Prethodni dijelovi serije "Uvod u SSD" rekli su čitatelju o povijesti nastanka SSD pogona, sučelja za interakciju s njima i popularnih faktora oblika. Četvrti dio će govoriti o pohranjivanju podataka unutar pogona.
U prethodnim člancima iz serije:
Pohranjivanje podataka u SSD diskovima može se podijeliti u dva logična dijela: pohranjivanje informacija u jednu ćeliju i organiziranje pohranjivanja u ćeliji.
Svaka ćelija SSD diska pohranjuje jedan ili više bitova informacija. Za pohranjivanje informacija koriste se različite vrste informacija. fizički procesi. Pri razvoju solid-state diskova, sljedeće fizičke veličine uzete su u obzir za kodiranje informacija:
- električni naboji (uključujući Flash memoriju);
- magnetski momenti (magnetorezistivna memorija);
- fazna stanja (memorija s promjenom faznog stanja).
Memorija temeljena na električnim nabojima
Kodiranje informacija pomoću negativnog naboja temelji se na nekoliko rješenja:
- ultraljubičasto izbrisiv ROM (EPROM);
- električni izbrisiv ROM (EEPROM);
- Brza memorija.
Svaka memorijska ćelija je MOSFET s plutajućim vratima, koji pohranjuje negativni naboj. Njegova razlika od konvencionalnog MOS tranzistora je prisutnost plutajućih vrata - vodiča u dielektričnom sloju.
Kada se stvori razlika potencijala između odvoda i izvora i postoji pozitivan potencijal na vratima, struja će teći od izvora do odvoda. Međutim, ako postoji dovoljno velika razlika potencijala, dio elektrona "probija" sloj dielektrika i završava u plutajućim vratima. Ova pojava se zove .
Negativno nabijena lebdeća vrata stvaraju električno polje koje sprječava protok struje od izvora do odvoda. Štoviše, prisutnost elektrona u plutajućim vratima povećava napon praga pri kojem se tranzistor uključuje. Sa svakim "pisanjem" na plutajuća vrata tranzistora, sloj dielektrika je malo oštećen, što nameće ograničenje na broj ciklusa ponovnog pisanja svake ćelije.
MOSFET-ove s pokretnim vratima razvili su Dawon Kahng i Simon Min Sze u Bell Labsu 1967. Kasnije, pri proučavanju nedostataka u integriranim krugovima, uočeno je da se zbog naboja u plutajućim vratima promijenio napon praga koji otvara tranzistor. Ovo otkriće potaknulo je Dova Frohmana da počne raditi na pamćenju na temelju ovog fenomena.
Promjena napona praga omogućuje vam "programiranje" tranzistora. Tranzistori s plivajućim vratima neće se uključiti kada je napon vrata veći od napona praga za tranzistor bez elektrona, ali manji od napona praga za tranzistor s elektronima. Nazovimo ovu vrijednost napon očitavanja.
Programabilna memorija koja se može izbrisati samo za čitanje
Godine 1971. Intelov zaposlenik Dov Frohman stvorio je memoriju koja se može prepisivati temeljenu na tranzistoru tzv. Programabilna memorija samo za čitanje (EPROM). Snimanje u memoriju izvršeno je pomoću posebnog uređaja - programatora. Programator primjenjuje viši napon na čip nego što se koristi u digitalnim sklopovima, čime "upisuje" elektrone na pokretna vrata tranzistora gdje je to potrebno.
EPROM memorija nije bila namijenjena električnom čišćenju pokretnih vrata tranzistora. Umjesto toga, predloženo je izlaganje tranzistora jakom ultraljubičastom svjetlu, čiji bi fotoni dali elektronima potrebnu energiju da pobjegnu kroz lebdeća vrata. Kako bi ultraljubičasto svjetlo moglo prodrijeti duboko u čip, u kućište je dodano kvarcno staklo.
Froman je prvi put predstavio svoj EPROM prototip u veljači 1971. na konferenciji o IC-u u čvrstom stanju u Philadelphiji. Gordon Moore prisjetio se demonstracije: “Dov je demonstrirao uzorak bitova u EPROM memorijskim ćelijama. Kada su ćelije bile izložene ultraljubičastom svjetlu, bitovi su nestajali jedan po jedan sve dok nepoznati Intelov logo nije potpuno izbrisan. … Otkucaji su nestali, a kada je nestao i posljednji, cijelo je gledalište zapljeskalo. Dovljev članak je prepoznat kao najbolji na konferenciji.” — Prijevod članka
EPROM memorija je skuplja od prethodno korištenih "jednokratnih" uređaja s memorijom samo za čitanje (ROM), ali mogućnost reprogramiranja omogućuje brže otklanjanje grešaka u krugovima i smanjenje vremena potrebnog za razvoj novog hardvera.
Reprogramiranje ROM-ova ultraljubičastim svjetlom bio je značajan napredak, međutim, ideja o električnom prepisivanju već je bila u zraku.
Električno izbrisiva programabilna memorija samo za čitanje
Godine 1972. tri Japanca: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi i Kiyoko Nagai predstavili su prvu električki brisivu memoriju samo za čitanje (EEPROM ili E2PROM). Kasnije će njihova znanstvena istraživanja postati dio patenata za komercijalne implementacije EEPROM memorije.
Svaka EEPROM memorijska ćelija sastoji se od nekoliko tranzistora:
- tranzistor s pokretnim vratima za pohranu bitova;
- tranzistor za upravljanje načinom čitanja i pisanja.
Ovaj dizajn uvelike komplicira ožičenje električnog kruga, pa je EEPROM memorija korištena u slučajevima kada mala količina memorije nije bila kritična. EPROM se još uvijek koristio za pohranjivanje velikih količina podataka.
Brza memorija
Flash memoriju, koja kombinira najbolje karakteristike EPROM-a i EEPROM-a, razvio je japanski profesor Fujio Masuoka, inženjer u Toshibi, 1980. godine. Prvi razvoj nazvan je NOR Flash memory i, kao i njegovi prethodnici, temelji se na MOSFET-ovima s pokretnim vratima.
NOR flash memorija je dvodimenzionalni niz tranzistora. Vrata tranzistora spojena su na liniju riječi, a odvodi su spojeni na liniju bita. Kada se napon primijeni na liniju riječi, tranzistori koji sadrže elektrone, odnosno pohranjuju "jedan", neće se otvoriti i struja neće teći. Na temelju prisutnosti ili odsutnosti struje na liniji bita donosi se zaključak o vrijednosti bita.
Sedam godina kasnije, Fujio Masuoka razvio je NAND Flash memoriju. Ova vrsta memorije razlikuje se po broju tranzistora na bitnoj liniji. U NOR memoriji svaki je tranzistor izravno spojen na liniju bitova, dok su u NAND memoriji tranzistori spojeni u seriju.
Čitanje iz memorije ove konfiguracije je teže: napon potreban za čitanje se dovodi na potreban redak riječi, a napon se dovodi na sve ostale retke riječi, čime se otvara tranzistor bez obzira na razinu napunjenosti u njemu. Budući da su svi ostali tranzistori zajamčeno otvoreni, prisutnost napona na liniji bita ovisi samo o jednom tranzistoru, na koji se primjenjuje napon očitavanja.
Izum NAND Flash memorije omogućuje značajno komprimiranje sklopa, stavljajući više memorije u istu veličinu. Do 2007. kapacitet memorije povećavan je smanjenjem proizvodnog procesa čipa.
Godine 2007. Toshiba je predstavila novu verziju NAND memorije: Vertikalni NAND (V-NAND), također poznat kao 3D NAND. Ova tehnologija stavlja naglasak na postavljanje tranzistora u više slojeva, što opet omogućuje gušće sklopove i povećan kapacitet memorije. Međutim, zbijanje kruga ne može se ponavljati beskonačno, pa su istražene druge metode za povećanje kapaciteta pohrane.
U početku je svaki tranzistor pohranio dvije razine napunjenosti: logičku nulu i logičku jedinicu. Ovaj pristup se zove Ćelija s jednom razinom (SLC). Pogoni s ovom tehnologijom vrlo su pouzdani i imaju maksimalan broj ciklusa ponovnog pisanja.
S vremenom je odlučeno povećati kapacitet skladištenja nauštrb otpornosti na habanje. Dakle, broj razina napunjenosti u ćeliji je do četiri, a tehnologija je pozvana Višerazinska ćelija (MLC). Sljedeći je došao Trostruka ćelija (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). U budućnosti će biti nova razina - Penta-Level Cell (PLC) s pet bitova po ćeliji. Što više bitova stane u jednu ćeliju, to je veći kapacitet pohrane uz istu cijenu, ali manja otpornost na trošenje.
Zbijanje sklopa smanjenjem tehničkog procesa i povećanjem broja bitova u jednom tranzistoru negativno utječe na pohranjene podatke. Unatoč činjenici da EPROM i EEPROM koriste iste tranzistore, EPROM i EEPROM mogu pohraniti podatke bez napajanja deset godina, dok moderna Flash memorija može sve “zaboraviti” nakon godinu dana.
Korištenje Flash memorije u svemirskoj industriji je teško jer zračenje ima štetan učinak na elektrone u plutajućim vratima.
Ovi problemi sprječavaju Flash memoriju da postane neprikosnoveni lider u području pohranjivanja informacija. Unatoč činjenici da su pogoni koji se temelje na Flash memoriji široko rasprostranjeni, u tijeku su istraživanja drugih vrsta memorije koje nemaju te nedostatke, uključujući pohranjivanje informacija u magnetskim momentima i faznim stanjima.
Magnetorezistivna memorija
Kodiranje informacija s magnetskim momentima pojavilo se 1955. godine u obliku memorije na magnetskim jezgrama. Sve do sredine 1970-ih, feritna memorija bila je glavna vrsta memorije. Čitanje bita iz ove vrste memorije dovelo je do demagnetizacije prstena i gubitka informacija. Tako je, nakon malo čitanja, trebalo napisati natrag.
U suvremenom razvoju magnetootporne memorije, umjesto prstenova, koriste se dva sloja feromagneta, odvojena dielektrikom. Jedan sloj je trajni magnet, a drugi mijenja smjer magnetizacije. Očitavanje bita iz takve ćelije svodi se na mjerenje otpora pri prolasku struje: ako su slojevi magnetizirani u suprotnim smjerovima, tada je otpor veći i to je ekvivalentno vrijednosti "1".
Feritna memorija ne zahtijeva stalan izvor energije za održavanje snimljenih informacija, međutim, magnetsko polje ćelije može utjecati na "susjeda", što nameće ograničenje na zbijanje kruga.
Prema SSD diskovi temeljeni na Flash memoriji bez napajanja moraju čuvati podatke najmanje tri mjeseca na temperaturi okoline od 40°C. Dizajnirao Intel obećava čuvanje podataka deset godina na 200°C.
Unatoč složenosti razvoja, magnetorezistivna memorija ne degradira tijekom korištenja i ima najbolje performanse među ostalim vrstama memorije, što ne dopušta otpis ove vrste memorije.
Memorija promjene faze
Treći obećavajući tip pamćenja je pamćenje temeljeno na promjeni faza. Ova vrsta memorije koristi svojstva halkogenida za prebacivanje između kristalnog i amorfnog stanja kada se zagrijava.
Halkogenidi — binarni spojevi metala sa 16. skupinom (6. skupinom glavne podskupine) periodnog sustava. Na primjer, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM i Blu-ray diskovi koriste germanijev telurid (GeTe) i antimon(III) telurid (Sb2Te3).
Istraživanje o korištenju faznog prijelaza za pohranu informacija provedeno je godine 1960-ih godina godine od strane Stanforda Ovshinskog, ali tada nije došlo do komercijalne primjene. U 2000-ima se ponovno pojavio interes za tehnologiju, Samsung je patentirao tehnologiju koja omogućuje prebacivanje bitova u 5 ns, a Intel i STMicroelectronics povećali su broj stanja na četiri, čime su udvostručili mogući kapacitet.
Zagrijavanjem iznad tališta kalkogenid gubi svoju kristalnu strukturu i hlađenjem prelazi u amorfni oblik karakteriziran visokim električnim otporom. Zauzvrat, kada se zagrije na temperaturu iznad točke kristalizacije, ali ispod točke taljenja, halkogenid se vraća u kristalno stanje s niskom razinom otpora.
Memorija s promjenom faze ne zahtijeva "ponovno punjenje" tijekom vremena, a također nije osjetljiva na zračenje, za razliku od električno nabijene memorije. Ova vrsta memorije može zadržati informacije 300 godina na temperaturi od 85°C.
Vjeruje se da je razvoj Intel tehnologije 3D križna točka (3D XPpoint) Koristi fazne prijelaze za pohranu informacija. 3D XPoint koristi se u Intel® Optane™ memorijskim pogonima za koje se tvrdi da imaju veću izdržljivost.
Zaključak
Fizički dizajn solid-state diskova doživio je mnoge promjene tijekom više od pola stoljeća povijesti, međutim, svako od rješenja ima svoje nedostatke. Unatoč neporecivoj popularnosti Flash memorije, nekoliko tvrtki, uključujući Samsung i Intel, istražuju mogućnost stvaranja memorije temeljene na magnetskim momentima.
Smanjenje trošenja ćelija, njihovo zbijanje i povećanje ukupnog kapaciteta pogona područja su koja trenutno obećavaju za daljnji razvoj solid-state diskova.
Trenutno možete testirati najbolje NAND i 3D XPoint pogone današnjice u našem .
Mislite li da će tehnologije pohranjivanja informacija o električnim nabojima zamijeniti druge, primjerice kvarcni diskovi ili optička memorija na nanokristalima soli?
Izvor: www.habr.com