🥇SSD का परिचय। भाग 4. भौतिक

श्रृंखला के पिछले भाग "एसएसडी का परिचय" में पाठकों को एसएसडी ड्राइव के इतिहास, उनके साथ बातचीत करने के लिए इंटरफेस और लोकप्रिय फॉर्म फैक्टर के बारे में बताया गया था। चौथा भाग ड्राइव के अंदर डेटा संग्रहीत करने के बारे में बताएगा।

श्रृंखला के पिछले लेखों में:

सॉलिड-स्टेट ड्राइव में डेटा भंडारण को दो तार्किक भागों में विभाजित किया जा सकता है: एकल सेल में सूचना संग्रहीत करना और सेलों के भंडारण को व्यवस्थित करना।

एक ठोस अवस्था ड्राइव का प्रत्येक सेल संग्रहीत करता है एक या अधिक जानकारीजानकारी संग्रहीत करने के लिए विभिन्न प्रकार के डेटा का उपयोग किया जाता है। भौतिक प्रक्रियाएंसॉलिड-स्टेट ड्राइव विकसित करते समय, सूचना को एन्कोड करने के लिए निम्नलिखित भौतिक राशियों पर काम किया गया:

विद्युत शुल्क (फ़्लैश मेमोरी सहित);
चुंबकीय क्षण (चुंबकीय प्रतिरोधी स्मृति);
चरण अवस्थाएँ (चरण परिवर्तन मेमोरी).

विद्युत आवेश पर आधारित स्मृति

ऋणात्मक आवेश का उपयोग करके सूचना को एनकोड करना कई समाधानों का आधार है:

पराबैंगनी मिटने योग्य ROM (EPROM);
विद्युतीय रूप से मिटने योग्य ROM (EEPROM);
फ्लैश मेमोरी।

प्रत्येक स्मृति सेल है फ्लोटिंग गेट MOSFET, जो एक ऋणात्मक आवेश को संग्रहीत करता है। यह एक पारंपरिक MOSFET से एक फ़्लोटिंग गेट - एक ढांकता हुआ परत में एक कंडक्टर होने के कारण भिन्न होता है।

जब ड्रेन और स्रोत के बीच एक संभावित अंतर पैदा होता है और गेट पर एक सकारात्मक संभावित होता है, तो स्रोत से ड्रेन तक करंट प्रवाहित होगा। हालाँकि, यदि संभावित अंतर काफी बड़ा है, तो कुछ इलेक्ट्रॉन डाइइलेक्ट्रिक परत को "तोड़कर" फ़्लोटिंग गेट में पहुँच जाएँगे। इस घटना को कहा जाता है सुरंग प्रभाव.

नकारात्मक रूप से चार्ज किया गया फ़्लोटिंग गेट एक विद्युत क्षेत्र बनाता है जो स्रोत से नाली तक करंट को बहने से रोकता है। इसके अलावा, फ़्लोटिंग गेट में इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति उस थ्रेशोल्ड वोल्टेज को बढ़ाती है जिस पर ट्रांजिस्टर खुलता है। हर बार जब ट्रांजिस्टर का फ़्लोटिंग गेट "लिखा" जाता है, तो ढांकता हुआ परत थोड़ा क्षतिग्रस्त हो जाता है, जो प्रत्येक सेल के लिए पुनर्लेखन चक्रों की संख्या पर एक सीमा लगाता है।

फ्लोटिंग-गेट MOSFETs को 1967 में बेल लैब्स में डावन कांग और साइमन मिन सेज़ द्वारा विकसित किया गया था। बाद में, एकीकृत सर्किट में दोषों की जांच करते समय, यह देखा गया कि फ्लोटिंग गेट में चार्ज ने ट्रांजिस्टर को चालू करने वाले थ्रेशोल्ड वोल्टेज को बदल दिया। इस खोज ने डोव फ्रोहमैन को इस घटना के आधार पर मेमोरी पर काम करना शुरू करने के लिए प्रेरित किया।

थ्रेसहोल्ड वोल्टेज को बदलने से आप ट्रांजिस्टर को "प्रोग्राम" कर सकते हैं। फ्लोटिंग गेट में चार्ज वाले ट्रांजिस्टर गेट पर वोल्टेज लगाने पर नहीं खुलेंगे जो इलेक्ट्रॉनों के बिना ट्रांजिस्टर के लिए थ्रेसहोल्ड वोल्टेज से अधिक है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों वाले ट्रांजिस्टर के लिए थ्रेसहोल्ड वोल्टेज से कम है। आइए इस मान को कॉल करें रीडिंग वोल्टेज.

मिटने योग्य प्रोग्रामयोग्य रीड-ओनली मेमोरी

1971 में, इंटेल कर्मचारी डोव फ्रोहमैन ने एक पुनर्लेखन योग्य ट्रांजिस्टर मेमोरी बनाई जिसे कहा गया इरेसेबल प्रोग्रामेबल रीड-ओनली मेमोरी (EPROM)मेमोरी में रिकॉर्डिंग एक विशेष डिवाइस - प्रोग्रामर का उपयोग करके की गई थी। प्रोग्रामर डिजिटल सर्किट में उपयोग किए जाने वाले वोल्टेज की तुलना में चिप को उच्च वोल्टेज की आपूर्ति करता है, जिससे ट्रांजिस्टर के फ्लोटिंग गेट्स में इलेक्ट्रॉनों को "लिखा" जाता है, जहाँ आवश्यक हो।

EPROM मेमोरी को ट्रांजिस्टर के फ्लोटिंग गेट को विद्युत रूप से साफ़ करने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया था। इसके बजाय, ट्रांजिस्टर को मजबूत पराबैंगनी विकिरण के संपर्क में लाने का प्रस्ताव था, जिसके फोटॉन फ्लोटिंग गेट को छोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा के साथ इलेक्ट्रॉनों को सक्रिय करते हैं। चिप में गहराई तक पराबैंगनी विकिरण पहुँचने देने के लिए केस में क्वार्ट्ज़ ग्लास जोड़ा गया था।

फ्रोमैन ने पहली बार अपना EPROM प्रोटोटाइप फरवरी 1971 में फिलाडेल्फिया में एक सॉलिड-स्टेट सर्किट कॉन्फ्रेंस में प्रस्तुत किया था। गॉर्डन मूर ने प्रदर्शन को याद करते हुए कहा: "डोव ने EPROM मेमोरी सेल में बिट पैटर्न का प्रदर्शन किया। जब सेल पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में आए, तो बिट्स एक-एक करके गायब हो गए, जब तक कि परिचित इंटेल लोगो पूरी तरह से मिट नहीं गया। ... बिट्स गायब हो गए, और जब आखिरी बिट गायब हो गया, तो पूरा दर्शक तालियाँ बजाने लगा। डोव के पेपर को कॉन्फ्रेंस का सर्वश्रेष्ठ पेपर चुना गया।" — लेख का अनुवाद newsroom.intel.com

ईपीरोम मेमोरी पहले प्रयुक्त "वन-टाइम" रीड-ओनली मेमोरी (रोम) की तुलना में अधिक महंगी है, लेकिन पुनः प्रोग्राम करने की क्षमता से सर्किट को तेजी से डीबग किया जा सकता है और नया हार्डवेयर विकसित करने में लगने वाला समय कम हो जाता है।

पराबैंगनी प्रकाश के साथ ROM को पुनः प्रोग्रामिंग करना एक बड़ी सफलता थी, लेकिन विद्युत पुनर्लेखन का विचार पहले से ही हवा में था।

विद्युतीय रूप से मिटने योग्य प्रोग्रामयोग्य रीड-ओनली मेमोरी

1972 में, तीन जापानी: यासुओ तारुई, युताका हयाशी और कियोको नागाई ने पहली इलेक्ट्रिकली इरेज़ेबल प्रोग्रामेबल रीड-ओनली मेमोरी (EEPROM या E2PROM) पेश की। उनका शोध बाद में EEPROM मेमोरी के व्यावसायिक कार्यान्वयन के लिए पेटेंट का हिस्सा बन गया।

प्रत्येक EEPROM मेमोरी सेल में कई ट्रांजिस्टर होते हैं:

बिट भंडारण के लिए फ्लोटिंग गेट ट्रांजिस्टर;
पढ़ने-लिखने के मोड को नियंत्रित करने के लिए ट्रांजिस्टर।

यह डिज़ाइन विद्युत सर्किट के लेआउट को बहुत जटिल बनाता है, इसलिए EEPROM मेमोरी का उपयोग उन मामलों में किया जाता था जहाँ मेमोरी की छोटी मात्रा महत्वपूर्ण नहीं होती थी। EPROM का उपयोग अभी भी बड़ी मात्रा में डेटा संग्रहीत करने के लिए किया जाता था।

फ्लैश मेमोरी

फ्लैश मेमोरी, जिसमें EPROM और EEPROM की सर्वोत्तम विशेषताएं सम्मिलित हैं, का विकास 1980 में तोशिबा के इंजीनियर जापानी प्रोफेसर फुजियो मासूका ने किया था। पहले विकास को NOR फ्लैश मेमोरी कहा गया था और यह अपने पूर्ववर्तियों की तरह फ्लोटिंग-गेट MOSFETs पर आधारित है।

NOR फ्लैश मेमोरी ट्रांजिस्टर की एक द्वि-आयामी सरणी है। ट्रांजिस्टर के गेट वर्ड लाइन से जुड़े होते हैं, और ड्रेन बिट लाइन से जुड़े होते हैं। जब वोल्टेज को वर्ड लाइन पर लगाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन वाले ट्रांजिस्टर, यानी "एक" को संग्रहीत करने वाले, नहीं खुलेंगे और कोई करंट प्रवाहित नहीं होगा। बिट लाइन पर करंट की मौजूदगी या अनुपस्थिति का उपयोग बिट के मूल्य का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है।

सात साल बाद, फुजियो मसुओका ने NAND फ्लैश मेमोरी विकसित की। इस प्रकार की मेमोरी बिट लाइन पर ट्रांजिस्टर की संख्या में भिन्न होती है। NOR मेमोरी में, प्रत्येक ट्रांजिस्टर सीधे बिट लाइन से जुड़ा होता है, जबकि NAND मेमोरी में, ट्रांजिस्टर श्रृंखला में जुड़े होते हैं।

इस तरह के विन्यास की मेमोरी से पढ़ना अधिक जटिल है: आवश्यक वर्ड लाइन को पढ़ने के लिए आवश्यक वोल्टेज के साथ आपूर्ति की जाती है, और अन्य सभी वर्ड लाइनों को एक वोल्टेज के साथ आपूर्ति की जाती है जो ट्रांजिस्टर को खोलता है, भले ही उसमें चार्ज का स्तर कुछ भी हो। चूंकि अन्य सभी ट्रांजिस्टर खुले होने की गारंटी है, इसलिए बिट लाइन पर वोल्टेज की उपस्थिति केवल एक ट्रांजिस्टर पर निर्भर करती है, जिसे रीडिंग वोल्टेज की आपूर्ति की जाती है।

NAND फ्लैश मेमोरी के आविष्कार से बहुत अधिक कॉम्पैक्ट डिज़ाइन संभव हुआ, जिससे एक ही स्थान पर अधिक मेमोरी पैक की जा सकी। 2007 तक, चिप की निर्माण प्रक्रिया को कम करके मेमोरी क्षमता को बढ़ाया गया था।

2007 में, तोशिबा ने NAND मेमोरी का एक नया संस्करण पेश किया: वर्टिकल NAND (V-NAND), के रूप में भी जाना जाता है 3D नंदयह तकनीक ट्रांजिस्टर को कई परतों में रखने पर जोर देती है, जो फिर से सर्किट कॉम्पैक्शन और मेमोरी क्षमता में वृद्धि की अनुमति देता है। हालाँकि, सर्किट कॉम्पैक्शन को अनिश्चित काल तक दोहराया नहीं जा सकता है, इसलिए संग्रहीत मेमोरी की मात्रा बढ़ाने के लिए अन्य तरीकों की खोज की गई है।

शुरू में, प्रत्येक ट्रांजिस्टर में चार्ज के दो स्तर संग्रहित होते थे: एक तार्किक शून्य और एक तार्किक एक। इस दृष्टिकोण को कहा जाता है एकल-स्तरीय सेल (एसएलसी)इस प्रौद्योगिकी वाले ड्राइव अत्यधिक विश्वसनीय होते हैं तथा इनमें पुनर्लेखन चक्रों की संख्या अधिकतम होती है।

समय के साथ, पहनने के प्रतिरोध की कीमत पर भंडारण क्षमता बढ़ाने का निर्णय लिया गया। इस प्रकार, एक सेल में चार्ज स्तरों की संख्या चार तक बढ़ा दी गई, और इस तकनीक को कहा गया बहु-स्तरीय सेल (एमएलसी)। उसके बाद आया ट्रिपल-लेवल सेल (टीएलसी) и क्वाड-लेवल सेल (QLC)भविष्य में एक नया स्तर होगा - पेंटा-लेवल सेल (पीएलसी) एक सेल में पाँच बिट्स होते हैं। एक सेल में जितने ज़्यादा बिट्स फिट होते हैं, उतनी ही ज़्यादा स्टोरेज क्षमता होती है, लेकिन लागत उतनी ही कम होती है, लेकिन घिसाव कम होता है।

प्रक्रिया प्रौद्योगिकी को कम करके और एक ट्रांजिस्टर में बिट्स की संख्या बढ़ाकर सर्किट को कॉम्पैक्ट करने से संग्रहीत डेटा पर नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। इस तथ्य के बावजूद कि EPROM और EEPROM एक ही ट्रांजिस्टर का उपयोग करते हैं, EPROM और EEPROM दस साल तक बिना बिजली के डेटा संग्रहीत करने में सक्षम हैं, जबकि आधुनिक फ्लैश मेमोरी एक साल के बाद सब कुछ "भूल" सकती है।

अंतरिक्ष उद्योग में फ्लैश मेमोरी का उपयोग करना कठिन है, क्योंकि विकिरण फ्लोटिंग गेट्स में इलेक्ट्रॉनों को नुकसान पहुंचा सकता है।

सूचीबद्ध समस्याएँ फ्लैश मेमोरी को सूचना भंडारण के क्षेत्र में निर्विवाद नेता बनने से रोकती हैं। इस तथ्य के बावजूद कि फ्लैश मेमोरी-आधारित ड्राइव का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, अन्य प्रकार की मेमोरी पर शोध चल रहा है जो इन कमियों से मुक्त हैं, जिसमें चुंबकीय क्षणों और चरण अवस्थाओं में सूचना संग्रहीत करना शामिल है।

चुंबकीय प्रतिरोधी स्मृति

सूचना का चुंबकीय क्षण एन्कोडिंग 1955 में चुंबकीय कोर मेमोरी के रूप में सामने आया। 1970 के दशक के मध्य तक, फेराइट मेमोरी मेमोरी का मुख्य प्रकार था। इस प्रकार की मेमोरी से बिट पढ़ने से रिंग का विचुंबकन हो जाता था और सूचना का नुकसान होता था। इस प्रकार, बिट पढ़ने के बाद, इसे वापस लिखना पड़ता था।

आधुनिक मैग्नेटोरेसिस्टिव मेमोरी डिज़ाइन में रिंग के बजाय एक डाइइलेक्ट्रिक द्वारा अलग किए गए फेरोमैग्नेट की दो परतों का उपयोग किया जाता है। एक परत एक स्थायी चुंबक है, और दूसरी चुंबकत्व की दिशा बदलती है। ऐसे सेल से बिट को पढ़ने से करंट पास करते समय प्रतिरोध को मापने में मदद मिलती है: यदि परतें विपरीत दिशाओं में चुंबकित होती हैं, तो प्रतिरोध अधिक होता है और यह "1" मान के बराबर होता है।

फेराइट मेमोरी को रिकॉर्ड की गई जानकारी को बनाए रखने के लिए निरंतर विद्युत स्रोत की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन सेल का चुंबकीय क्षेत्र उसके "पड़ोसी" को प्रभावित कर सकता है, जो सर्किट के संघनन पर एक सीमा लगाता है।

के अनुसार JEDEC बिना बिजली के फ्लैश-आधारित SSD को 40°C के परिवेशी तापमान पर कम से कम तीन महीने तक जानकारी बनाए रखनी चाहिए। इंटेल द्वारा विकसित चुंबकीय प्रतिरोधी मेमोरी चिप 200°C के तापमान पर दस वर्षों तक डेटा को संरक्षित रखने का वादा किया गया है।

विकास की जटिलता के बावजूद, मैग्नेटोरेसिस्टिव मेमोरी उपयोग के दौरान ख़राब नहीं होती है और अन्य प्रकार की मेमोरी के बीच इसका प्रदर्शन सबसे अच्छा होता है, जिसके कारण इस प्रकार की मेमोरी को ख़त्म नहीं किया जा सकता।

चरण परिवर्तन स्मृति

मेमोरी का तीसरा आशाजनक प्रकार चरण-संक्रमण मेमोरी है। इस प्रकार की मेमोरी गर्म होने पर क्रिस्टलीय और अनाकार अवस्थाओं के बीच स्विच करने के लिए चाकोजेनाइड्स के गुणों का उपयोग करती है।

चाल्कोजेनाइड्स — आवर्त सारणी के 16वें समूह (मुख्य उपसमूह के 6वें समूह) से धातुओं के द्विआधारी यौगिक। उदाहरण के लिए, जर्मेनियम टेल्यूराइड (GeTe) और एंटीमनी (III) टेल्यूराइड (Sb2Te3) का उपयोग CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM और ब्लू-रे डिस्क में किया जाता है।

सूचना भंडारण के लिए चरण संक्रमण के उपयोग पर अनुसंधान किया गया 1960 के दशक स्टैनफोर्ड ओवशिन्स्की ने इस पर काम शुरू किया, लेकिन यह कभी व्यावसायिक कार्यान्वयन तक नहीं पहुंचा। 2000 के दशक में, प्रौद्योगिकी में रुचि फिर से उभरी, सैमसंग ने एक ऐसी तकनीक का पेटेंट कराया जो 5 ns में एक बिट स्विच कर सकती थी, और इंटेल और STMicroelectronics ने राज्यों की संख्या बढ़ाकर चार कर दी, जिससे संभावित वॉल्यूम दोगुना हो गया।

पिघलने बिंदु से ऊपर गर्म करने पर, चाल्कोजनाइड अपनी क्रिस्टलीय संरचना खो देता है और ठंडा होने पर, उच्च विद्युत प्रतिरोध की विशेषता वाले अनाकार रूप में बदल जाता है। बदले में, जब क्रिस्टलीकरण बिंदु से ऊपर लेकिन पिघलने बिंदु से नीचे के तापमान पर गर्म किया जाता है, तो चाल्कोजनाइड कम प्रतिरोध स्तर के साथ एक क्रिस्टलीय अवस्था में वापस आ जाता है।

चरण परिवर्तन मेमोरी को समय के साथ "रिचार्ज" करने की आवश्यकता नहीं होती है और यह विद्युत आवेश मेमोरी के विपरीत विकिरण के प्रति संवेदनशील नहीं होती है। इस प्रकार की मेमोरी 300 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 85 वर्षों तक जानकारी को बनाए रख सकती है।

ऐसा माना जाता है कि इंटेल का विकास, प्रौद्योगिकी 3D क्रॉसपॉइंट (3D XPoint) सूचना को संग्रहीत करने के लिए चरण संक्रमण का उपयोग करता है। 3D XPoint का उपयोग Intel® Optane™ मेमोरी ड्राइव में किया जाता है, जिसके बारे में दावा किया जाता है कि इसमें अधिक घिसाव प्रतिरोध है।

निष्कर्ष

सॉलिड-स्टेट ड्राइव के भौतिक डिज़ाइन में आधी सदी से ज़्यादा के इतिहास में कई बदलाव हुए हैं, लेकिन हर समाधान की अपनी कमियाँ हैं। फ्लैश मेमोरी की निर्विवाद लोकप्रियता के बावजूद, सैमसंग और इंटेल सहित कई कंपनियाँ चुंबकीय क्षणों पर मेमोरी बनाने की संभावना तलाश रही हैं।

सेल के घिसाव को कम करना, उन्हें सघन बनाना, तथा ड्राइव की समग्र क्षमता को बढ़ाना, ऐसे क्षेत्र हैं जो वर्तमान में सॉलिड-स्टेट ड्राइव के आगे विकास के लिए आशाजनक हैं।

आप अभी हमारे यहां सबसे बेहतरीन NAND और 3D XPoint ड्राइव का परीक्षण कर सकते हैं सेलेक्टेल लैब.

क्या आपको लगता है कि विद्युत आवेशों पर सूचना संग्रहीत करने की तकनीक को अन्य तकनीकों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा, उदाहरण के लिए, क्वार्ट्ज डिस्क या नमक नैनोक्रिस्टल पर ऑप्टिकल मेमोरी?

स्रोत: www.habr.com