Sarja “Sissejuhatus SSD-sse” eelmised osad rääkisid lugejale SSD-draivide tekkimise ajaloost, nendega suhtlemise liidestest ja populaarsetest vormiteguritest. Neljandas osas räägitakse andmete salvestamisest draividesse.
Sarja varasemates artiklites:
Andmete salvestamine pooljuhtdraivides võib jagada kaheks loogiliseks osaks: teabe salvestamine ühte lahtrisse ja raku salvestamise korraldamine.
Iga pooljuhtdraivi lahter salvestab üks või mitu teabebitti. Teabe salvestamiseks kasutatakse erinevat tüüpi teavet. füüsikalised protsessid. Tahkisdraivide väljatöötamisel võeti teabe kodeerimiseks arvesse järgmisi füüsilisi suurusi:
- elektrilaengud (sh välkmälu);
- magnetmomendid (magnetoresistiivne mälu);
- faasiseisundid (mälu koos faasiseisundi muutusega).
Elektrilaengutel põhinev mälu
Teabe kodeerimine negatiivse laenguga on mitme lahenduse aluseks:
- ultraviolettkiirgusega kustutatav ROM (EPROM);
- elektriliselt kustutatav ROM (EEPROM);
- Välkmälu.
Iga mälurakk on ujuvvärav MOSFET, mis salvestab negatiivse laengu. Selle erinevus tavalisest MOS-transistorist on ujuvvärava olemasolu - dielektrilise kihi juht.
Kui äravoolu ja allika vahel tekib potentsiaalide erinevus ja väravas on positiivne potentsiaal, liigub vool allikast äravoolu. Piisavalt suure potentsiaalide erinevuse korral aga "murravad" osa elektronid dielektrikihist läbi ja satuvad ujuvväravasse. Seda nähtust nimetatakse .
Negatiivse laenguga ujuvvärav loob elektrivälja, mis ei lase voolul allikast äravoolu voolata. Veelgi enam, elektronide olemasolu ujuvväravas suurendab lävipinget, mille juures transistor sisse lülitub. Iga transistori ujuvväravale "kirjutamisega" kahjustatakse dielektrilist kihti veidi, mis seab piirangu iga elemendi ümberkirjutustsüklite arvule.
Ujuva väravaga MOSFET-id töötasid välja Dawon Kahng ja Simon Min Sze Bell Labsis 1967. aastal. Hiljem integraallülituste defekte uurides jäi silma, et ujuvvärava laengu tõttu muutus transistori avav lävipinge. See avastus ajendas Dov Frohmani sellel nähtusel põhineva mälu kallal töötama.
Lävipinge muutmine võimaldab teil transistore "programmeerida". Ujuvvärava transistorid ei lülitu sisse, kui paisu pinge on suurem kui elektronideta transistori lävipinge, kuid väiksem kui elektronidega transistori lävipinge. Nimetagem seda väärtust lugemispinge.
Kustutav programmeeritav kirjutuskaitstud mälu
1971. aastal lõi Inteli töötaja Dov Frohman transistoripõhise ümberkirjutatava mälu nn. Kustutav programmeeritav kirjutuskaitstud mälu (EPROM). Mällu salvestamine viidi läbi spetsiaalse seadme - programmeerija abil. Programmeerija rakendab kiibile kõrgemat pinget, kui seda kasutatakse digitaalsetes ahelates, “kirjutades” seeläbi elektrone, kus vaja, transistoride ujuvväravatele.
EPROM-mälu ei olnud mõeldud transistoride ujuvväravate elektriliseks puhastamiseks. Selle asemel tehti ettepanek panna transistorid kokku tugeva ultraviolettvalgusega, mille footonid annaksid elektronidele ujuvväravast pääsemiseks vajaliku energia. Et ultraviolettvalgus saaks sügavale kiibi tungida, lisati korpusele kvartsklaas.
Froman esitles oma EPROM-i prototüüpi esmakordselt 1971. aasta veebruaris Philadelphias toimunud tahkis-IC konverentsil. Gordon Moore meenutas demonstratsiooni: „Dov demonstreeris EPROM-i mälurakkude bitimustrit. Kui rakud puutusid kokku ultraviolettvalgusega, kadusid bitid ükshaaval, kuni võõras Inteli logo täielikult kustutati. … Biidid kadusid ja kui viimane kadus, puhkes kogu publik aplausi. Dovi artikkel tunnistati konverentsil parimaks. — Artikli tõlge
EPROM-mälu on kallim kui varem kasutatud "ühekordselt kasutatavad" kirjutuskaitstud mälu (ROM) seadmed, kuid ümberprogrammeerimise võimalus võimaldab teil ahelaid kiiremini siluda ja vähendada uue riistvara arendamiseks kuluvat aega.
ROMide ümberprogrammeerimine ultraviolettvalgusega oli märkimisväärne läbimurre, kuid elektrilise ümberkirjutamise idee oli juba õhus.
Elektriliselt kustutatav programmeeritav kirjutuskaitstud mälu
1972. aastal tutvustasid kolm jaapanlast: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi ja Kiyoko Nagai esimest elektriliselt kustutatavat kirjutuskaitstud mälu (EEPROM või E2PROM). Hiljem saavad nende teadusuuringud osaks EEPROM-i mälu kaubanduslike rakenduste patentidest.
Iga EEPROM-i mäluelement koosneb mitmest transistorist:
- ujuvvärava transistor bittide salvestamiseks;
- transistor lugemis-kirjutusrežiimi juhtimiseks.
See konstruktsioon muudab elektriahela juhtmestiku oluliselt keerulisemaks, seetõttu kasutati EEPROM-mälu juhtudel, kui väike mälumaht ei olnud kriitiline. EPROM-i kasutati endiselt suurte andmemahtude salvestamiseks.
Välkmälu
Välkmälu, mis ühendab EPROM-i ja EEPROM-i parimad omadused, töötas välja Jaapani professor Fujio Masuoka, Toshiba insener, 1980. aastal. Esimest arendust nimetati NOR Flash mäluks ja see põhineb sarnaselt eelkäijatele ujuva väravaga MOSFET-idega.
NOR välkmälu on kahemõõtmeline transistoride massiiv. Transistoride väravad on ühendatud sõnaliiniga ja äravoolud on ühendatud bitiliiniga. Kui sõnaliinile rakendatakse pinget, ei avane elektrone sisaldavad transistorid, st "ühe" salvestavad transistorid ja vool ei voola. Bitiliini voolu olemasolu või puudumise põhjal tehakse järeldus biti väärtuse kohta.
Seitse aastat hiljem töötas Fujio Masuoka välja NAND-välkmälu. Seda tüüpi mälu erineb bitiliini transistoride arvu poolest. NOR-mälus on iga transistor otse ühendatud bitiliiniga, NAND-mälus on aga transistorid ühendatud järjestikku.
Selle konfiguratsiooni mälust lugemine on keerulisem: lugemiseks vajalik pinge rakendatakse sõna vajalikule reale ja pinge kõigile teistele sõnaridadele, mis avab transistori sõltumata selle laengu tasemest. Kuna kõik teised transistorid on garanteeritud avatud, sõltub pinge olemasolu bitiliinil ainult ühest transistorist, millele lugemispinge rakendatakse.
NAND-välkmälu leiutamine võimaldab vooluringi oluliselt tihendada, paigutades samasse suurusse rohkem mälu. Kuni 2007. aastani suurendati mälumahtu, vähendades kiibi tootmisprotsessi.
2007. aastal tutvustas Toshiba NAND-mälu uut versiooni: Vertikaalne NAND (V-NAND), tuntud ka kui 3D NAND. See tehnoloogia paneb rõhku transistoride paigutamisele mitmesse kihti, mis võimaldab jällegi tihedamat vooluringi ja suuremat mälumahtu. Ahela tihendamist ei saa aga lõputult korrata, seetõttu on mälumahu suurendamiseks uuritud teisi meetodeid.
Algselt salvestas iga transistor kaks laengutaset: loogiline null ja loogiline üks. Seda lähenemist nimetatakse Ühetasandiline rakk (SLC). Selle tehnoloogiaga draivid on väga töökindlad ja neil on maksimaalne arv ümberkirjutamistsükleid.
Aja jooksul otsustati salvestusmahtu suurendada kulumiskindluse arvelt. Seega on elemendi laengutasemete arv kuni neli ja tehnoloogia kutsuti välja Mitmetasandiline rakk (MLC). Edasi tuli Kolmetasandiline rakk (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). Tulevikus on uus tase - Penta-Level Cell (PLC) viie bitiga raku kohta. Mida rohkem bitte ühte lahtrisse mahub, seda suurem on mälumaht sama kulu juures, kuid seda väiksem on kulumiskindlus.
Skeemi tihendamine, vähendades tehnilist protsessi ja suurendades bittide arvu ühes transistoris, mõjutab salvestatud andmeid negatiivselt. Vaatamata asjaolule, et EPROM ja EEPROM kasutavad samu transistore, suudavad EPROM ja EEPROM salvestada andmeid ilma vooluta kümme aastat, samas kui tänapäevane välkmälu võib aasta pärast kõik “unustada”.
Välkmälu kasutamine kosmosetööstuses on keeruline, kuna kiirgus avaldab kahjulikku mõju ujuvväravates olevatele elektronidele.
Need probleemid takistavad välkmälu saamast teabe salvestamise valdkonnas vaieldamatuks liidriks. Hoolimata asjaolust, et välkmällul põhinevad draivid on laialt levinud, on käimas uuringud ka teist tüüpi mälude kohta, millel neid puudusi pole, sealhulgas teabe salvestamiseks magnetmomentides ja faasiolekutes.
Magnetoresistiivne mälu
Magnetmomentidega teabe kodeerimine ilmus 1955. aastal mälu kujul magnetsüdamikele. Kuni 1970. aastate keskpaigani oli ferriitmälu peamine mälutüüp. Seda tüüpi mälust natukene lugemine viis rõnga demagnetiseerumiseni ja teabe kadumiseni. Seega, pärast natuke lugemist, tuli see tagasi kirjutada.
Magnetoresistiivse mälu kaasaegsetes arendustes kasutatakse rõngaste asemel kahte ferromagneti kihti, mis on eraldatud dielektrikuga. Üks kiht on püsimagnet ja teine muudab magnetiseerimise suunda. Sellisest rakust natukene lugemine taandub voolu läbimise takistuse mõõtmisele: kui kihid on magnetiseeritud vastassuundades, on takistus suurem ja see võrdub väärtusega “1”.
Ferriitmälu ei vaja salvestatud teabe säilitamiseks pidevat toiteallikat, kuid raku magnetväli võib mõjutada "naabrit", mis seab ahela tihendamise piirangu.
Vastavalt Ilma toiteta välkmälupõhised SSD-draivid peavad ümbritseva õhu temperatuuril 40 °C säilitama teavet vähemalt kolm kuud. Disainitud Inteli poolt lubab andmeid säilitada kümme aastat 200°C juures.
Hoolimata arenduse keerukusest ei halvene magnetoresistiivne mälu kasutamise ajal ja sellel on teiste mälutüüpide seas parim jõudlus, mis ei võimalda seda tüüpi mälu maha kanda.
Faasimuutuse mälu
Kolmas paljutõotav mälutüüp on faasimuutusel põhinev mälu. Seda tüüpi mälu kasutab kuumutamisel kalkogeniidide omadusi kristalse ja amorfse oleku vahel vahetamiseks.
Kalkogeniidid — perioodilisuse tabeli 16. rühmaga (peamise alarühma 6. rühm) metallide binaarsed ühendid. Näiteks CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM ja Blu-ray kettad kasutavad germaaniumtelluriidi (GeTe) ja antimon (III) telluriidi (Sb2Te3).
Uurimused faasisiirde kasutamise kohta teabe salvestamiseks viidi läbi aastal 1960. aastad aastal Stanford Ovshinsky poolt, kuid siis ei jõudnud see kommertsrakenduseni. 2000. aastatel tekkis tehnoloogia vastu taas huvi, Samsung patenteeris tehnoloogia, mis võimaldab bitivahetust 5 ns jooksul ning Intel ja STMicroelectronics suurendasid olekute arvu neljani, kahekordistades sellega võimalikku võimsust.
Üle sulamistemperatuuri kuumutamisel kaotab kalkogeniid oma kristalse struktuuri ja muutub jahutamisel amorfseks vormiks, mida iseloomustab kõrge elektritakistus. Kuumutamisel temperatuurini, mis on kõrgem kui kristalliseerumistemperatuur, kuid alla sulamistemperatuuri, läheb kalkogeniid omakorda tagasi kristallilisse olekusse, millel on madal takistus.
Faasimuutusmälu ei vaja aja jooksul uuesti laadimist ja erinevalt elektriliselt laetud mälust ei ole see ka kiirgusele vastuvõtlik. Seda tüüpi mälu suudab säilitada teavet 300 aastat temperatuuril 85 °C.
Arvatakse, et Inteli tehnoloogia areng 3D ristpunkt (3D XPoint) See kasutab teabe salvestamiseks faasisiirdeid. 3D XPoint kasutatakse Intel® Optane™ mäludraivides, millel väidetavalt on suurem vastupidavus.
Järeldus
Tahkisketaste füüsiline disain on enam kui poole sajandi ajaloo jooksul läbi teinud palju muutusi, kuid igal lahendusel on omad puudused. Vaatamata välkmälu vaieldamatule populaarsusele uurivad mitmed ettevõtted, sealhulgas Samsung ja Intel, võimalust luua magnetmomentidel põhinevat mälu.
Elementide kulumise vähendamine, nende tihendamine ja draivi üldise võimsuse suurendamine on valdkonnad, mis on praegu pooljuhtketaste edasiarenduseks paljulubavad.
Tänapäeva lahedamaid NAND- ja 3D XPoint-draive saate testida meie lehel .
Kas arvate, et elektrilaengute kohta teabe salvestamise tehnoloogiad asendatakse teistega, näiteks kvartskettad või optiline mälu soola nanokristallidel?
Allikas: www.habr.com