlas y aumentar la capacidad total del disco son áreas que actualmente son prometedoras para el futuro desarrollo de los discos de estado sólido.
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¿Cree que las tecnologías de almacenamiento de información sobre cargas eléctricas serán sustituidas por otras, por ejemplo, discos de cuarzo o memorias ópticas sobre nanocristales de sal?
Fuente: habr.com