"Johdatus SSD-levyyn" -sarjan aiemmat osat kertoivat lukijalle SSD-asemien syntyhistoriasta, niiden kanssa vuorovaikutukseen tarkoitetuista liitännöistä ja suosituista muototekijöistä. Neljännessä osassa puhutaan tietojen tallentamisesta asemien sisällä.
Sarjan aiemmissa artikkeleissa:
Tiedon tallennus solid-state-asemissa voidaan jakaa kahteen loogiseen osaan: tietojen tallentamiseen yhteen soluun ja solun tallennustilan järjestämiseen.
Jokainen solid-state-aseman solu tallentaa yksi tai useampi tietobitti. Tiedon tallentamiseen käytetään monenlaista tietoa. fyysisiä prosesseja. Solid-state-asemia kehitettäessä otettiin huomioon seuraavat fyysiset suureet tietojen koodauksessa:
- sähkövaraukset (mukaan lukien Flash-muisti);
- magneettisia hetkiä (magnetoresistiivinen muisti);
- vaiheen tilat (muisti, jossa vaihetilan muutos).
Muisti perustuu sähkövarauksiin
Tietojen koodaus negatiivisella varauksella on useiden ratkaisujen taustalla:
- UV-pyyhittävä ROM (EPROM);
- sähköisesti pyyhittävä ROM (EEPROM);
- Flash-muisti.
Jokainen muistisolu on kelluva portti MOSFET, joka tallentaa negatiivisen varauksen. Sen ero tavanomaiseen MOS-transistoriin on kelluvan hilan - johtimen - läsnäolo dielektrisessä kerroksessa.
Kun nielun ja lähteen välille syntyy potentiaaliero ja portissa on positiivinen potentiaali, virta kulkee lähteestä viemäriin. Jos potentiaaliero on kuitenkin riittävän suuri, jotkut elektronit "murtavat" dielektrisen kerroksen läpi ja päätyvät kelluvaan hilaan. Tätä ilmiötä kutsutaan .
Negatiivisesti varautunut kelluva portti luo sähkökentän, joka estää virtaa kulkemasta lähteestä viemäriin. Lisäksi elektronien läsnäolo kelluvassa hilassa lisää kynnysjännitettä, jolla transistori kytkeytyy päälle. Jokaisella "kirjoituksella" transistorin kelluvaan hilaan dielektrinen kerros vaurioituu hieman, mikä asettaa rajan kunkin solun uudelleenkirjoitusjaksojen lukumäärälle.
Kelluvan portin MOSFETit kehittivät Dawon Kahng ja Simon Min Sze Bell Labsissa vuonna 1967. Myöhemmin integroitujen piirien vikoja tutkiessa havaittiin, että kelluvan hilan varauksen vuoksi transistorin avaava kynnysjännite muuttui. Tämä löytö sai Dov Frohmanin alkamaan työstää muistia tämän ilmiön perusteella.
Kynnysjännitteen muuttaminen antaa sinun "ohjelmoida" transistorit. Kelluvaporttitransistorit eivät kytkeydy päälle, kun hilajännite on suurempi kuin elektronittoman transistorin kynnysjännite, mutta pienempi kuin elektroneja sisältävän transistorin kynnysjännite. Kutsutaan tätä arvoa lukujännite.
Pyyhitettävä ohjelmoitava vain lukumuisti
Vuonna 1971 Intelin työntekijä Dov Frohman loi transistoripohjaisen uudelleenkirjoitettavan muistin ns. Pyyhitettävä ohjelmoitava vain lukumuisti (EPROM). Tallennus muistiin suoritettiin erityisellä laitteella - ohjelmoijalla. Ohjelmoija syöttää siruun korkeamman jännitteen kuin mitä käytetään digitaalisissa piireissä, ja siten "kirjoittaa" elektroneja transistorien kelluviin portteihin tarvittaessa.
EPROM-muistia ei ole tarkoitettu puhdistamaan transistorien kelluvia portteja sähköisesti. Sen sijaan esitettiin transistorien altistamista voimakkaalle ultraviolettivalolle, jonka fotonit antaisivat elektroneille tarvittavan energian paeta kelluvasta hilasta. Jotta ultraviolettivalo pääsisi tunkeutumaan syvälle siruun, koteloon lisättiin kvartsilasia.
Froman esitteli EPROM-prototyyppinsä ensimmäisen kerran helmikuussa 1971 solid-state IC -konferenssissa Philadelphiassa. Gordon Moore muistutti esittelystä: "Dov esitti bittikuvion EPROM-muistisoluissa. Kun solut altistettiin ultraviolettivalolle, bitit katosivat yksitellen, kunnes tuntematon Intel-logo poistui kokonaan. … Biitit katosivat, ja kun viimeinen katosi, koko yleisö puhkesi suosionosoituksiin. Dovin artikkeli tunnustettiin konferenssin parhaaksi. — Artikkelin käännös
EPROM-muisti on kalliimpaa kuin aiemmin käytetyt "kertakäyttöiset" vain lukumuistit (ROM) -laitteet, mutta uudelleenohjelmointi mahdollistaa piirien virheenkorjauksen nopeammin ja lyhentää uuden laitteiston kehittämiseen kuluvaa aikaa.
ROMien uudelleenohjelmointi ultraviolettivalolla oli merkittävä läpimurto, mutta ajatus sähköisestä uudelleenkirjoituksesta oli jo ilmassa.
Sähköisesti pyyhittävä ohjelmoitava lukumuisti
Vuonna 1972 kolme japanilaista: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi ja Kiyoko Nagai esittelivät ensimmäisen sähköisesti pyyhittävän vain lukumuistin (EEPROM tai E2PROM). Myöhemmin heidän tieteellisestä tutkimuksestaan tulee osa EEPROM-muistin kaupallisten toteutusten patentteja.
Jokainen EEPROM-muistisolu koostuu useista transistoreista:
- kelluva porttitransistori bittien varastointiin;
- transistori luku-kirjoitustilan ohjaamiseen.
Tämä rakenne vaikeuttaa suuresti sähköpiirin johdotusta, joten EEPROM-muistia käytettiin tapauksissa, joissa pieni muistimäärä ei ollut kriittinen. EPROMia käytettiin edelleen suurten tietomäärien tallentamiseen.
Flash-muisti
Flash-muistin, joka yhdistää EPROMin ja EEPROMin parhaat ominaisuudet, kehitti japanilainen professori Fujio Masuoka, Toshiban insinööri, vuonna 1980. Ensimmäinen kehitystyö oli nimeltään NOR Flash -muisti, ja se, kuten edeltäjänsä, perustuu kelluvaportteihin MOSFETeihin.
NOR flash-muisti on kaksiulotteinen joukko transistoreita. Transistorien portit on kytketty sanalinjaan ja nielut bittilinjaan. Kun jännite syötetään sanalinjaan, transistorit, jotka sisältävät elektroneja, eli jotka tallentavat "yhden", eivät avaudu eikä virta kulje. Bittijohdon virran olemassaolon tai puuttumisen perusteella tehdään johtopäätös bitin arvosta.
Seitsemän vuotta myöhemmin Fujio Masuoka kehitti NAND Flash -muistin. Tämän tyyppinen muisti eroaa transistorien lukumäärästä bittilinjalla. NOR-muistissa jokainen transistori on kytketty suoraan bittilinjaan, kun taas NAND-muistissa transistorit on kytketty sarjaan.
Tämän kokoonpanon muistista lukeminen on vaikeampaa: lukemiseen tarvittava jännite syötetään sanan tarvittavalle riville ja jännite syötetään sanan kaikille muille riveille, mikä avaa transistorin sen varaustasosta riippumatta. Koska kaikki muut transistorit ovat taatusti auki, bittijohdon jännitteen esiintyminen riippuu vain yhdestä transistorista, johon lukujännite syötetään.
NAND Flash -muistin keksintö mahdollistaa piirin merkittävän pakkaamisen, mikä lisää muistia samaan kokoon. Vuoteen 2007 asti muistikapasiteettia lisättiin vähentämällä sirun valmistusprosessia.
Vuonna 2007 Toshiba esitteli uuden version NAND-muistista: Pystysuuntainen NAND (V-NAND), tunnetaan myös 3D NAND. Tämä tekniikka korostaa transistorien sijoittamista useisiin kerroksiin, mikä taas mahdollistaa tiheämmän piirin ja suuremman muistikapasiteetin. Piirin tiivistämistä ei kuitenkaan voida toistaa loputtomiin, joten tallennuskapasiteetin lisäämiseksi on tutkittu muita menetelmiä.
Aluksi jokainen transistori tallensi kaksi lataustasoa: loogisen nollan ja loogisen yhden. Tätä lähestymistapaa kutsutaan Yksitasoinen solu (SLC). Tätä tekniikkaa käyttävät asemat ovat erittäin luotettavia ja niissä on maksimimäärä uudelleenkirjoitusjaksoja.
Ajan mittaan varastointikapasiteettia päätettiin lisätä kulutuskestävyyden kustannuksella. Joten lataustasojen lukumäärä solussa on jopa neljä, ja tekniikka kutsuttiin Monitasoinen solu (MLC). Seuraavaksi tuli Triple-Level Cell (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). Tulevaisuudessa on uusi taso - Penta-Level Cell (PLC) viisi bittiä solua kohden. Mitä enemmän bittejä mahtuu yhteen soluun, sitä suurempi tallennuskapasiteetti on samalla hinnalla, mutta sitä vähemmän kulutuskestävyyttä.
Piirin tiivistäminen vähentämällä teknistä prosessia ja lisäämällä bittien määrää yhdessä transistorin kanssa vaikuttaa negatiivisesti tallennettuun dataan. Huolimatta siitä, että EPROM ja EEPROM käyttävät samoja transistoreita, EPROM ja EEPROM voivat tallentaa tietoja ilman virtaa kymmenen vuoden ajan, kun taas moderni Flash-muisti voi "unohtaa" kaiken vuoden kuluttua.
Flash-muistin käyttö avaruusteollisuudessa on vaikeaa, koska säteily vaikuttaa haitallisesti kelluvien porttien elektroneihin.
Nämä ongelmat estävät Flash-muistin muodostumisen kiistattomaksi johtajaksi tiedon tallennuksen alalla. Huolimatta siitä, että Flash-muistiin perustuvat asemat ovat laajalle levinneitä, parhaillaan tutkitaan muita muistityyppejä, joissa ei ole näitä haittoja, mukaan lukien tiedon tallennus magneettisissa momenteissa ja vaihetiloissa.
Magnetoresistiivinen muisti
Tietojen koodaus magneettisilla momenteilla ilmestyi vuonna 1955 muistin muodossa magneettisydämille. 1970-luvun puoliväliin asti ferriittimuisti oli tärkein muistityyppi. Hieman lukeminen tämän tyyppisestä muistista johti renkaan demagnetoitumiseen ja tiedon menettämiseen. Joten vähän luettuaan se piti kirjoittaa takaisin.
Magnetoresistiivisen muistin nykyaikaisessa kehityksessä renkaiden sijasta käytetään kahta ferromagneettikerrosta, jotka on erotettu eristeellä. Yksi kerros on kestomagneetti ja toinen muuttaa magnetoinnin suuntaa. Hieman lukeminen tällaisesta kennosta laskee resistanssin mittaamisen virran ohittaessa: jos kerrokset magnetoidaan vastakkaisiin suuntiin, vastus on suurempi ja tämä vastaa arvoa "1".
Ferriittimuisti ei vaadi jatkuvaa virtalähdettä tallennetun tiedon ylläpitämiseen, mutta kennon magneettikenttä voi vaikuttaa "naapuriin", mikä asettaa rajoituksen piirin tiivistymiselle.
Mukaan Flash-muistiin perustuvien SSD-asemien, joissa ei ole virtaa, on säilytettävä tiedot vähintään kolme kuukautta 40 °C:n lämpötilassa. Intelin suunnittelema lupaa säilyttää tietoja kymmenen vuoden ajan 200°C:ssa.
Kehityksen monimutkaisuudesta huolimatta magnetoresistinen muisti ei heikkene käytön aikana ja sillä on paras suorituskyky muiden muistityyppien joukossa, mikä ei salli tämän tyyppisen muistin poistamista.
Vaiheenvaihtomuisti
Kolmas lupaava muistityyppi on vaihemuutokseen perustuva muisti. Tämän tyyppinen muisti käyttää kalkogenidien ominaisuuksia vaihtaakseen kiteisen ja amorfisen tilan välillä kuumennettaessa.
Kalkogenides — jaksollisen järjestelmän 16. ryhmän (pääalaryhmän 6. ryhmä) metallien binääriyhdisteet. Esimerkiksi CD-RW-, DVD-RW-, DVD-RAM- ja Blu-ray-levyt käyttävät germaniumtelluridia (GeTe) ja antimonitelluridia (III) (Sb2Te3).
Tutkimus vaihesiirtymän käytöstä tiedon tallentamiseen tehtiin vuonna 1960-luku vuonna Stanford Ovshinsky, mutta sitten se ei tullut kaupalliseen käyttöön. 2000-luvulla kiinnostus tekniikkaa kohtaan heräsi uudelleen, Samsungin patentoima teknologia, joka mahdollistaa bittien vaihdon 5 ns:ssa, ja Intel ja STMicroelectronics kasvattivat tilojen lukumäärän neljään, mikä kaksinkertaisti mahdollisen kapasiteetin.
Kuumennettaessa sulamispisteen yläpuolelle kalkogenidi menettää kiderakenteensa ja muuttuu jäähtyessään amorfiseen muotoon, jolle on tunnusomaista korkea sähkövastus. Kun kalkogenidi puolestaan kuumennetaan kiteytymispisteen yläpuolelle, mutta sulamispisteen alapuolelle, se palaa kiteiseen tilaan, jolla on alhainen vastus.
Vaiheenmuutosmuisti ei vaadi "uudelleenlatausta" ajan myötä, eikä se myöskään ole herkkä säteilylle, toisin kuin sähköisesti ladattu muisti. Tämäntyyppinen muisti voi säilyttää tietoja 300 vuotta 85 °C:n lämpötilassa.
Uskotaan, että Intel-teknologian kehitys 3D Crosspoint (3D XPpoint) Se käyttää vaihesiirtymiä tietojen tallentamiseen. 3D XPointia käytetään Intel® Optane™ -muistiasemissa, joiden väitetään olevan kestävämpiä.
Johtopäätös
Solid-state-asemien fyysinen suunnittelu on kokenut monia muutoksia yli puolen vuosisadan historian aikana, mutta jokaisessa ratkaisussa on haittapuolensa. Huolimatta Flash-muistin kiistattomasta suosiosta useat yritykset, kuten Samsung ja Intel, tutkivat mahdollisuutta luoda muistia magneettisten momenttien perusteella.
Kennojen kulumisen vähentäminen, niiden tiivistäminen ja taajuusmuuttajan kokonaiskapasiteetin lisääminen ovat tällä hetkellä lupaavia alueita solid-state-asemien jatkokehityksessä.
Voit testata nykypäivän tyylikkäimpiä NAND- ja 3D XPoint -asemia juuri nyt meidän .
Luuletko, että sähkövarausten tiedon tallennusteknologiat korvataan muilla, esimerkiksi kvartsilevyillä tai optisella muistilla suolan nanokiteillä?
Lähde: will.com