Sissejuhatus SSD-desse. Osa 4. Füüsiline

Eelmistes "SSD tutvustamise" osades on lugejat tutvustatud SSD-de ajaloo, nende toiteinterfeisside ja populaarsete vormifaktoritega. Neljas osa käsitleb andmete salvestamist salvestites.

Eelnevates artiklites:

1. HDD ja SSD loomise ajalugu
2. Salvestusliideste tekkimine
3. Vormifaktorite omadused

Andmete salvestamine tahkiselgestusmälu (SSD) puhul jaguneb kahte loogilisse ossa: teabe salvestamine ühes rakus ja rakkude salvestamise korraldamine.

Iga tahkiselgestusmälurakendus salvestab ühe või mitu bitti teavet. Teabe salvestamiseks kasutatakse erinevaid füüsikalisi protsesse. Tahkiselgestusmälu arendamisel töötati välja järgmistest füüsikalistest suurustest teabe kodeerimiseks:

• elektrilised laengud (sealhulgas Flash-mälu);
• magnetilised hetked (magnetoresistivne mälu);
• faasi seisundid (faasi muutmise mälu).

Elektrilistel laadimistel põhinev mälu

Teabe kodeerimine negatiivse laengu abil on aluseks mitmetele lahendustele:

• ultraviolettkiirgusega kustutatavad mälud (EPROM);
• elektriliselt kustutatavad mälud (EEPROM);
• Flash-mälu.

Iga mäluplokk on välistransistor, millel on ujuv lüliti, milles hoitakse negatiivset laengut. Selle erinevus tavalisest MOSFET-ist seisneb ujuva lüliti olemasolus — juhtivas dielektrikukihis.

Potentsiaalide erinevuse loomisel seadme ja allika vahel ning positiivse potentsiaali olemasolul lülitist allikani hakkab voolama elektrivool. Siiski, kui potentsiaalide erinevus on piisavalt suur, mõningad elektronid 'auku löövad' dielektrikukihti ja jõuavad ujuvasse lülitisse. Seda nähtust nimetatakse tunneliefektiks.

Negatiivselt laetud ujuv lüliti loob elektrivälja, mis takistab voolu liikumist seadmest allikani. Lisaks sellele suurendab ujuvas lülitis olevate elektronide olemasolu transistorile avamise pinget. Iga 'salvestamise' korral ujuvas lülitises kahjustatakse dielektrikukihis kergelt, mis piirab iga mäluploki ümberkirjutamise tsüklite arvu.

Ujuvavad MOSFET-id, millel on ujuv põhi, töötati välja Dawon Kahn'i ja Simon Min Sze poolt Bell Labsis 1967. aastal. Hiljem, uurides integreeritud ringide defekte, märgati, et ujuva põhja laengu tõttu muutus transistori avamiseks vajalik lävepinge. See avastus motiveeris Dov Frohman'i alustama selle nähtuse põhjal mälutehnoloogia arendamist.

Lävepinge muutmine võimaldab transistore 'programmeerida'. Ujuvas põhis laenguga transistore ei avata, kui nende põhjal ei rakendata pinget, mis on kõrgem kui transistori lävepinge ilma elektronideta, kuid madalam kui transistori lävepinge elektronidega. Nimetame seda väärtust lugemispingeks.

Erasable Programmable Read-Only Memory

Aastal 1971 lõi Intel'i töötaja Dov Frohman kirjutatava mälutehnoloogia, mida nimetatakse Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Mälu salvestamine toimus spetsiaalse seadme — programmeerija abil. Programmeerija edastab kiibile kõrgema pinge, kui digitaalses ahelas kasutatakse, „salvestades” elektronid transistori hõljuvatesse ukseidesse, kus see on vajalik.

EPROM-mälu puhul ei olnud plaanis puhastada transistori hõljuvaid ukseid elektriliselt. Selle asemel pakkus see, et transistoritele mõjutataks tugeva ultraviolettkiirgusega, mille fotonid annavad elektronidele vajalikku energiat, et nad saaksid hõljuvast ukseidest lahkuda. Ultravioleti juurdepääsu tagamiseks kiibile on korpusele lisatud kvartsiklaas.

Froiman esitles oma EPROM prototüüpi esmakordselt 1971. aasta veebruaris Philadelphias tahke kollektandi konverentsil. Gordon Moore meenutas esitlust: „Dov demonstreeris bitimustrit EPROM mälurakkudes. Kui rakke mõjutati ultraviolettvalgusega, kadusid bitid ükshaaval, kuni tuttav Intel'i logo kadus täielikult. … Bitid kadusid ja kui viimane neist kadus, plahvatas kogu publik aplausiga. Dovi artikkel tunnistati konverentsi parimaks.“ — Artikli tõlge newsroom.intel.com

EPROM-mälu on kallim kui varasemad «ühekordsed» püsivälkmälud (PZM), kuid uuesti programmeerimise võimalus võimaldab skeeme kiiremini seadistada ja vähendada uue riistvara arendamise aega.

PZM-i uuesti programmeerimine ultraviolettvalgusega oli oluline läbimurre, kuid idee elektrilisest ümberkirjutamisest oli juba õhus.

Elektriliselt kustutatav programmeeritav lugemismälu

Aastal 1972 tutvustasid kolm jaapani teadlast: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi ja Kiyoko Nagai esimest elektriliselt kustutatavat programmeeritavat mälumoodulit (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM või E2PROM). Hiljem said nende teadusuuringud osaks patentidest kommertsteoste EEPROM-mälu osas.

Iga EEPROM-mälurakk koosneb mitmest transistorist:

• ujuva uksetransistor bititeenindamiseks;
• transistor lugemise-kirjutamise režiimi juhtimiseks.

Selline konstruktsioon muudab elektriskeemi joonistamise keeruliseks, mistõttu kasutati EEPROM mälu juhtudel, kui väike mälumaht polnud kriitiline. Suure hulga andmete salvestamiseks kasutati endiselt EPROM-i.

Flash-mälu

Flash-mälu, mis kombineerib EPROM-i ja EEPROM-i parimaid omadusi, töötati välja Jaapani professor Fujio Masuoka, Toshiba insener, poolt 1980. aastal. Esimene arendus sai nimeks NOR-tüüpi Flash-mälu ja nagu selle eelkäijad, põhineb see ujuvate uste MOS-transistoridel.

NOR tüüpi välkmälu on kahe mõõtmega transistoride massiiv. Transistori lukud on ühendatud sõnaliniga, samas kui äravoolud on ühendatud bitilinnaga. Kui sõnalinale pinget rakendada, siis transistores, mis sisaldavad Elektrone, st mis salvestavad "1", ei avane ja vool ei voola. Bitilinnal voolava voolu olemasolu või puudumine annab märku bitiväärtusest.

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

Selle konfiguratsiooni mälu lugemine on keerulisem: vajalikule sõnalinale rakendatakse lugemiseks vajalikku pinget, samas kui kõikidele teistele sõnalinidele rakendatakse pinget, mis avab transistori olenemata selle laengutasemest. Kuna kõik ülejäänud transistori on garanteeritud avatud, sõltub bitiliinil pinget ainult ühest transistorist, millele on rakendatud lugemispinget.

NAND-mälu leiutamine võimaldab oluliselt tihedamat skeemi, paigutades suurema mälu mahutavuse samadesse mõõtmeid. Kuni 2007. aastani suurendati mälu mahtu vähendades kiibi tootmisprotsessi.

Aastal 2007 esitles Toshiba uut NAND-mälu versiooni: Vertikaalne NAND (V-NAND), tuntud ka kui 3D NAND. Selles tehnoloogias keskendutakse transistoride paigutamisele mitmesse kihti, mis taas võimaldab skeemi tihedamaks muuta ja suurendada mälu mahtu. Siiski ei saa skeemi kokkusurumist lõputult korrata, seetõttu uuriti ka teisi meetodeid mälumahtu suurendamiseks.

Alguses säilitas iga transistor kaks laadimistaset: loogiline null ja loogiline üks. Seda lähenemist nimetatakse Ühe Taseme Rakk (SLC). Sellise tehnoloogiaga seadmed eristuvad suure usaldusväärsuse ja maksimaalse ülekirjutamise tsüklite arvuga.

Aja jooksul otsustati suurendada seadmete mahtu usaldusväärsuse arvelt. Seetõttu tõusis laadimise tasemete arv rakus neljani ja tehnoloogiat hakati nimetama Mitme Taseme Rakk (MLC). Järgnesid Kolme Taseme Rakk (TLC) ja Nelja Taseme Rakk (QLC)Tulevikus ilmub uus tase — Penta-Level Cell (PLC) kuid viis biti ühes rakus. Mida rohkem bitti ühte rakku mahub, seda suurem on salvestusmaht sama hinna eest, kuid väiksem kulumiskindlus.

Skeemi tihendamine tootmisprotsessi vähendamise ja ühe transistoriga rohkemate bittide suurendamise kaudu mõjutab negatiivselt salvestatud andmeid. Kuigi EPROM-is ja EEPROM-is kasutatakse samu transistore, on EPROM ja EEPROM võimelised andmeid ilma toiteallikata hoidma kümme aastat, samas kui tänapäevane Flash-mälu võib kõik «unustada» juba aasta jooksul.

Flash-mälu kasutamine kosmosetööstuses on keeruline, kuna kiirgus mõjutab negatiivselt hõljuvaid transistorite elektrone.

Nimetatud probleemid takistavad Flash-mälu saamist vaieldamatuks liidriks teabe salvestamise valdkonnas. Kuigi Flash-mälu põhised seadmed on laialdaselt levinud, tehakse uuringuid teiste mälu tüüpide üle, mis on vabastatud neist puudustest, sealhulgas teabe salvestamisest magnetmomentides ja faasiseisundites.

Magnetoresistive mälu

Teavet kodeerimine magnetmomentide abil ilmus 1955. aastal magnetkeraamiku kujul. Kuni 1970. aastate keskpaigani oli ferriitmälu peamine mälu tüüp. Sellise tüübi mälust bitite lugemine viis rõngaste demagnetiseerumiseni ja teabe kadumiseni. Seetõttu tuli pärast bitite lugemist see uuesti kirjutada.

Kaasaegsetes magnetoresistiivsetes mälulahendustes kasutatakse rõngaste asemel kahte ferromagneetilist kihti, mis on eraldatud dielektrikuga. Üks kiht on alalisvoolu magnet, samas kui teine muudab magnetiseerimise suunda. Bitite lugemine sellisest mälust seisneb takistuse mõõtmises voolu läbimise ajal: kui kihid on magnetiseeritud vastupidistes suundades, on takistus suurem ja see on ekvivalentne väärtusele „1”.

Ferriitmälu ei vaja salvestatud teabe säilitamiseks pidevat toiteallikat, kuid raku magnetväli võib mõjutada 'naabrit', mis seab piirangu skeemi tihendusele.

Vastavalt JEDEC SSD-diskid, mis põhinevad Flash-mälul, peavad säilitama teavet vähemalt kolm kuud toatemperatuuril 40 °C. Arendatud Intel kiip, mis põhineb magnetresistatiivsel mälul lubab andmeid säilitada kümme aastat toatemperatuuril 200 °C.

Hoolimata arendamise keerukusest ei halvene magnetresistatiivne mälu kasutamise ajal ja tal on parim jõudlus teiste mälu tüüpide seas, mis ei luba seda mälutüüpi kõrvale jätta.

Faasimuutusega mälu

Kolmas perspektiivikasutusele minev mälu tüüp on faasiülemine mälu. See mälu tüüp kasutab chalcogenide omadusi, et vahetada kuumutamisel kristallilisest seisundist amorfse seisundi vahel.

Chalcogenid on metallide ja Mendelejevi perioodilise tabeli 16. rühma (pearühma 6. rühma) vahelised binaarsed ühendused. Näiteks CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM ja Blu-ray plaatidel kasutatakse germaniumtelliidi (GeTe) ja antimonitelliidi (III) (Sb2Te3).

Uuringud faasiülemise rakendamise kohta teabe hoidmiseks viidi läbi 1960-ndatel Stanford Ovshinsky (Stanford Ovshinsky) töötas selle välja, kuid tol ajal ei jõudnud see kommertsialiseerimiseni. 2000. aastatel tekkis tehnoloogia vastu taas huvi, Samsung patenteeris tehnoloogia, mis võimaldab andmevahetust 5 ns jooksul, samas kui Intel ja STMicroelectronics suurendasid olekute arvu neljani, kahekordistades seeläbi võimalikku mahtu.

Temperatuuril, mis ületab sulamistemperatuuri, kaotab halkogeeniid oma kristallstruktuuri ning jahenedes muutub amorfseks vormiks, millel on kõrge elektritakistus. Vastupidiselt, kui temperatuur tõuseb sulamistemperatuurist kõrgemale, kuid jääb alla kristalliseerumise temperatuurile, taastub halkogeeniid madala takistusega kristallilisele olekule.

Faasi muutusega mälutehnoloogia ei vaja aja jooksul 'laadimist' ja ei ole tundlik radiatsioonile, erinevalt elektrilaengutel põhinevatest mäluseadetest. See mälutüüp suudab säilitada teavet 300 aastat temperatuuril 85 °C.

Peetakse, et Intel'i arendus, tehnoloogia 3D Crosspoint (3D XPoint) kasutab just faasisiirdeid teabe salvestamiseks. 3D XPointi kasutatakse Intel® Optane™ mälu seadmetes, mille jaoks on lubatud kõrge kulumiskindlus.

Kokkuvõte

Füüsiline seade tahkisidraivid on läbinud palju muutusi enam kui poole sajandi jooksul, kuid igal lahendusel on oma puudused. Vaatamata Flash-mälu vaieldamatule populaarsusele töötavad mitmed ettevõtted, sealhulgas Samsung ja Intel, välja võimalust luua mälu magnetmomentide põhjal.

Mäluarakeste kulumise vähendamine, nende tihendamine ja seadme kogumahtude suurendamine — need on suunad, mis on praegu perspektiivikad tahkisidraamide edasise arengu jaoks.

Testige kõige ägedamaid NAND ja 3D XPoint mäluseid juba täna meie Selectel LAB.

Kuidas arvate, kas elektrilaengutel põhinevad teabe salvestamise tehnoloogiad jäetakse kõrvale teistega, näiteks kvartsplaatide või optilise mälu nano-kristallide soolakristallide põhjal?

Allikas: habr.com