بخش‌های قبلی سری «مقدمه‌ای بر SSD» در مورد تاریخچه ظهور درایوهای SSD، رابط‌های تعامل با آنها و فاکتورهای فرم محبوب به خواننده گفت. بخش چهارم در مورد ذخیره سازی داده ها در درایوها صحبت خواهد کرد.
در مقالات قبلی این مجموعه:
ذخیره سازی داده ها در درایوهای حالت جامد را می توان به دو بخش منطقی تقسیم کرد: ذخیره سازی اطلاعات در یک سلول واحد و سازماندهی ذخیره سازی سلولی.
هر سلول درایو حالت جامد ذخیره می شود یک یا چند بیت اطلاعات. انواع مختلفی از اطلاعات برای ذخیره اطلاعات استفاده می شود. فرآیندهای فیزیکی. هنگام توسعه درایوهای حالت جامد، مقادیر فیزیکی زیر برای رمزگذاری اطلاعات در نظر گرفته شد:
- بارهای الکتریکی (از جمله حافظه فلش)؛
- لحظات مغناطیسی (حافظه مقاومت مغناطیسی)؛
- حالت های فازی (حافظه با تغییر حالت فاز).
حافظه بر اساس بارهای الکتریکی
رمزگذاری اطلاعات با استفاده از بار منفی زیربنای چندین راه حل است:
- رام پاک‌شدنی فرابنفش (EPROM)؛
- رام قابل پاک کردن الکتریکی (EEPROM)؛
- فلش مموری.
هر سلول حافظه است ماسفت دروازه شناور، که بار منفی را ذخیره می کند. تفاوت آن با یک ترانزیستور MOS معمولی وجود یک دروازه شناور - یک هادی در لایه دی الکتریک است.
زمانی که اختلاف پتانسیل بین درین و منبع ایجاد شود و پتانسیل مثبت در دروازه وجود داشته باشد، جریان از منبعی به درین دیگر جریان می یابد. با این حال، اگر اختلاف پتانسیل به اندازه کافی بزرگ وجود داشته باشد، برخی از الکترون ها از لایه دی الکتریک عبور کرده و به دروازه شناور ختم می شوند. این پدیده نامیده می شود .
یک دروازه شناور با بار منفی یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که از عبور جریان از منبع به تخلیه جلوگیری می کند. علاوه بر این، حضور الکترون ها در دروازه شناور، ولتاژ آستانه ای را که ترانزیستور در آن روشن می شود، افزایش می دهد. با هر "نوشتن" در دروازه شناور ترانزیستور، لایه دی الکتریک اندکی آسیب می بیند، که محدودیتی در تعداد چرخه های بازنویسی هر سلول ایجاد می کند.
ماسفت های دروازه شناور توسط داون کاهنگ و سایمون مین سی در آزمایشگاه بل در سال 1967 ساخته شدند. بعداً هنگام مطالعه عیوب در مدارهای مجتمع، متوجه شدیم که به دلیل شارژ در دروازه شناور، ولتاژ آستانه ای که ترانزیستور را باز می کند تغییر کرده است. این کشف Dov Frohman را بر آن داشت تا کار بر روی حافظه را بر اساس این پدیده آغاز کند.
تغییر ولتاژ آستانه به شما امکان می دهد ترانزیستورها را "برنامه ریزی" کنید. ترانزیستورهای دروازه شناور زمانی که ولتاژ گیت بزرگتر از ولتاژ آستانه ترانزیستور بدون الکترون باشد، اما کمتر از ولتاژ آستانه برای ترانزیستور دارای الکترون باشد، روشن نمی شوند. بیایید این مقدار را بنامیم ولتاژ خواندن.
حافظه قابل برنامه ریزی قابل پاک کردن فقط خواندنی
در سال 1971، کارمند اینتل Dov Frohman یک حافظه بازنویسی مبتنی بر ترانزیستور به نام ایجاد کرد. حافظه قابل برنامه ریزی قابل پاک کردن فقط خواندنی (EPROM). ضبط در حافظه با استفاده از یک دستگاه خاص - برنامه نویس انجام شد. برنامه نویس ولتاژ بالاتری را نسبت به مدارهای دیجیتالی به تراشه اعمال می کند و در نتیجه الکترون ها را بر روی دروازه های شناور ترانزیستور در صورت نیاز "نوشتن" می کند.
حافظه EPROM برای تمیز کردن دروازه های شناور ترانزیستورها به صورت الکتریکی در نظر گرفته نشده بود. در عوض، پیشنهاد شد که ترانزیستورها را در معرض نور ماوراء بنفش قوی قرار دهند، که فوتون های آن انرژی لازم برای فرار از دروازه شناور را به الکترون ها می دهد. برای اینکه نور فرابنفش به عمق تراشه نفوذ کند، شیشه کوارتز به محفظه اضافه شد.
فرومن برای اولین بار نمونه اولیه EPROM خود را در فوریه 1971 در یک کنفرانس IC حالت جامد در فیلادلفیا ارائه کرد. گوردون مور این تظاهرات را به یاد می آورد: «Dov الگوی بیت را در سلول های حافظه EPROM نشان داد. هنگامی که سلول ها در معرض نور فرابنفش قرار گرفتند، بیت ها یکی یکی ناپدید شدند تا اینکه لوگوی ناآشنا اینتل به طور کامل پاک شد. ... ضربات ناپدید شدند، و زمانی که آخرین ضربه ناپدید شد، تمام تماشاگران به تشویق پرداختند. مقاله Dov به عنوان بهترین مقاله در کنفرانس شناخته شد. - ترجمه مقاله
حافظه EPROM گران‌تر از دستگاه‌های حافظه فقط خواندنی «یکبار مصرف» (ROM) است که قبلاً استفاده می‌شد، اما توانایی برنامه‌ریزی مجدد به شما امکان می‌دهد مدارها را سریع‌تر اشکال زدایی کنید و زمان لازم برای توسعه سخت‌افزار جدید را کاهش دهید.
برنامه‌ریزی مجدد رام‌ها با نور فرابنفش یک پیشرفت مهم بود، با این حال، ایده بازنویسی الکتریکی از قبل در هوا وجود داشت.
حافظه فقط خواندنی قابل برنامه ریزی با قابلیت پاک کردن الکتریکی
در سال 1972، سه ژاپنی: Yasuo Tarui، Yutaka Hayashi و Kiyoko Nagai اولین حافظه فقط خواندنی قابل پاک کردن الکتریکی (EEPROM یا E2PROM) را معرفی کردند. بعداً، تحقیقات علمی آنها بخشی از حق ثبت اختراع برای پیاده سازی تجاری حافظه EEPROM خواهد شد.
هر سلول حافظه EEPROM از چندین ترانزیستور تشکیل شده است:
- ترانزیستور دروازه شناور برای ذخیره بیت.
- ترانزیستور برای کنترل حالت خواندن و نوشتن
این طراحی سیم کشی مدار الکتریکی را بسیار پیچیده می کند، بنابراین از حافظه EEPROM در مواردی که مقدار کمی از حافظه حیاتی نبود استفاده می شود. EPROM هنوز برای ذخیره مقادیر زیادی داده استفاده می شد.
فلش مموری
فلش مموری، ترکیبی از بهترین ویژگی های EPROM و EEPROM، توسط پروفسور ژاپنی فوجیو ماسوکا، مهندس توشیبا، در سال 1980 ساخته شد. اولین توسعه حافظه فلش NOR نام داشت و مانند نسخه های قبلی خود بر پایه ماسفت های دروازه شناور است.
حافظه فلش NOR یک آرایه دو بعدی از ترانزیستورها است. دریچه های ترانزیستورها به خط کلمه و درین ها به خط بیت وصل می شوند. هنگامی که ولتاژ به خط کلمه اعمال می شود، ترانزیستورهای حاوی الکترون، یعنی ذخیره "یک"، باز نمی شوند و جریان جریان نمی یابد. بر اساس وجود یا عدم وجود جریان در خط بیت، در مورد مقدار بیت نتیجه گیری می شود.
هفت سال بعد، فوجیو ماسوکا حافظه NAND Flash را توسعه داد. این نوع حافظه در تعداد ترانزیستورهای روی خط بیت متفاوت است. در حافظه NOR، هر ترانزیستور مستقیماً به یک خط بیت متصل است، در حالی که در حافظه NAND، ترانزیستورها به صورت سری متصل می شوند.
خواندن از حافظه این پیکربندی دشوارتر است: ولتاژ لازم برای خواندن به خط ضروری کلمه اعمال می شود و ولتاژ به تمام خطوط دیگر کلمه اعمال می شود که ترانزیستور را بدون توجه به سطح شارژ در آن باز می کند. از آنجایی که تمام ترانزیستورهای دیگر تضمین شده هستند که باز هستند، وجود ولتاژ در خط بیت تنها به یک ترانزیستور بستگی دارد که ولتاژ خواندن به آن اعمال می شود.
اختراع حافظه فلش NAND این امکان را فراهم می کند که مدار را به میزان قابل توجهی فشرده کند و حافظه بیشتری را در همان اندازه قرار دهد. تا سال 2007، ظرفیت حافظه با کاهش فرآیند ساخت تراشه افزایش یافت.
در سال 2007، توشیبا نسخه جدیدی از حافظه NAND را معرفی کرد: NAND عمودی (V-NAND)، همچنین به عنوان شناخته شده است 3D NAND. این فناوری بر قرار دادن ترانزیستورها در چندین لایه تاکید دارد که مجدداً مدارهای متراکم تر و ظرفیت حافظه را افزایش می دهد. با این حال، تراکم مدار را نمی توان به طور نامحدود تکرار کرد، بنابراین روش های دیگری برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی مورد بررسی قرار گرفته است.
در ابتدا، هر ترانزیستور دو سطح شارژ را ذخیره می کرد: صفر منطقی و یک منطقی. این رویکرد نامیده می شود سلول تک سطحی (SLC). درایوهای دارای این فناوری بسیار قابل اعتماد هستند و دارای حداکثر تعداد چرخه بازنویسی هستند.
با گذشت زمان، تصمیم بر این شد که ظرفیت ذخیره سازی به قیمت مقاومت در برابر سایش افزایش یابد. بنابراین تعداد سطوح شارژ در یک سلول تا چهار می رسد و این فناوری نامیده شد سلول چند سطحی (MLC). بعدی آمد سلول سه سطحی (TLC) и سلول چهار سطحی (QLC). سطح جدیدی در آینده وجود خواهد داشت - سلول پنج سطحی (PLC) با پنج بیت در هر سلول هرچه بیت های بیشتری در یک سلول قرار گیرند، ظرفیت ذخیره سازی با همان هزینه بیشتر است، اما مقاومت در برابر سایش کمتر است.
فشرده سازی مدار با کاهش فرآیند فنی و افزایش تعداد بیت ها در یک ترانزیستور بر داده های ذخیره شده تأثیر منفی می گذارد. علیرغم این واقعیت که EPROM و EEPROM از ترانزیستورهای یکسانی استفاده می کنند، EPROM و EEPROM می توانند داده ها را بدون برق به مدت ده سال ذخیره کنند، در حالی که حافظه های فلش مدرن می توانند پس از یک سال همه چیز را "فراموش کنند".
استفاده از حافظه فلش در صنعت فضایی دشوار است زیرا تشعشعات تأثیر مخربی بر الکترون‌های موجود در دروازه‌های شناور دارد.
این مشکلات مانع از تبدیل شدن فلش مموری به رهبر بلامنازع در زمینه ذخیره سازی اطلاعات می شود. علیرغم این واقعیت که درایوهای مبتنی بر حافظه فلش گسترده هستند، تحقیقات در مورد انواع حافظه های دیگر که این معایب را ندارند، از جمله ذخیره اطلاعات در ممان های مغناطیسی و حالت های فاز در حال انجام است.
حافظه مغناطیسی
رمزگذاری اطلاعات با گشتاورهای مغناطیسی در سال 1955 به شکل حافظه روی هسته های مغناطیسی ظاهر شد. تا اواسط دهه 1970، حافظه فریتی نوع اصلی حافظه بود. خواندن کمی از این نوع حافظه منجر به مغناطیس زدایی حلقه و از دست رفتن اطلاعات شد. بنابراین، پس از کمی خواندن، باید آن را بازنویسی کرد.
در پیشرفت های مدرن حافظه مغناطیسی، به جای حلقه ها، از دو لایه فرومغناطیس استفاده می شود که توسط یک دی الکتریک از هم جدا شده اند. یک لایه آهنربای دائمی است و لایه دوم جهت مغناطیسی را تغییر می دهد. خواندن کمی از چنین سلولی به اندازه گیری مقاومت در هنگام عبور جریان می رسد: اگر لایه ها در جهت مخالف مغناطیسی شوند، مقاومت بیشتر است و این معادل مقدار "1" است.
حافظه فریت برای حفظ اطلاعات ثبت شده به منبع تغذیه ثابت نیاز ندارد، با این حال، میدان مغناطیسی سلول می تواند بر "همسایه" تأثیر بگذارد، که محدودیتی را بر تراکم مدار تحمیل می کند.
طبق درایوهای SSD مبتنی بر حافظه فلش بدون برق باید حداقل سه ماه در دمای محیط 40 درجه سانتیگراد اطلاعات را حفظ کنند. طراحی شده توسط اینتل وعده داده است که داده ها را به مدت ده سال در دمای 200 درجه سانتیگراد ذخیره می کند.
با وجود پیچیدگی توسعه، حافظه مغناطیسی در حین استفاده کاهش نمی یابد و بهترین عملکرد را در بین انواع دیگر حافظه ها دارد که اجازه نمی دهد این نوع حافظه حذف شود.
حافظه تغییر فاز
سومین نوع حافظه امیدوارکننده، حافظه مبتنی بر تغییر فاز است. این نوع حافظه از خواص کالکوژنیدها برای جابجایی بین حالت کریستالی و آمورف هنگام گرم شدن استفاده می کند.
کالکوژنیدها - ترکیبات دوتایی فلزات با گروه شانزدهم (گروه ششم از زیر گروه اصلی) جدول تناوبی. برای مثال، دیسک‌های CD-RW، DVD-RW، DVD-RAM و Blu-ray از تلورید ژرمانیوم (GeTe) و تلورید آنتیموان (III) (Sb16Te6) استفاده می‌کنند.
تحقیق در مورد استفاده از انتقال فاز برای ذخیره سازی اطلاعات در سال انجام شد دهه 1960 سال توسط استانفورد اووشینسکی، اما پس از آن به پیاده سازی تجاری نرسید. در دهه 2000، علاقه مجددی به این فناوری مشاهده شد، سامسونگ فناوری را به ثبت رساند که امکان تعویض بیت را در 5 نانو ثانیه فراهم می‌کرد، و اینتل و STMicroelectronics تعداد حالت‌ها را به XNUMX افزایش دادند و در نتیجه ظرفیت ممکن را دو برابر کردند.
هنگامی که در بالای نقطه ذوب گرم می شود، کالکوژنید ساختار کریستالی خود را از دست می دهد و پس از سرد شدن، به شکل آمورف تبدیل می شود که با مقاومت الکتریکی بالا مشخص می شود. به نوبه خود، هنگامی که به دمای بالاتر از نقطه تبلور، اما پایین تر از نقطه ذوب گرم می شود، کالکوژنید به حالت کریستالی با سطح مقاومت پایین باز می گردد.
حافظه تغییر فاز در طول زمان نیازی به "شارژ مجدد" ندارد و همچنین بر خلاف حافظه با بار الکتریکی مستعد تشعشع نیست. این نوع حافظه می تواند اطلاعات را به مدت 300 سال در دمای 85 درجه سانتی گراد حفظ کند.
اعتقاد بر این است که توسعه فناوری اینتل متقاطع سه بعدی (3D XPoint) از انتقال فاز برای ذخیره اطلاعات استفاده می کند. 3D XPoint در درایوهای حافظه Intel® Optane™ استفاده می شود که ادعا می شود استقامت بیشتری دارند.
نتیجه
طراحی فیزیکی درایوهای حالت جامد در طول بیش از نیم قرن تاریخ دستخوش تغییرات زیادی شده است، با این حال، هر یک از راه حل ها دارای معایبی هستند. با وجود محبوبیت غیرقابل انکار حافظه فلش، چندین شرکت از جمله سامسونگ و اینتل در حال بررسی امکان ایجاد حافظه بر اساس لحظات مغناطیسی هستند.
کاهش سایش سلول، فشرده سازی آنها و افزایش ظرفیت کلی درایو، زمینه هایی هستند که در حال حاضر برای توسعه بیشتر درایوهای حالت جامد امیدوار کننده هستند.
می‌توانید جالب‌ترین درایوهای NAND و 3D XPoint امروزی را در حال حاضر در ما آزمایش کنید .
آیا فکر می‌کنید که فناوری‌های ذخیره‌سازی اطلاعات بارهای الکتریکی با سایرین جایگزین می‌شوند، مثلاً دیسک‌های کوارتز یا حافظه نوری روی نانوبلورهای نمک؟
منبع: www.habr.com