Les parties précédentes du cycle « Introduction aux SSD » ont informé le lecteur sur l'histoire de l'apparition des disques SSD, les interfaces de communication avec eux et les formats populaires. La quatrième partie parlera du stockage des données à l'intérieur des disques.
Dans les articles précédents du cycle :
Le stockage des données dans les disques à état solide peut être divisé en deux parties logiques : le stockage des informations dans une cellule et l'organisation du stockage des cellules.
Chaque cellule d'un disque à état solide stocke un ou plusieurs bits d'information. Diverses processus physiquessont utilisés pour le stockage des informations. Lors de la conception des disques à état solide, les grandeurs physiques suivantes ont été étudiées pour coder l'information :
- charges électriques (y compris la mémoire Flash);
- moments magnétiques (mémoire magnétorésistive);
- états de phase (mémoire à changement d'état de phase).
La mémoire basée sur des charges électriques
Le codage des informations par une charge négative est à la base de plusieurs solutions :
- ROM effaçables par UV (EPROM);
- ROM électriquement effaçables (EEPROM);
- mémoire Flash.
Chaque cellule de mémoire est un transistor MOS à effet de champ avec une grille flottante, où est stockée une charge négative. Sa différence par rapport à un transistor MOS ordinaire réside dans la présence d'une grille flottante — un conducteur dans une couche diélectrique.
Lors de l'établissement d'une différence de potentiel entre le drain et la source et la présence d'un potentiel positif sur la grille, un courant circulera du drain à la source. Cependant, avec une différence de potentiel suffisamment grande, certains électrons « perforent » la couche diélectrique et se retrouvent dans la grille flottante. Ce phénomène s'appelle .
La grille flottante chargée négativement crée un champ électrique qui entrave la circulation du courant du drain à la source. De plus, la présence d'électrons dans la grille flottante augmente la tension de seuil à laquelle le transistor s'ouvre. À chaque « écriture » dans la grille flottante du transistor, la couche diélectrique est légèrement endommagée, ce qui impose une limite au nombre de cycles d'écriture de chaque cellule.
Les transistors MOS à grille flottante ont été développés par Dawon Kahng et Simon Min Sze de Bell Labs en 1967. Par la suite, lors de recherches sur les défauts des circuits intégrés, il a été observé que la charge dans la grille flottante avait modifié la tension de seuil qui ouvre le transistor. Cette découverte a incité Dov Frohman à commencer à travailler sur une mémoire basée sur ce phénomène.
La modification de la tension de seuil permet de « programmer » les transistors. Les transistors avec une charge dans la grille flottante ne s'ouvriront pas lorsque la tension appliquée à la grille est supérieure à la tension de seuil pour un transistor sans électrons, mais inférieure à la tension de seuil pour un transistor avec des électrons. Appelons cette valeur la tension de lecture.
Mémoire morte programmable effaçable
En 1971, un employé d'Intel, Dov Frohman, a créé une mémoire réinscriptible basée sur des transistors, appelée Mémoire morte programmable effaçable (EPROM). L'enregistrement dans la mémoire se faisait à l'aide d'un dispositif spécial — un programmateur. Le programmateur applique une tension plus élevée au circuit intégré que celle utilisée dans les circuits numériques, « enregistrant » ainsi des électrons dans les grilles flottantes des transistors là où cela est nécessaire.
Dans la mémoire EPROM, aucune méthode d'effacement électrique des grilles flottantes des transistors n'était prévue. À la place, il était proposé d'exposer les transistors à un fort rayonnement ultraviolets, dont les photons fournissent l'énergie nécessaire aux électrons pour quitter la grille flottante. Pour permettre à l'ultraviolet de pénétrer à l'intérieur du circuit intégré, du verre de quartz a été ajouté au boîtier.
Frohman a présenté pour la première fois son prototype d'EPROM en février 1971 lors d'une conférence sur les circuits intégrés solides à Philadelphie. Gordon Moore a évoqué la démonstration : « Dov a montré un dessin binaire dans les cellules de mémoire EPROM. Lorsque les cellules étaient exposées à la lumière ultraviolette, les bits disparaissaient un à un, jusqu'à ce qu'un logo Intel familier soit complètement effacé... Les bits disparaissaient, et lorsque le dernier a disparu, l'ensemble de l'auditoire a éclaté en applaudissements. L'article de Dov a été jugé le meilleur de la conférence. » — Traduction de l'article
La mémoire EPROM est plus coûteuse que les dispositifs de stockage à accès aléatoire (ROM) « à usage unique » précédemment utilisés, cependant, la possibilité de reprogrammation permet de déboguer les schémas plus rapidement et de réduire le temps de développement de nouveaux matériels.
La reprogrammation de la ROM par lumière ultraviolette a été une avancée significative, cependant, l'idée de réécriture électrique flottait déjà dans l'air.
Mémoire morte électriquement effaçable et programmée
En 1972, trois Japonais : Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi et Kiyoko Nagai ont présenté le premier dispositif de stockage à accès aléatoire électriquement effaçable (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM ou E2PROM). Leurs recherches scientifiques deviendront plus tard une partie des brevets pour des réalisations commerciales de la mémoire EEPROM.
Chaque cellule de mémoire EEPROM est composée de plusieurs transistors :
- un transistor à grille flottante pour stocker un bit ;
- un transistor pour contrôler le mode de lecture-écriture.
Cette conception complique considérablement le câblage du circuit électrique, c'est pourquoi la mémoire EEPROM était utilisée dans les cas où un petit volume de mémoire n'était pas critique. Pour le stockage de grandes quantités de données, on utilisait toujours l'EPROM.
Mémoire Flash
La mémoire Flash, combinant les meilleures caractéristiques de l'EPROM et de l'EEPROM, a été développée en 1980 par le professeur japonais Fujio Masuoka, ingénieur chez Toshiba. Le premier développement a été appelé mémoire Flash de type NOR et, comme ses prédécesseurs, est basé sur des transistors MOS de champ à grille flottante.
La mémoire Flash de type NOR est un tableau bidimensionnel de transistors. Les grilles des transistors sont connectées à une ligne de mots, tandis que les drains sont connectés à une ligne de bits. Lorsqu'une tension est appliquée à la ligne de mots, les transistors contenant des électrons, c'est-à-dire stockant un « un », ne s'ouvrent pas et le courant ne passe pas. La présence ou l'absence de courant sur la ligne de bits permet de déterminer la valeur du bit.
Sept ans plus tard, Fujio Masuoka a développé la mémoire Flash de type NAND. Ce type de mémoire se distingue par le nombre de transistors sur la ligne de bit. Dans la mémoire de type NOR, chaque transistor est connecté directement à la ligne de bit, tandis que dans la mémoire NAND, les transistors sont connectés en série.
La lecture à partir de la mémoire de cette configuration est plus complexe : une tension nécessaire à la lecture est appliquée à la ligne de mots requise, tandis qu’une tension qui ouvre le transistor, indépendamment de son niveau de charge, est appliquée à toutes les autres lignes de mots. Étant donné que tous les autres transistors sont garantis d’être ouverts, la présence de tension sur la ligne de bit dépend uniquement d’un seul transistor auquel la tension de lecture est appliquée.
L'invention de la mémoire Flash de type NAND permet de compacter considérablement le circuit, en logeant un plus grand volume de mémoire dans les mêmes dimensions. Jusqu'en 2007, la capacité de la mémoire était augmentée par la réduction du processus de fabrication de la puce.
En 2007, la société Toshiba a présenté une nouvelle version de la mémoire NAND : Vertical NAND (V-NAND), également connue sous le nom de 3D NAND. Dans cette technologie, l'accent est mis sur l'empilement des transistors en plusieurs couches, ce qui permet à nouveau de compacter le circuit et d'augmenter la capacité de mémoire. Cependant, la compaction du circuit ne peut pas se répéter indéfiniment, c'est pourquoi d'autres méthodes d'augmentation de la capacité de stockage ont été explorées.
À l'origine, chaque transistor stockait deux niveaux de charge : zéro logique et un logique. Cette approche est appelée Single-Level Cell (SLC). Les unités reposant sur cette technologie se distinguent par leur fiabilité élevée et leur maximum de cycles d'écriture.
Avec le temps, il a été décidé d'augmenter la capacité des unités au détriment de la durabilité. Ainsi, le nombre de niveaux de charge dans la cellule a atteint quatre, et la technologie a été appelée Multi-Level Cell (MLC). Par la suite, sont apparues Triple-Level Cell (TLC) et Quad-Level Cell (QLC). À l'avenir, un nouveau niveau apparaîtra — Penta-Level Cell (PLC) avec cinq bits dans une seule cellule. Plus il y a de bits dans une cellule, plus la capacité de l'unité est grande pour le même coût, mais la durabilité diminue.
La compaction des circuits par la réduction du processus technologique et l'augmentation du nombre de bits par transistor a des effets négatifs sur les données stockées. Bien que les mêmes transistors soient utilisés dans l'EPROM et l'EEPROM, l'EPROM et l'EEPROM peuvent conserver les données sans alimentation pendant dix ans, alors que la mémoire Flash moderne peut tout « oublier » en seulement un an.
L'utilisation de la mémoire Flash dans l'industrie spatiale est problématique, car les radiations affectent négativement les électrons dans les portes flottantes.
Les problèmes énumérés empêchent la mémoire Flash de devenir le leader incontesté dans le domaine du stockage d'informations. Bien que les dispositifs basés sur la mémoire Flash soient largement répandus, des recherches sont en cours sur d'autres types de mémoire qui échappent à ces défauts, notamment le stockage d'informations dans des moments magnétiques et des états de phase.
Mémoire magnétorésistive
Le codage des informations par des moments magnétiques est apparu en 1955 sous la forme de mémoire à noyaux magnétiques. Jusqu'au milieu des années 1970, la mémoire ferrite était le principal type de mémoire. La lecture d'un bit de mémoire de ce type entraînait le démagnétisation de l'anneau et la perte d'informations. Ainsi, après la lecture d'un bit, il fallait le réécrire.
Dans les développements modernes de la mémoire magnétorésistive, au lieu d'anneaux, deux couches de ferromagnétique séparées par un diélectrique sont utilisées. Une couche est un aimant permanent, tandis que l'autre modifie la direction de son aimantation. La lecture d'un bit à partir de cette cellule se réduit à mesurer la résistance lors du passage du courant : si les couches sont magnétisées dans des directions opposées, la résistance est plus élevée, ce qui équivaut à la valeur « 1 ».
La mémoire ferrite ne nécessite pas de source d'alimentation constante pour maintenir les informations enregistrées, cependant, le champ magnétique de la cellule peut affecter le « voisin », ce qui impose une limitation sur la densité du circuit.
Selon Les disques SSD basés sur la mémoire Flash doivent conserver les informations sans alimentation pendant au moins trois mois à une température ambiante de 40 °C. Développé par Intel, promet de conserver les données pendant dix ans à une température de 200 °C.
Malgré la complexité de son développement, la mémoire magnétorésistive ne se dégrade pas pendant l'utilisation et offre de meilleures performances par rapport à d'autres types de mémoire, ce qui empêche de rejeter ce type de mémoire.
Mémoire à changement d'état de phase
Le troisième type de mémoire prometteur est la mémoire à base de transition de phase. Ce type de mémoire utilise les propriétés des chalcogénides pour passer entre un état cristallin et amorphe lors du chauffage.
Chalcogénides — les connexions binaires des métaux avec le groupe 16 (groupe 6 de la sous-catégorie principale) du tableau périodique de Mendeleïev. Par exemple, dans les disques CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM et Blu-ray, on utilise du tellurure de germanium (GeTe) et du tellurure d'antimoine (III) (Sb2Te3).
Des recherches sur l'utilisation de la transition de phase pour le stockage d'informations ont été menées dans les années 1960 par Stanford Ovshinsky, mais à l'époque, cela n'a pas abouti à une réalisation commerciale. Dans les années 2000, un nouvel intérêt pour cette technologie a émergé, Samsung a breveté une technologie permettant de commuter un bit en 5 ns, tandis qu'Intel et STMicroelectronics ont augmenté le nombre d'états à quatre, doublant ainsi le volume possible.
Lors du chauffage au-dessus du point de fusion, le chalcogénure perd sa structure cristalline et, en refroidissant, se transforme en forme amorphe, caractérisée par une résistance électrique élevée. En revanche, lorsqu'il est chauffé à une température supérieure au point de cristallisation, mais inférieure au point de fusion, le chalcogénure retourne à l'état cristallin avec un faible niveau de résistance.
La mémoire à changement de phase ne nécessite pas de 'recharge' avec le temps et n'est pas sensible aux radiations, contrairement à la mémoire à charges électriques. Ce type de mémoire peut conserver des informations pendant 300 ans à une température de 85°C.
On considère que le développement d'Intel, la technologie 3D Crosspoint (3D XPoint) utilise justement les transitions de phase pour le stockage d'informations. 3D XPoint est utilisé dans les unités de mémoire Intel® Optane™, pour lesquelles une grande durabilité est annoncée.
Conclusion
Le dispositif physique des disques à état solide a subi de nombreuses évolutions au cours de plus de cinquante ans d'histoire ; cependant, chacune des solutions présente ses inconvénients. Malgré la popularité indiscutable de la mémoire Flash, plusieurs entreprises, y compris Samsung et Intel, étudient la possibilité de créer une mémoire basée sur des moments magnétiques.
La réduction de l'usure des cellules, leur compression et l'augmentation de la capacité totale du stockage sont les directions qui, à l'heure actuelle, semblent prometteuses pour le développement futur des disques à état solide.
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Pensez-vous que la technologie de stockage d'informations sur des charges électriques sera remplacée par d'autres, comme les disques en quartz ou la mémoire optique sur des nanocristaux de sel ?
Source : habr.com
