Uvod u SSD. Dio 4. Fizički

Prethodni dijelovi ciklusa „Uvod u SSD“ upoznali su čitatelja s poviješću nastanka SSD-ova, sučeljima za interakciju s njima i popularnim faktorima oblika. Četvrti dio će govoriti o pohrani podataka unutar uređaja.

U prethodnim člancima ciklusa:

1. Povijest stvaranja HDD-a i SSD-a
2. Nastanak sučelja za pohranu
3. Značajke faktora oblika

Pohrana podataka u čvrstim skladištima može se podijeliti u dva logička dijela: pohrana informacija u jednoj ćeliji i organizacija pohrane ćelija.

Svaka ćelija čvrstog skladišta pohranjuje jedan ili nekoliko bitova informacija. Za pohranu informacija koriste se različiti fizikalni procesi. Prilikom dizajniranja čvrstih skladišta razmatrane su sljedeće fizičke veličine za kodiranje informacija:

• električni naboji (uključujući Flash memoriju);
• magnetski momenti (magnetski otporna memorija);
• faze stanja (memorija s promjenom faze).

Memorija na bazi električnih naboja

Kodiranje informacija pomoću negativnog naboja osnova je nekoliko rješenja:

• izbrisive ultraljubičastom svjetlošću ROM (EPROM);
• električno izbrisive ROM (EEPROM);
• Flash memorija.

Svaka memorijska ćelija je poljski MOSFET s plutajućim tranzistorom, u kojem se pohranjuje negativni naboj. Njegova razlika od običnog MOSFET-a leži u postojanju plutajućeg vrata — vodiča u sloju dijelaktika.

Pri stvaranju razlike potencijala između drena i izvora te postojanju pozitivnog potencijala na vratima, od izvora do drena teče struja. Međutim, uz dovoljno veliku razliku potencijala neki elektron „probija“ sloj dijelaktika i dolazi u plutajuće vrata. Ovaj fenomen se naziva tunelski efekt.

Negativno nabijen plutajući tranzistor stvara električno polje koje ometa protok struje od izvora do drena. Štoviše, prisutnost elektrona u plutajućem tranzistoru povećava prag napona pri kojem se tranzistor otvara. Pri svakoj „snimanju“ u plutajući tranzistor, sloj dijelaktika se neznatno oštećuje, što nameće ograničenje na broj ciklusa prepisivanja svake ćelije.

Poljski MOSFET-ovi s plavajućim vratom razvili su Dawon Kahng i Simon Min Sze iz Bell Labsa 1967. godine. Kasnije, prilikom istraživanja defekata integriranih krugova, primijećeno je da se zbog naboja u plavačkom vratilu promijenilo pragovno napajanje koje otvara tranzistor. Ovo otkriće potaknulo je Dova Frohmana da započne rad na memoriji temeljenoj na ovom fenomenu.

Promjena pragovnog napona omogućuje 'programiranje' tranzistora. Tranzistori s nabojem u plavačkom vratilu neće se otvoriti kada se na vrata primjeni napon veći od pragovnog napona za tranzistor bez elektrona, ali manji od pragovnog napona za tranzistor s elektronima. Nazovimo tu vrijednost napon čitanja.

Erasable Programmable Read-Only Memory

1971. godine, zaposlenik Intela, Dov Frohman, stvorio je ponovo zapisivu memoriju na tranzistorima, nazivajući je Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Pisanje u memoriju vršeno je pomoću specijalnog uređaja — programatora. Programator primjenjuje na čip viši napon nego što se koristi u digitalnim krugovima, čime 'upisuje' elektrone u plava vrata tranzistora, gdje je to potrebno.

U EPROM memoriji nije bila predviđena električna brisanje plavačkih vrata tranzistora. Umjesto toga, nudilo se djelovanje na tranzistore jakim ultraljubičastim zračenjem, čiji fotoni daju energiju elektronima potrebnu da napuste plava vrata. Za omogućavanje prolaska ultraljubičastog svjetla u dubinu čipa, na kućište je dodano kvarcno staklo.

Frohman je prvi put predstavio svoj prototip EPROM-a u veljači 1971. na konferenciji o čvrstim mikroelektroničkim sklopovima u Philadelphiji. Gordon Moore se sjeća demonstracije: 'Dov je pokazao bitni uzorak u EPROM memorijskim ćelijama. Kada je na ćelije djelovalo ultraljubičasto svjetlo, bita su nestajala jedan po jedan, dok poznati Intelov logo nije potpuno nestao. … Biti su prolazili, a kada je posljednji nestao, cijela publika je odjednom zapljeskala. Dovov članak proglašen je najboljim na konferenciji.' — Prijevod članka newsroom.intel.com

EPROM memorija je skuplja od ranije korištenih "jednokratnih" stalnih memorijskih uređaja (ROM), ali mogućnost ponovnog programiranja omogućava brže podešavanje sklopova i smanjenje vremena razvoja novog hardvera.

Ponovno programiranje ROM-a ultravioletnom svjetlošću predstavljalo je značajan napredak, međutim, ideja električnog prepisivanja već je bila u zraku.

Električki izbrisiva programabilna memorija samo za čitanje

Godine 1972. trojica Japanaca: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi i Kiyoko Nagai predstavili su prvi električki izbrisivi stalni memorijski uređaj (Električki izbrisiva programabilna memorija samo za čitanje, EEPROM ili E2PROM). Njihova istraživanja kasnije će postati dijelom patenata za komercijalne realizacije EEPROM memorije.

Svaka ćelija EEPROM memorije sastoji se od nekoliko tranzistora:

• tranzistor s lebdećom kapijom za pohranu bita;
• tranzistor za upravljanje režimom čitanja-pisanja.

Ova konstrukcija značajno otežava spajanje električnog sklopa, stoga se EEPROM memorija koristila u slučajevima kada mali kapacitet nije bio kritičan. Za pohranu velike količine podataka i dalje se koristila EPROM.

Flash memorija

Flash memorija, koja kombinira najbolje osobine EPROM i EEPROM, razvijena je od strane japanskog profesora Fujio Masuoke, inženjera kompanije Toshiba, 1980. godine. Prvi razvoj nazvan je Flash memorija tipa NOR i, kao i njegovi prethodnici, zasniva se na MOSFET tranzistorima s lebdećom kapijom.

Flash memorija tipa NOR je dvodimenzionalna mreža tranzistora. Kapije tranzistora povezane su s linijom riječi, dok su izvodi spojeni na liniju bitova. Kada se napajanje dovede na liniju riječi, tranzistori koji sadrže elektrone, odnosno koji pohranjuju "jedinicu", ne otvaraju se i struja ne teče. Odsutnost ili prisutnost struje na liniji bita daje informaciju o vrijednosti bita.

Nakon sedam godina, Fujio Masuoka je razvio Flash memoriju tipa NAND. Ova vrsta memorije se razlikuje po broju tranzistora na bitnoj liniji. U NOR memoriji svaki tranzistor je izravno povezan na bitnu liniju, dok su u NAND memoriji tranzistori povezani serijski.

Čitanje iz memorije takve konfiguracije je složenije: potrebnom liniji riječi se dovodi napajanje neophodno za čitanje, dok se na sve ostale linije riječi dovodi napajanje koje otvara tranzistor bez obzira na razinu napunjenosti u njemu. Budući da su svi ostali tranzistori zajamčeno otvoreni, prisutnost napajanja na bitnoj liniji ovisi samo o jednom tranzistoru kojem je primijenjeno napajanje za čitanje.

Izum Flash memorije tipa NAND omogućuje značajno zbijanje sheme, smještajući veći volumen memorije u istim dimenzijama. Do 2007. godine volumeni memorije su se povećavali smanjenjem proizvodnog tehnološkog procesa čipa.

Godine 2007. Toshiba je predstavila novu verziju NAND memorije: Vertical NAND (V-NAND), poznatu i kao 3D NAND. Ova tehnologija stavlja naglasak na smještaj tranzistora u više slojeva, što ponovno omogućava zbijanje sheme i povećanje volumena memorije. Ipak, zbijanje sheme se ne može ponavljati beskonačno, zbog čega su istraživane druge metode povećanja pohranjene memorije.

Izvorno je svaki tranzistor pohranjivao dva nivoa napunjenosti: logičku nulu i logičku jedinicu. Ovaj pristup se naziva Single-Level Cell (SLC). Uređaji s ovom tehnologijom karakteriziraju se visokom pouzdanošću i maksimalnim brojem ciklusa prepisivanja.

S vremenom je donesena odluka o povećanju volumena uređaja na račun izdržljivosti. Tako se broj nivoa napunjenosti u ćeliji povećao na četiri, a tehnologija je nazvana Multi-Level Cell (MLC). Nakon toga pojavili su se Triple-Level Cell (TLC) i Quad-Level Cell (QLC). U budućnosti će se pojaviti novi nivo — Penta-Level Cell (PLC) s pet bitova u jednoj ćeliji. Što više bitova stane u jednoj ćeliji, to je veći volumen uređaja po istoj cijeni, ali i manja izdržljivost.

Zbijanje sheme smanjenjem tehnološkog procesa i povećanjem broja bitova u jednom tranzistoru negativno utječe na pohranjene podatke. Unatoč tome što EPROM i EEPROM koriste iste tranzistore, EPROM i EEPROM su sposobni čuvati podatke bez napajanja deset godina, dok moderna Flash memorija može sve "zaboraviti" već nakon godinu dana.

Korištenje Flash memorije u svemirskoj industriji je otežano, budući da radijacija štetno utječe na elektrone u lebdećim zaporima.

Navedeni problemi otežavaju flash memoriji da postane nepobitan lider u skladištenju informacija. Iako su uređaji zasnovani na flash memoriji široko rasprostranjeni, istražuju se druge vrste memorije koje nemaju ove nedostatke, među kojima su skladištenje informacija u magnetskim momentima i faznim stanjima.

Magnetoresistivna memorija

Kodiranje informacija magnetskim momentima pojavilo se 1955. godine u obliku memorije na magnetskim jezgama. Do sredine 1970-ih godina, ferritna memorija bila je osnovni tip memorije. Čitanje bita iz takve memorije dovodilo je do demagnetizacije prstena i gubitka informacija. Tako je, nakon čitanja bita, bilo potrebno ponovo ga zapisivati.

U savremenim razvojem magnetoresistivne memorije, umesto prstenova koriste se dva sloja feromagnetika, odvojena dielektrikom. Jedan sloj je stalni magnet, dok drugi menja smer magnetizacije. Čitanje bita iz takve ćelije svodi se na merenje otpornosti prilikom prolaska struje: ako su slojevi magnetizovani u suprotne strane, otpornost je veća i to ekvivalentno predstavlja vrednost "1".

Ferritna memorija ne zahteva stalni izvor napajanja za održavanje zapisane informacije, međutim, magnetsko polje ćelije može uticati na "suseda", što postavlja ograničenje na gustoću sheme.

Prema JEDEC SSD diskovi zasnovani na flash memoriji bez struje treba da čuvaju informacije najmanje tri meseca na temperaturi okoline od 40 °C. Razvijen od strane Intela čip zasnovan na magnetoresistivnoj memoriji obećava da će zadržati podatke deset godina na temperaturi od 200 °C.

I pored složenosti razvoja, magnetoresistivna memorija ne degradira tokom korišćenja i ima bolje performanse od ostalih vrsta memorije, što ne dozvoljava da se ovaj tip memorije unapred odbaci.

Memorija sa promenom faznog stanja

Treća perspektivna vrsta memorije je memorija zasnovana na faznim prelazima. Ova vrsta memorije koristi svojstva halkogenida da prelazi između kristalnog i amorfnog stanja prilikom zagrevanja.

Halkogenidi — binarna spajanja metala s 16. grupom (6. grupom glavne podgrupe) periodnog sustava elemenata. Na primjer, u CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM i Blu-ray diskovima koriste se telurid germanija (GeTe) i telurid antimonija (III) (Sb2Te3).

Istraživanja o primjeni faznih prijelaza za pohranu informacija provodila su se u 1960-ima godine Stanford Ovshinsky, no tada nije došlo do komercijalizacije. U 2000-ima ponovno je porastao interes za tehnologiju, Samsung je patentirao tehnologiju koja omogućuje promjenu bita za 5 ns, a Intel i STMicroelectronics povećali su broj stanja na četiri, čime su udvostručili mogući kapacitet.

Pri zagrijavanju iznad točke taljenja, halcogenid gubi kristaliničnu strukturu i, hladeći se, prelazi u amorfnu formu koja se odlikuje visokim električnim otporom. S druge strane, pri zagrijavanju na temperaturu iznad točke kristalizacije, ali ispod točke taljenja, halcogenid se vraća u kristalinično stanje s niskim razinama otpora.

Memorija s promjenom faznog prijelaza ne zahtijeva «punjenje» s vremenom, a također nije osjetljiva na radijacijsko zračenje, nasuprot memoriji s električnim nabojima. Ova vrsta memorije može zadržati informacije do 300 godina pri temperaturi od 85°С.

Smatter se da razvoj Intela, tehnologija 3D Crosspoint (3D XPoint) koristi točno fazne prijelaze za pohranu informacija. 3D XPoint se koristi u Intel® Optane™ Memory uređajima, za koje je navedena velika otpornost na habanje.

Zaključak

Fizičko uređaj čvrstih diskova pretrpjelo je mnoge promjene tijekom više od pola stoljeća povijesti, no svako rješenje ima svoje nedostatke. Unatoč neosporivoj popularnosti Flash memorije, nekoliko kompanija, među kojima su Samsung i Intel, razmatra mogućnost stvaranja memorije na magnetskim momentima.

Smanjenje habanja ćelija, njihovo sabijanje i povećanje ukupnog kapaciteta uređaja su smjerovi koji su trenutno perspektivni za daljnji razvoj čvrstih diskova.

Najbolje dizajniranih NAND i 3D XPoint uređaja možete testirati već sada u našem Selectel LAB.

Kako mislite, hoće li tehnologija pohrane informacija na električnim nabojima biti zamijenjena drugim, poput kvarcnih diskova ili optičkih memorija na nanokristalima soli?

Izvor: habr.com