A „Bevezetés az SSD-be” sorozat korábbi részei az SSD-meghajtók megjelenésének történetéről, a velük való interakciós interfészekről és a népszerű formai tényezőkről meséltek az olvasónak. A negyedik részben a meghajtókon belüli adatok tárolásáról lesz szó.
A sorozat korábbi cikkeiben:
Az adattárolás a szilárdtestalapú meghajtókban két logikai részre osztható: az információk egyetlen cellában való tárolására és a cellatárolás megszervezésére.
A szilárdtestalapú meghajtó minden cellája tárol egy vagy több információbit. Az információk tárolására különféle típusú információkat használnak. fizikai folyamatok. A szilárdtestalapú meghajtók fejlesztésekor a következő fizikai mennyiségeket vettük figyelembe az információk kódolásához:
- elektromos töltések (beleértve a Flash memóriát);
- mágneses momentumok (magnetorezisztív memória);
- fázis állapotok (memória fázisállapot változással).
Az elektromos töltéseken alapuló memória
Az információ negatív töltéssel történő kódolása számos megoldást rejt magában:
- ultraibolya törölhető ROM (EPROM);
- elektromosan törölhető ROM (EEPROM);
- Flashmemória.
Minden memóriacella az úszókapu MOSFET, amely negatív töltést tárol. A különbség a hagyományos MOS tranzisztortól a lebegő kapu jelenléte - egy vezető a dielektromos rétegben.
Ha potenciálkülönbség jön létre a lefolyó és a forrás között, és pozitív potenciál van a kapuban, az áram a forrástól a lefolyóig fog folyni. Ha azonban kellően nagy a potenciálkülönbség, néhány elektron „áttöri” a dielektromos réteget, és az úszókapuban végzi. Ezt a jelenséget az ún .
A negatív töltésű lebegő kapu elektromos mezőt hoz létre, amely megakadályozza, hogy az áram a forrásból a lefolyóba áramoljon. Ezenkívül az elektronok jelenléte a lebegő kapuban növeli a küszöbfeszültséget, amelynél a tranzisztor bekapcsol. A tranzisztor lebegő kapujába történő minden egyes „íráskor” a dielektromos réteg enyhén megsérül, ami korlátozza az egyes cellák átírási ciklusainak számát.
A lebegőkapu MOSFET-eket Dawon Kahng és Simon Min Sze fejlesztette ki a Bell Labs-nál 1967-ben. Később, az integrált áramkörök hibáinak tanulmányozásakor észrevették, hogy az úszókapu töltése miatt megváltozott a tranzisztort nyitó küszöbfeszültség. Ez a felfedezés arra késztette Dov Frohmant, hogy elkezdjen dolgozni a jelenségen alapuló memórián.
A küszöbfeszültség megváltoztatása lehetővé teszi a tranzisztorok „programozását”. A lebegőkapu tranzisztorok nem kapcsolnak be, ha a kapu feszültség nagyobb, mint az elektron nélküli tranzisztor küszöbfeszültsége, de kisebb, mint az elektronokat tartalmazó tranzisztorok küszöbfeszültsége. Nevezzük ezt az értéket olvasási feszültség.
Törölhető, programozható, csak olvasható memória
1971-ben az Intel alkalmazottja, Dov Frohman megalkotott egy tranzisztor alapú újraírható memóriát. Törölhető programozható csak olvasható memória (EPROM). A memóriába való rögzítés egy speciális eszközzel - egy programozóval történt. A programozó a digitális áramkörökben használtnál nagyobb feszültséget kapcsol a chipre, ezáltal szükség esetén elektronokat „ír” a tranzisztorok lebegő kapuira.
Az EPROM memória nem a tranzisztorok lebegő kapuinak elektromos tisztítására szolgál. Ehelyett azt javasolták, hogy a tranzisztorokat erős ultraibolya sugárzásnak tegyék ki, amelynek fotonjai biztosítanák az elektronoknak azt az energiát, amely szükséges ahhoz, hogy kikerüljenek a lebegő kapuból. Annak érdekében, hogy az ultraibolya fény mélyen behatoljon a chipbe, kvarcüveget adtak a házhoz.
Froman először 1971 februárjában mutatta be EPROM prototípusát egy philadelphiai szilárdtestalapú IC konferencián. Gordon Moore így emlékezett vissza a demonstrációra: „Dov bemutatta a bitmintát az EPROM memóriacellákban. Amikor a sejteket ultraibolya fénynek tették ki, a bitek sorra eltűntek, amíg az ismeretlen Intel logó teljesen el nem törlődött. … Az ütemek eltűntek, és amikor az utolsó is eltűnt, az egész közönség tapsban tört ki. Dov cikkét a legjobbnak ismerték el a konferencián.” — A cikk fordítása
Az EPROM memória drágább, mint a korábban használt „eldobható” csak olvasható memória (ROM) eszközök, de az újraprogramozás lehetővé teszi az áramkörök gyorsabb hibakeresését és csökkenti az új hardver fejlesztéséhez szükséges időt.
A ROM-ok ultraibolya fénnyel történő újraprogramozása jelentős áttörést jelentett, azonban az elektromos újraírás ötlete már a levegőben volt.
Elektromosan törölhető, programozható, csak olvasható memória
1972-ben három japán: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi és Kiyoko Nagai bemutatta az első elektromosan törölhető, csak olvasható memóriát (EEPROM vagy E2PROM). Később tudományos kutatásaik az EEPROM memória kereskedelmi megvalósítására vonatkozó szabadalmak részévé válnak.
Minden EEPROM memóriacella több tranzisztorból áll:
- úszókapu tranzisztor bittároláshoz;
- tranzisztor az olvasási-írási mód vezérlésére.
Ez a kialakítás nagymértékben bonyolítja az elektromos áramkör bekötését, ezért EEPROM memóriát használtak olyan esetekben, amikor a kis memóriamennyiség nem volt kritikus. Az EPROM-ot továbbra is nagy mennyiségű adat tárolására használták.
Flashmemória
Az EPROM és az EEPROM legjobb tulajdonságait ötvöző flash memóriát Fujio Masuoka japán professzor, a Toshiba mérnöke fejlesztette ki 1980-ban. Az első fejlesztést NOR Flash memóriának hívták, és az elődeihez hasonlóan lebegőkapu MOSFET-ekre épül.
A NOR flash memória tranzisztorok kétdimenziós tömbje. A szóvonalra a tranzisztorok kapui, a bitvonalra a leeresztők csatlakoznak. Ha feszültséget kapcsolunk a szóvonalra, az elektronokat tartalmazó, azaz az „egyet” tároló tranzisztorok nem nyílnak ki, és az áram nem folyik. A bitvonalon lévő áram megléte vagy hiánya alapján következtetést vonunk le a bit értékéről.
Hét évvel később Fujio Masuoka kifejlesztette a NAND Flash memóriát. Az ilyen típusú memória a bitvonalon lévő tranzisztorok számában különbözik. A NOR memóriában minden tranzisztor közvetlenül egy bitvonalra, míg a NAND memóriában sorba van kötve.
Ennek a konfigurációnak a memóriából való olvasása nehezebb: az olvasáshoz szükséges feszültséget a szó szükséges sorára, a szó összes többi sorára pedig feszültséget kapcsolnak, ami a tranzisztort a benne lévő töltési szinttől függetlenül kinyitja. Mivel az összes többi tranzisztor garantáltan nyitott, a feszültség jelenléte a bitvonalon csak egy tranzisztortól függ, amelyre az olvasási feszültséget kapcsoljuk.
A NAND Flash memória feltalálása lehetővé teszi az áramkör jelentős tömörítését, több memóriát helyezve el ugyanabban a méretben. 2007-ig a memóriakapacitást a chip gyártási folyamatának csökkentésével növelték.
2007-ben a Toshiba bemutatta a NAND memória új verzióját: Függőleges NAND (V-NAND), más néven 3D NAND. Ez a technológia a tranzisztorok több rétegben történő elhelyezésére helyezi a hangsúlyt, ami ismét lehetővé teszi a sűrűbb áramköröket és a memóriakapacitás növelését. A körtömörítés azonban nem ismételhető meg a végtelenségig, ezért más módszereket is feltártak a tárolókapacitás növelésére.
Kezdetben minden tranzisztor két töltési szintet tárolt: a logikai nullát és a logikai egyet. Ezt a megközelítést az ún Egyszintű cella (SLC). Az ezzel a technológiával rendelkező meghajtók rendkívül megbízhatóak, és maximális számú újraírási ciklussal rendelkeznek.
Idővel úgy döntöttek, hogy a kopásállóság rovására növelik a tárolókapacitást. Tehát egy cellában a töltési szintek száma legfeljebb négy, és a technológiát hívták Többszintű cella (MLC). Következett a következő Háromszintű cella (TLC) и Négyszintű cella (QLC). A jövőben új szint lesz - Penta szintű cella (PLC) cellánként öt bittel. Minél több bit fér el egy cellába, annál nagyobb a tárolókapacitás azonos költség mellett, de annál kisebb a kopásállóság.
Az áramkör tömörítése a technikai folyamat csökkentésével és a bitek számának növelésével egy tranzisztorban negatívan befolyásolja a tárolt adatokat. Annak ellenére, hogy az EPROM és az EEPROM ugyanazokat a tranzisztorokat használja, az EPROM és az EEPROM tíz évig képes tárolni az adatokat áram nélkül, míg a modern Flash memória egy év után mindent „elfelejteni” képes.
A Flash memória használata az űriparban nehézkes, mert a sugárzás káros hatással van az úszókapuk elektronjaira.
Ezek a problémák megakadályozzák, hogy a Flash memória vitathatatlanul vezető szerepet töltsön be az információtárolás területén. Annak ellenére, hogy a Flash-memórián alapuló meghajtók széles körben elterjedtek, folynak a kutatások olyan más típusú memória iránt, amelyek nem rendelkeznek ezekkel a hátrányokkal, beleértve az információ tárolását mágneses momentumokban és fázisállapotokban.
Magnetorezisztív memória
Az információ mágneses momentumokkal történő kódolása 1955-ben jelent meg memória formájában a mágneses magokon. Az 1970-es évek közepéig a ferrit memória volt a memória fő típusa. Az ilyen típusú memória olvasása a gyűrű demagnetizálódásához és információvesztéshez vezetett. Így egy kis olvasás után vissza kellett írni.
A magnetorezisztív memória modern fejlesztéseiben a gyűrűk helyett két ferromágnesréteget használnak, amelyeket dielektrikum választ el. Az egyik réteg egy állandó mágnes, a második pedig megváltoztatja a mágnesezés irányát. Kicsit leolvasni egy ilyen celláról az ellenállás mérése az áram átvezetésekor: ha a rétegek ellentétes irányban vannak mágnesezve, akkor az ellenállás nagyobb, és ez egyenértékű az „1” értékkel.
A ferrit memória nem igényel állandó áramforrást a rögzített információ fenntartásához, azonban a cella mágneses tere befolyásolhatja a „szomszéd”-ot, ami korlátozza az áramkör tömörítését.
Szerint A tápellátás nélküli Flash memórián alapuló SSD-meghajtóknak legalább három hónapig meg kell őrizniük az információkat 40°C-os környezeti hőmérsékleten. Az Intel tervezte azt ígéri, hogy tíz évig tárolja az adatokat 200°C-on.
A fejlesztés bonyolultsága ellenére a magnetorezisztív memória nem romlik a használat során, és a legjobb teljesítményt nyújtja a többi memóriatípus közül, ami nem teszi lehetővé az ilyen típusú memória leírását.
Fázisváltási memória
A harmadik ígéretes memóriatípus a fázisváltáson alapuló memória. Az ilyen típusú memória a kalkogenidek tulajdonságait használja fel a kristályos és az amorf állapotok közötti váltásra hevítés közben.
Kalkogenidák — fémek bináris vegyületei a periódusos rendszer 16. csoportjával (a fő alcsoport 6. csoportja). Például a CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM és Blu-ray lemezek germánium-telluridot (GeTe) és antimon (III)-telluridot (Sb2Te3) használnak.
A fázisátalakulások információtárolásra való felhasználásával kapcsolatos kutatásokat ben végezték 1960-as évek évben Stanford Ovshinsky, de akkor nem jött el a kereskedelmi megvalósítás. A 2000-es években újra megélénkült az érdeklődés a technológia iránt, a Samsung szabadalmaztatta a bitváltást 5 ns alatt lehetővé tevő technológiát, az Intel és az STMicroelectronics pedig négyre emelte az állapotok számát, ezzel megduplázva a lehetséges kapacitást.
Olvadáspont fölé hevítve a kalkogenid elveszti kristályos szerkezetét, és lehűlve amorf formává alakul, amelyet nagy elektromos ellenállás jellemez. Ha viszont a kristályosodási pont feletti, de az olvadáspont alatti hőmérsékletre hevítjük, a kalkogenid visszaáll kristályos állapotba, alacsony ellenállással.
A fázisváltó memória nem igényel „újratöltést” idővel, és nem érzékeny a sugárzásra, ellentétben az elektromosan töltött memóriával. Az ilyen típusú memória 300 évig képes megőrizni az információkat 85°C-os hőmérsékleten.
Úgy gondolják, hogy az Intel technológia fejlesztése 3D keresztpont (3D XPpoint) Fázisátmeneteket használ az információ tárolására. A 3D XPoint az Intel® Optane™ memóriameghajtókban használatos, amelyek állítólag nagyobb tartóssággal rendelkeznek.
Következtetés
A szilárdtestalapú meghajtók fizikai kialakítása sok változáson ment keresztül a több mint fél évszázados történelem során, azonban mindegyik megoldásnak megvannak a maga hátrányai. A Flash memória vitathatatlan népszerűsége ellenére több cég, köztük a Samsung és az Intel is vizsgálja a mágneses nyomatékokon alapuló memória létrehozásának lehetőségét.
A cellák kopásának csökkentése, tömörítése és a meghajtó teljes kapacitásának növelése olyan területek, amelyek jelenleg ígéretesek a szilárdtestalapú meghajtók továbbfejlesztése szempontjából.
Napjaink legmenőbb NAND és 3D XPoint meghajtóit tesztelheti nálunk .
Úgy gondolja, hogy az elektromos töltésekkel kapcsolatos információk tárolására szolgáló technológiákat felváltják mások, például a kvarclemezek vagy az optikai memória só-nanokristályokon?
Forrás: will.com