Les parties précédentes de la série « Introduction au SSD » ont raconté au lecteur l'histoire de l'émergence des disques SSD, les interfaces pour interagir avec eux et les facteurs de forme populaires. La quatrième partie parlera du stockage des données dans des disques.
Dans les articles précédents de la série :
Le stockage des données sur des disques SSD peut être divisé en deux parties logiques : le stockage des informations dans une seule cellule et l'organisation du stockage des cellules.
Chaque cellule d'un disque SSD stocke une ou plusieurs informations. Différents types d'informations sont utilisés pour stocker des informations. processus physiques. Lors du développement de disques SSD, les grandeurs physiques suivantes ont été prises en compte pour le codage des informations :
- charges électriques (y compris la mémoire Flash) ;
- moments magnétiques (mémoire magnétorésistive) ;
- états de phase (mémoire avec changement d'état de phase).
Mémoire basée sur des charges électriques
Le codage des informations à l'aide d'une charge négative sous-tend plusieurs solutions :
- ROM effaçable aux ultraviolets (EPROM);
- ROM effaçable électriquement (EEPROM);
- Mémoire flash.
Chaque cellule mémoire est MOSFET à grille flottante, qui stocke une charge négative. Sa différence avec un transistor MOS conventionnel réside dans la présence d'une grille flottante - un conducteur dans la couche diélectrique.
Lorsqu'une différence de potentiel est créée entre le drain et la source et qu'il y a un potentiel positif à la grille, le courant circule de la source au drain. Cependant, s’il existe une différence de potentiel suffisamment importante, certains électrons « traversent » la couche diélectrique et se retrouvent dans la grille flottante. Ce phénomène est appelé .
Une grille flottante chargée négativement crée un champ électrique qui empêche le courant de circuler de la source au drain. De plus, la présence d'électrons dans la grille flottante augmente la tension de seuil à laquelle le transistor devient passant. A chaque « écriture » sur la grille flottante du transistor, la couche diélectrique est légèrement endommagée, ce qui impose une limite au nombre de cycles de réécriture de chaque cellule.
Les MOSFET à grille flottante ont été développés par Dawon Kahng et Simon Min Sze aux Bell Labs en 1967. Plus tard, lors de l'étude des défauts des circuits intégrés, il a été remarqué qu'en raison de la charge dans la grille flottante, la tension de seuil qui ouvre le transistor changeait. Cette découverte a incité Dov Frohman à commencer à travailler sur la mémoire à partir de ce phénomène.
Changer la tension de seuil permet de « programmer » les transistors. Les transistors à grille flottante ne s'activent pas lorsque la tension de grille est supérieure à la tension de seuil pour un transistor sans électrons, mais inférieure à la tension de seuil pour un transistor avec électrons. Appelons cette valeur tension de lecture.
Mémoire morte programmable effaçable
En 1971, Dov Frohman, employé d'Intel, a créé une mémoire réinscriptible à transistors appelée Mémoire morte programmable effaçable (EPROM). L'enregistrement en mémoire a été effectué à l'aide d'un appareil spécial - un programmeur. Le programmeur applique à la puce une tension plus élevée que celle utilisée dans les circuits numériques, « écrivant » ainsi des électrons sur les grilles flottantes des transistors là où cela est nécessaire.
La mémoire EPROM n’est pas destinée à nettoyer électriquement les grilles flottantes des transistors. Au lieu de cela, il a été proposé d'exposer les transistors à une forte lumière ultraviolette, dont les photons donneraient aux électrons l'énergie nécessaire pour s'échapper de la grille flottante. Pour permettre à la lumière ultraviolette de pénétrer profondément dans la puce, du verre de quartz a été ajouté au boîtier.
Froman a présenté pour la première fois son prototype EPROM en février 1971 lors de la Solid State Circuit Conference à Philadelphie. Gordon Moore a rappelé la démonstration : « Dov a démontré la configuration binaire dans les cellules mémoire EPROM. Lorsque les cellules ont été exposées à la lumière ultraviolette, les bits ont disparu un par un jusqu'à ce que le logo Intel inconnu soit complètement effacé. … Les rythmes ont disparu, et lorsque le dernier a disparu, tout le public a applaudi. L’article de Dov a été reconnu comme le meilleur de la conférence. — Traduction de l'article
La mémoire EPROM est plus chère que les dispositifs de mémoire morte (ROM) « jetables » précédemment utilisés, mais la possibilité de reprogrammer vous permet de déboguer les circuits plus rapidement et de réduire le temps nécessaire au développement d'un nouveau matériel.
La reprogrammation des ROM avec la lumière ultraviolette a constitué une avancée majeure, cependant, l'idée de la réécriture électrique était déjà dans l'air.
Mémoire morte programmable effaçable électriquement
En 1972, trois Japonais : Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi et Kiyoko Nagai introduisent la première mémoire morte effaçable électriquement (EEPROM ou E2PROM). Plus tard, leurs recherches scientifiques feront partie des brevets pour les implémentations commerciales de la mémoire EEPROM.
Chaque cellule mémoire EEPROM est constituée de plusieurs transistors :
- transistor à grille flottante pour le stockage de bits ;
- transistor pour contrôler le mode lecture-écriture.
Cette conception complique grandement le câblage du circuit électrique, c'est pourquoi la mémoire EEPROM a été utilisée dans les cas où une petite quantité de mémoire n'était pas critique. L'EPROM était encore utilisée pour stocker de grandes quantités de données.
Mémoire flash
La mémoire Flash, combinant les meilleures fonctionnalités de l'EPROM et de l'EEPROM, a été développée par le professeur japonais Fujio Masuoka, ingénieur chez Toshiba, en 1980. Le premier développement s'appelait mémoire Flash NOR et, comme ses prédécesseurs, est basé sur des MOSFET à grille flottante.
La mémoire flash NOR est un réseau bidimensionnel de transistors. Les grilles des transistors sont connectées à la ligne de mots et les drains sont connectés à la ligne de bits. Lorsqu'une tension est appliquée à la ligne de mots, les transistors contenant des électrons, c'est-à-dire stockant « un », ne s'ouvriront pas et le courant ne circulera pas. Sur la base de la présence ou de l'absence de courant sur la ligne de bit, une conclusion est tirée sur la valeur du bit.
Sept ans plus tard, Fujio Masuoka développe la mémoire Flash NAND. Ce type de mémoire diffère par le nombre de transistors sur la ligne de bits. Dans la mémoire NOR, chaque transistor est directement connecté à une ligne de bit, tandis que dans la mémoire NAND, les transistors sont connectés en série.
La lecture depuis la mémoire de cette configuration est plus difficile : la tension nécessaire à la lecture est appliquée à la ligne nécessaire du mot, et la tension est appliquée à toutes les autres lignes du mot, ce qui ouvre le transistor quel que soit le niveau de charge qu'il contient. Puisque tous les autres transistors sont garantis ouverts, la présence de tension sur la ligne de bit ne dépend que d'un seul transistor auquel la tension de lecture est appliquée.
L'invention de la mémoire Flash NAND permet de compresser considérablement le circuit, en plaçant plus de mémoire dans la même taille. Jusqu’en 2007, la capacité mémoire était augmentée en réduisant le processus de fabrication de la puce.
En 2007, Toshiba a introduit une nouvelle version de la mémoire NAND : NAND verticale (V-NAND), aussi connu sous le nom NAND 3D. Cette technologie met l'accent sur le placement des transistors sur plusieurs couches, ce qui permet à nouveau d'obtenir des circuits plus denses et une capacité de mémoire accrue. Cependant, le compactage du circuit ne peut être répété indéfiniment, c'est pourquoi d'autres méthodes ont été explorées pour augmenter la capacité de stockage.
Initialement, chaque transistor stockait deux niveaux de charge : le zéro logique et le un logique. Cette approche est appelée Cellule à un seul niveau (SLC). Les disques dotés de cette technologie sont très fiables et disposent d'un nombre maximum de cycles de réécriture.
Au fil du temps, il a été décidé d’augmenter la capacité de stockage au détriment de la résistance à l’usure. Ainsi, le nombre de niveaux de charge dans une cellule peut aller jusqu'à quatre, et la technologie a été appelée Cellule à plusieurs niveaux (MLC). Vint ensuite Cellule à trois niveaux (TLC) и Cellule à quatre niveaux (QLC). Il y aura un nouveau niveau dans le futur - Cellule de niveau Penta (PLC) avec cinq bits par cellule. Plus il y a de bits dans une cellule, plus la capacité de stockage est grande pour le même coût, mais moins la résistance à l'usure est importante.
Le compactage du circuit en réduisant le processus technique et en augmentant le nombre de bits dans un transistor affecte négativement les données stockées. Malgré le fait que l'EPROM et l'EEPROM utilisent les mêmes transistors, l'EPROM et l'EEPROM peuvent stocker des données sans alimentation pendant dix ans, tandis que la mémoire Flash moderne peut tout « oublier » après un an.
L'utilisation de la mémoire Flash dans l'industrie spatiale est difficile car le rayonnement a un effet néfaste sur les électrons des grilles flottantes.
Ces problèmes empêchent la mémoire Flash de devenir le leader incontesté dans le domaine du stockage d'informations. Malgré le fait que les lecteurs basés sur la mémoire Flash soient très répandus, des recherches sont en cours sur d'autres types de mémoire qui ne présentent pas ces inconvénients, notamment le stockage d'informations dans des moments magnétiques et des états de phase.
Mémoire magnétorésistive
Le codage des informations avec des moments magnétiques est apparu en 1955 sous forme de mémoire sur noyaux magnétiques. Jusqu’au milieu des années 1970, la mémoire en ferrite était le principal type de mémoire. Lire un peu de ce type de mémoire entraînait une démagnétisation de l'anneau et une perte d'informations. Ainsi, après avoir lu un peu, il a fallu le réécrire.
Dans les développements modernes de mémoire magnétorésistive, au lieu d'anneaux, deux couches de ferromagnétique sont utilisées, séparées par un diélectrique. Une couche est un aimant permanent et la seconde change la direction de magnétisation. Lire un peu dans une telle cellule revient à mesurer la résistance au passage du courant : si les couches sont magnétisées dans des sens opposés, alors la résistance est plus grande et cela équivaut à la valeur « 1 ».
La mémoire en ferrite ne nécessite pas une source d'alimentation constante pour conserver les informations enregistrées, cependant, le champ magnétique de la cellule peut influencer le « voisin », ce qui impose une limitation au compactage du circuit.
selon Les disques SSD basés sur une mémoire Flash sans alimentation doivent conserver les informations pendant au moins trois mois à une température ambiante de 40°C. Conçu par Intel promet de stocker les données pendant dix ans à 200°C.
Malgré la complexité de développement, la mémoire magnétorésistive ne se dégrade pas lors de l'utilisation et présente les meilleures performances parmi les autres types de mémoire, ce qui ne permet pas d'effacer ce type de mémoire.
Mémoire de changement de phase
Le troisième type de mémoire prometteur est la mémoire basée sur le changement de phase. Ce type de mémoire utilise les propriétés des chalcogénures pour basculer entre les états cristallin et amorphe lorsqu'il est chauffé.
Chalcogénures — composés binaires de métaux du 16ème groupe (6ème groupe du sous-groupe principal) du tableau périodique. Par exemple, les disques CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM et Blu-ray utilisent 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 de l'information ont été menées en années 1960 année par Stanford Ovshinsky, mais cela n'a pas abouti à une mise en œuvre commerciale. Dans les années 2000, la technologie a connu un regain d'intérêt, Samsung a breveté une technologie permettant une commutation de bits en 5 ns, et Intel et STMicroelectronics ont augmenté le nombre d'états à quatre, doublant ainsi la capacité possible.
Lorsqu'il est chauffé au-dessus du point de fusion, le chalcogénure perd sa structure cristalline et, lors du refroidissement, se transforme en une forme amorphe caractérisée par une résistance électrique élevée. À son tour, lorsqu'il est chauffé à une température supérieure au point de cristallisation, mais inférieure au point de fusion, le chalcogénure revient à un état cristallin avec un faible niveau de résistance.
La mémoire à changement de phase ne nécessite pas de « recharge » au fil du temps et n’est pas non plus sensible aux radiations, contrairement à la mémoire chargée électriquement. Ce type de mémoire peut conserver des informations pendant 300 ans à une température de 85°C.
On pense que le développement de la technologie Intel Point de croisement 3D (3D XPoint) Il utilise des transitions de phase pour stocker des informations. 3D XPoint est utilisé dans les disques de mémoire Intel® Optane™, qui prétendent avoir une plus grande endurance.
Conclusion
La conception physique des disques SSD a subi de nombreux changements au cours de plus d'un demi-siècle d'histoire, cependant, chacune des solutions présente ses inconvénients. Malgré la popularité indéniable de la mémoire Flash, plusieurs sociétés, dont Samsung et Intel, explorent la possibilité de créer une mémoire basée sur des moments magnétiques.
Réduire l'usure des cellules, les compacter et augmenter la capacité globale du disque sont des domaines actuellement prometteurs pour le développement ultérieur des disques SSD.
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Pensez-vous que les technologies de stockage d'informations sur les charges électriques seront remplacées par d'autres, par exemple les disques de quartz ou la mémoire optique sur nanocristaux de sel ?
Source: habr.com