🥇Sissejuhatus SSD-desse. Osa 4. Füüsiline

Eelnevates osades „Sissejuhatus SSD-desse“ on lugejat tutvustatud SSD-mäluseadmete ajaloo, nendega suhtlemiseks kasutatavate liideste ja populaarsete vormifaktoritega. Neljas osa käsitleb andmete salvestamist mäluseadmetes.

Eelmistes artiklites:

Andmete salvestamine tahkete mälude sees jaguneb kaheks loogiliseks osaks: teabe salvestamine ühes raku ja rakkude salvestamise korraldamine.

Iga tahkete mälude rakk salvestab ühe või mitu bitti teavet. Teabe salvestamiseks kasutatakse erinevaid füüsikalisi protsesse. Tahkete mälude väljatöötamisel töötati välja järgmised füüsikalised suurused teabe kodeerimiseks:

elektrilised laengud (sealhulgas Flash-mälu);
magnetilised momentid (magnetresistivne mälu);
faasilised olekud (faasi muutmise mälu).

Elektrilaengutel põhinev mälu

Teabe kodeerimine negatiivse laengu abil on aluseks mitmele lahendusele:

ultraviolettkiirguse abil kustutatav käsiraamat (EPROM);
elektriliselt kustutatav käsiraamat (EEPROM);
Flash-mälu.

Iga mälurakk on väljaanne MOSFET, millel on ujuv lüliti, kus hoitakse negatiivset laengut. Selle erinevus tavalistest MOSFET-idest seisneb ujuva lüliti olemasolus - juhtivaines dielektrilise kihi sees.

Potentsiaali erinevuse loomisel kanali ja allika vahel ning positiivse potentsiaali olemasolul ujuval lülitil voolab vool allikast kanali suunas. Kuid piisava potentsiaali erinevuse korral „torgivad” mõned elektronid dielektrikihi ja satuvad ujuvale lülitile. Seda nähtust nimetatakse tunneliefektiks..

Negatiivselt laetud ujuv lüliti loob elektrivälja, mis takistab voolu voolamist allikast kanali suunas. Veelgi enam, elektronite olemasolu ujuvas lülitis suurendab lävivoolu pinget, mille korral transistor avatakse. Iga „salvestuse” puhul ujuva lüliti transistoris dielektrikiri kahjustatakse veidi, mis seab piirangu iga raku ümberkirjutamise tsüklite arvule.

Käiguliste MOП-transistorite, millel on hõljuv lüliti, töötasid välja Dawon Kahng ja Simon Min Sze Bell Labsis 1967. aastal. Hiljem, uurides integreeritud ringkondade defekte, leiti, et hõljuval lülitil oleva laengu tõttu on muutunud transistorit avav lävepinge. See avastus ajendas Dov Frohmanni alustama uurimistööd selle nähtuse põhjal loodud mälu kallal.

Lävepinge muutmise kaudu on võimalik transistorite "programmeerimine". Hõljuva lülitiga transistorid ei avane, kui neile rakendatakse pinget, mis ületab lävepinget elektronide puudumisel, kuid jääb alla lävepinge, kui elektronid on kohal. Kutsume seda väärtust lugemispingeks.

Kustutatav programmeeritav ainult lugemiseks mälu

1971. aastal lõi Intel'i töötaja Dov Frohman ümberkirjutatava mälu transistorite põhjal, mida nimetati kustutatavaks programmeeritavaks ainult lugemiseks mäluks (EPROM). Mälu kirjutamine toimus spetsiaalse seadme - programmeerija - abil. Programmeerija rakendab kiibile kõrgemat pinget kui digitaalsetes ringkondades, "kirjutades" elektronid transistorite hõljuvatesse lülititesse seal, kus see on vajalik.

EPROM mälus ei olnud ette nähtud transistorite hõljuvate lülitite elektriline kustutamine. Selle asemel pakuti transistorite suhtes tugevat ultraviolettkiirgust, mille fotonid annavad elektronidele vajalikku energiat, et need hõljuvast lülitist lahkuda. Ultravioleti juurdepääsu tagamiseks kiibi sügavuses on korpusele lisatud kvartssklaas.

Frohman esitles oma EPROM prototüüpi esmakordselt 1971. aasta veebruaris Philadelphia tahke koostisosade konverentsil. Gordon Moore meenutas esitlust: "Dov demonstreeris bitimustrit EPROM mälu lahtrites. Kui ultraviolettvalgus mõjutas lahtritele, kadusid bitid ükshaaval, kuni tuntud Intel'i logo oli täielikult kustutatud. ... Bitid kadusid ja kui viimane neist kadus, plaksutas kogu publik." Dovi artikkel tunnistati konverentsi parimaks. — Artikli tõlge newsroom.intel.com

EPROM-mälu on kallim kui varem kasutatud «ühekordsed» püsivähemälu seadmed (PZU), kuid uuesti programmeerimise võimalus võimaldab skeemide kiiremat arendamist ja uue riistvara arendamise aega lühendada.

PZU elektriline ümberprogrammeermine ultraviolettvalguse abil oli märkimisväärne edusamm, kuid idee elektrilisest ümberkirjutamisest oli juba õhus.

Elektriliselt kustutatav programmeeritav ainult lugemiseks mälu

1972. aastal esitlesid kolm jaapanlast: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi ja Kiyoko Nagai esimest elektriliselt kustutatavat püsivähemälu (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM või E2PROM). Hiljem muutuvad nende teadusuuringud EEPROM-mälu kommertsteostuse patentide osaks.

Iga EEPROM-mälu lihtsalt koosneb mitmest transistorist:

ujukiga transistori bititeabe hoidmiseks;
eelneva režiimi juhtimiseks mõeldud transistor.

Tavapärane disain muudab elektriskeemide juhtimise keeruliseks, seetõttu kasutati EEPROM-mälu juhtudel, kui mälumaht ei olnud kriitilise tähtsusega. Suurte andmemahtude salvestamiseks kasutati endiselt EPROM-i.

Flash-mälu

Flash-mälu, mis ühendab EPROM-i ja EEPROM-i parimad omadused, töötati välja jaapani professor Fujio Masuoka, Toshiba insener, 1980. aastal. Esimene arendus sai nimetuse Flash-mälu tüüpi NOR ja nagu tema eelkäijad, põhines ta ujukiga MOS-transistori struktuuril.

Flash-mälu tüüpi NOR on kahemõõtmeline transistorite maatriks. Transistorite ujukid on ühendatud sõnaliniga ja allavad bitiline. Kui pinget rakendatakse sõnalinile, ei avane elektronide sisaldavad transistored, st need, mis salvestavad «ühe», ja vool ei voola. Bitiliini voolu olemasolu või puudumine näitab bitiväärtust.

Seitsme aasta pärast töötas Fujio Masuoka välja Flash-mälu tüüpi NAND. See mälu tüüp erineb bitiliini transistoride arvust. NOR-mälus on iga transistor otseselt ühendatud bitiliiniga, samas kui NAND-mälus on transistore ühendatud järjestikku.

Selle konfiguratsiooni lugemine on keerulisem: vajaliku sõna rida saab pinge, mis on vajalik lugemiseks, ja kõikidele muudele sõna ridadele antakse pinge, mis avab transistorid sõltumata nende laadimisastmest. Kuna kõik teised transistored on garanteeritult avatud, sõltub pinge olemasolu bitiribal ainult ühest transistorist, millele on antud lugemisepinge.

NAND-mälu leiutamine võimaldab märkimisväärselt tihendada skeemi, paigutades rohkem mälu samade mõõtmetega. Enne 2007. aastat suurendati mälu mahtu, vähendades põhitehnoloogia protsessi.

Aastal 2007 tutvustas ettevõte Toshiba uut NAND-mälu versiooni: Vertikaalne NAND (V-NAND), tuntud ka kui 3D NAND. Selles tehnoloogias keskendutakse transistorite paigutamisele mitmesse kihti, mis võimaldab uuesti skeemi tihendada ja suurendada mälu mahtu. Siiski ei saa skeemi tihendamist lõputult korrata, seega uuriti muid meetodeid salvestatud mälu mahu suurendamiseks.

Esialgu salvestas iga transistor kaks taset laadimist: loogiline null ja loogiline üks. Seda lähenemist nimetatakse Ühe taseme rakk (SLC). Selliste tehnoloogiatega seadmed erinevad kõrge usaldusväärsuse ja maksimaalse ümberkirjutamistsüklite arvu poolest.

Aja jooksul otsustati suurendada salvestite mahtu, kulukuse arvelt. Nii suurenes laadimistaset rakkudes neljani ja tehnoloogiat nimetati Mitme taseme rakk (MLC). Järgmisena ilmusid Kolme taseme rakk (TLC) ja Neljata taseme rakk (QLC). Tulevikus peaks tekkima uus tase — Viie taseme rakk (PLC) millega on viis bitti ühes rakus. Mida rohkem bitte mahtuda ühte rakku, seda suurem on salvesti maht samade kuludega, kuid madalam kulukus.

Skeemi tihendamine tehnoloogia protsessi vähendamise ja ühe transistori bittide arvu suurendamisega mõjutab negatiivselt salvestatud andmeid. Kuigi EPROM ja EEPROM kasutavad samu transistore, suudavad EPROM ja EEPROM hoida andmeid ilma toiteallikata kümme aastat, samas kui kaasaegne Flash-mälu võib kõik "unustada" juba aasta jooksul.

Flash-mälu kasutamine kosmosetööstuses on keeruline, kuna kiirgus mõjub kahjustavalt ujukitele.

Loetletud probleemid takistavad Flash-mälu saamist vaieldamatuks liidriks teabe salvestamise valdkonnas. Kuigi Flash-mälu põhised andmekandjad on laialdaselt kasutusel, tehakse uurimistööd muude mälu tüüpide leidmiseks, mis ei kannata neid puudusi, sealhulgas teabe salvestamine magnetiliste momentide ja faasiproduktide kaudu.

Magnetoresistiivne mälu

Teabe kodeerimine magnetiliste momentide abil ilmus 1955. aastal magnettuumade mäluna. Kuni 1970-ndate aastate keskpaigani oli ferriidimälu peamine mälu tüüp. Biti lugemine sellisest mälu tüübist tõi kaasa rõnga demagneerimise ja teabe kadumise. Seega tuli pärast biti lugemist see uuesti üles kirjutada.

Kaasaegsetes magnetoresistiivse mälu arengutes kasutatakse rõngaste asemel kahte ferromagnetikihti, mis on eraldatud dielektrikuga. Üks kiht on püsiv magnet, teine muutub magnetiseerimise suunda. Biti lugemine sellisest mälust tähendab takistuse mõõtmist voolu läbimise ajal: kui kihid on magnetiseeritud vastasse suundades, siis on takistus suurem ja see vastab väärtusele „1”.

Ferriidimälu ei vaja konstantset toiteallikat salvestatud teabe hoidmiseks, kuid tasandi magnetväli võib mõjutada „naabrit”, mis piirab skeemi tihendust.

Vastavalt JEDEC Flash-mälu põhised SSD-diskid peavad ilma toiteallikata säilitama teabe vähemalt kolm kuud temperatuuril 40°C. Inteli arendatud magnetoresistiivse mälu põhine kiip lubab andmeid säilitada kümme aastat temperatuuril 200°C.

Malukohasest arendamisest hoolimata ei degerereeru magnetoresistiivne mälu kasutamise ajal ja omab paremat jõudlust erinevate mälu tüüpide seas, mistõttu ei saa seda mälu tüüpi tähelepanuta jätta.

Faasiproduktide muutmise mälu

Kolmas lootustandev mälu tüüp on faasiülemine põhine mälu. See mälu tüüp kasutab chalcogenide omadusi vahetada kristallilist ja amorfset seisundit kuumutamise käigus.

Chalcogeenid — metallide binaarsed ühendused 16. rühmas (6. rühma peagrupis) Mendelejevi kordustabelis. Näiteks CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM ja Blu-ray kettadel kasutatakse germaniumi teluriidi (GeTe) ja antimooni teluriidi (III) (Sb2Te3).

Teadusuuringud faasisiirde rakendamise kohta teabe salvestamiseks viidi läbi 1960. aastatel Stanfori Ovsinski (Stanford Ovshinsky), kuid toona ei jõudnud asi kommertsialiseerimiseni. 2000. aastatel tekkis tehnoloogia vastu taas huvi, Samsung patenteeris tehnoloogia, mis võimaldab lülitada bitti 5 ns, ning Intel ja STMicroelectronics suurendasid olekute arvu neljani, kahekordistades seeläbi võimaliku mahutavuse. Kuumenedes üle sulamistemperatuuri kaotab halogeeniid kristallstruktuuri ning jahtudes muutub amorfseks vormiks, mis on iseloomulik kõrge elektrilise takistusega. Omakorda, kui kuumutatakse temperatuuri, mis ületab kristallimise punkti, kuid jääb alla sulamistemperatuuri, naaseb halogeeniid madala takistusega kristallilisse seisundisse.

Faasisiirdega mälu ei nõua ajas „laadimist” ja ei ole tundlik kiirguse suhtes, erinevalt elektrilaengutel põhinevast mälust. Selline tüüpi mälu suudab teavet säilitada 300 aastat temperatuuril 85°C.

Arvatakse, et Inteli väljatöötatud tehnoloogia

3D Crosspoint (3D XPoint) kasutab just faasisiirdeid teabe salvestamiseks. 3D XPointi kasutatakse Intel® Optane™ mäluseadmetes, millele on lubatud suurenenud kulumiskindlus. Keenete füüsiline seade on enam kui poole sajandi jooksul läbi teinud palju muudatusi, kuid iga lahendus omab oma puudusi. Vaatamata Flash-mälu vaieldamatule populaarsusele teevad mitmed ettevõtted, sealhulgas Samsung ja Intel, tööd selle nimel, et luua mälusid magnetmomentidel.

Kokkuvõte

Rakendite kulumi vähendamine, nende tihendamine ja salvestusruumi suurendamine on praegu suunad, mis on perspektiivikad tahkete mäluseadmete edasiseks arendamiseks.

Praegusel ajal saab testida kõige ägedamaid NAND ja 3D XPoint mäluseid juba meie

Selectel LAB Selectel LAB.

Kas teie arvates tõrjub info säilitamise tehnoloogia elektrilaengutel teisi, näiteks kvartsdiskid või optiline mälu soolakristallidel?

Allikas: habr.com