A korábbi „Bevezetés az SSD-be” ciklus részei bemutatták az SSD-k megjelenésének történetét, az interfészeket, amelyekkel kommunikálnak, és a népszerű formátumokat. A negyedik rész a tárolásról fog szólni a meghajtók belsejében.
A ciklus korábbi cikkeiben:
Az SSD-kben a tárolást két logikai részre lehet osztani: az információ tárolása egy cellában és a cellák tárolásának megszervezése.
Minden SSD-sejt egy vagy több bit információt tárol. Az információ tárolására különböző fizikai folyamatokathasználnak. Az SSD-k fejlesztése során a következő fizikai mennyiségeket dolgozták ki az információ kódolására:
- elektromos töltések (beleértve a Flash memória);
- mágneses momentumok (mágnesrezisztív memória);
- fázisállapotok (fázisállapot-változós memória).
Az elektromos töltéseken alapuló memória
Az információ negatív töltéssel való kódolása számos megoldás alapja:
- ultraviolással törölhető ROM (EPROM);
- elektrikusan törölhető ROM (EEPROM);
- Flash memória.
Minden memóriaegység egy úszó kapuval rendelkező mezőhatású tranzisztor, amelyben negatív töltés tárolódik. Különbsége a szokványos mezőhatású tranzisztortól az, hogy úszó kapuval rendelkezik — vezető a dielektromos rétegben.
A drain és a source közötti feszültségkülönbség létrehozásakor, és ha a gate-en pozitív potenciál van, áram fog folyni a source-ból a drain felé. Azonban, ha elég nagy feszültségkülönbség áll fenn, néhány elektron "átüt" a dielektromos rétegen és az úszó kapuban köt ki. Ezt a jelenséget .
nevezik. A negatívan töltött úszó kapu elektromos teret hoz létre, amely megakadályozza az áram áthaladását a source-ból a drain felé. Sőt, az úszó kapuban lévő elektronok növelik azt a küszöbpotenciált, amelynél a tranzisztor nyitva van. Minden egyes "írás" során az úszó kapu dielektromos rétege enyhén megsérül, ami korlátozza a cella újraírási ciklusainak számát.
A lebegő kapuval rendelkező mezői MOSFET-eket Dawon Kahng és Simon Min Sze fejlesztette ki a Bell Labs-nál 1967-ben. Később, integrált áramkörök hibáinak vizsgálata során észrevették, hogy a lebegő kapu töltése miatt megváltozott a tranzisztort nyitó küszöb feszültsége. Ez a felfedezés ösztönözte Dov Frohmant, hogy a jelenség alapjain dolgozzon egy memórián.
A küszöb feszültség megváltoztatása lehetővé teszi a tranzisztorok "programozását". A lebegő kapuval rendelkező tranzisztorok nem nyílnak meg, ha a kapura alkalmazott feszültség meghaladja a „töltés nélküli” tranzisztor küszöb feszültségét, de alacsonyabb, mint a „töltött” tranzisztor küszöb feszültsége. Ezt az értéket nevezzük olvasási feszültségnek.
Erasable Programmable Read-Only Memory
1971-ben az Intel munkatársa, Dov Frohman létrehozta a tranzisztorokon alapuló újraírásra képes memóriát, amelyet Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM)-nak hívtak.. Az adatok memóriába való írását egy speciális eszközzel, a programozóval végezték. A programozó magasabb feszültséget alkalmaz a chipen, mint ami a digitális áramkörökben használatos, így „írják be” az elektronokat a tranzisztorok lebegő kapuiba, ahol szükséges.
Az EPROM memóriában nem terveztek elektromos módszert a lebegő kapuk törlésére. Ehelyett javasolták a tranzisztorok erős ultraibolya sugárzás általi kezelését, amelynek fotonjai energiát adnak meg az elektronoknak, szükséges, hogy elhagyják a lebegő kaput. Az ultraibolya fény bejuttatásához a chipbe kvarc üveget helyeztek el a burkolaton.
Frohman először február 1971-ben mutatta be EPROM prototípusát a szilárdtest áramkörökről szóló konferencián Philadelphia-ban. Gordon Moore az előadásról így emlékezett: „Dov bemutatta a bitmintát az EPROM memóriacelláiban. Amikor az ultraibolya fény hatott a cellákra, a bitek sorban eltűntek, amíg a nem ismert Intel logó teljesen el nem tűnt. ... A bitek eltűntek, és amikor az utolsó is eltűnt, az egész közönség tapsra robbant. Dov cikkét a konferencia legjobbjának nyilvánították.” — A cikk fordítása
Az EPROM memória drágább, mint a korábban használt „egyszer használatos” tartós tárolók (ROM), de a programozhatóság lehetővé teszi a kapcsolások gyorsabb hibakeresését és a új hardver fejlesztésének időtartamának csökkentését.
A ROM ultraibolya fény általi újraprogramozása jelentős áttörés volt, de az elektromos újraprogramozás ötlete már régóta napirenden volt.
Elektromos törlésű programozható csak olvasható memória
1972-ben három japán: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi és Kiyoko Nagai bemutatta az első elektromosan törölhető állandó tárolót (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM vagy E2PROM). Később tudományos kutatásaik a kereskedelmi megvalósítások EEPROM memória szabadalmaiba kerültek.
Minden EEPROM memória cella több tranzisztorból áll:
- egy lebegő kapus tranzisztor a bit tárolására;
- egy tranzisztor az olvasási-írási mód vezérlésére.
Ez a konstrukció jelentősen bonyolítja az elektromos kapcsolás tervezését, ezért az EEPROM memóriát olyan esetekben használták, amikor a kis memória méret nem volt kritikus. Nagy mennyiségű adat tárolására továbbra is EPROM-t használtak.
Flash memória
A Flash memória, amely ötvözi az EPROM és az EEPROM legjobb tulajdonságait, a Fujio Masuoka japán professzor, a Toshiba mérnöke által lett kifejlesztve 1980-ban. Az első fejlesztés NOR típusú Flash memória néven vált ismertté, és mint elődeiből, itt is lebegő kapus mező tranzisztorok alapú.
A NOR típusú Flash memória egy kétdimenziós tranzisztormátrix. A tranzisztorok kapui a szavasorhoz csatlakoznak, míg a kimenetek a bitvonalhoz. Ha feszültséget alkalmaznak a szavasorra, azok a tranzisztorok, amelyek elektronokat tartalmaznak, vagyis „egyet” tárolnak, nem nyílnak meg, és áram nem folyik. A bitvonalon áram megléte vagy hiánya alapján határozzák meg a bit értékét.
Hét évvel később Fujio Masuoka kifejlesztette a NAND típusú Flash memóriát. Ez a memória a tranzisztorok számától függ a bitvonalon. A NOR memóriában minden tranzisztor közvetlenül a bitvonalhoz van csatlakoztatva, míg a NAND memóriában a tranzisztorok sorosan vannak összekapcsolva.
A memória ilyen konfigurációja nehezebben olvasható: a szükséges szóvonalra feszültséget juttatnak a leolvasáshoz, míg az összes többi szóra olyan feszültséget adnak, amely a tranzisztort nyitva tartja, függetlenül az áram szintjétől. Mivel minden más tranzisztor garantáltan nyitva van, a bitvonal feszültsége csak egy tranzisztor állapotától függ, amelyre a leolvasási feszültséget adták.
A NAND típusú Flash memória feltalálása jelentősen lehetővé tette a kapcsolási rajz tömörítését, lehetővé téve nagyobb memória méretek elhelyezését azonos méretek mellett. 2007-ig a memória méretét a chip gyártási technológiai folyamatának csökkentésével növelték.
2007-ben a Toshiba bemutatta a NAND memória új változatát: Vertical NAND (V-NAND), más néven 3D NAND. E technológia lényege, hogy a tranzisztorokat több rétegben helyezik el, amely újból lehetővé teszi a rajz tömörítését és a memória mennyiségének növelését. Mindazonáltal a rajz tömörítése nem ismételhető meg a végtelenségig, ezért más módszerek kutatását kezdték meg a tárolt memória növelésére.
Kezdetben minden tranzisztor két töltési szintet tárolt: logikai nullát és logikai egyet. E megközelítést Single-Level Cell (SLC)-nek nevezik. Az ilyen technológiájú tárolók magas megbízhatósággal és maximális újraírási ciklussal rendelkeznek.
Idővel a tárolók mennyiségét a kopásállóság rovására növelték. Így a töltési szintek száma a cellában négyre emelkedett, ezt a technológiát Multi-Level Cell (MLC)-nek nevezték. Ezt követően megjelentek a Triple-Level Cell (TLC) és ésQuad-Level Cell (QLC) . A jövőben új szint fog megjelenni - Penta-Level Cell (PLC)
öt bit egy cellában. Minél több bitet helyezünk el egy cellában, annál nagyobb a tároló kapacitása azonos költség mellett, de a kopásállósága csökken.
A Flash memória használata az űriparban nehézségekbe ütközik, mivel a sugárzás kedvezőtlen hatással van az elektronokra a lebegő zárakban.
A felsorolt problémák megakadályozzák, hogy a Flash memória egyértelmű vezetővé váljon az információtárolás terén. Annak ellenére, hogy a Flash memória alapú tárolók széles körben elterjedtek, más típusú memóriák kutatásai is zajlanak, amelyek mentesek ezekből a hátrányokból, például az információ tárolása mágneses momentumokban és fázisállapotokban.
Mágneses ellenállású memória
A mágneses momentumokkal történő információkódolás 1955-ben jelent meg mágneses magú memóriaként. Az 1970-es évek közepéig a ferrit memória volt a fő memória típus. Egy ilyen típusú memóriából való bit olvasása a gyűrűk degaussálásához és az információ elvesztéséhez vezetett. Így a bit olvasása után azt vissza kellett írni.
A modern mágneses ellenállású memória fejlesztések során gyűrűk helyett két ferromágneses réteget használnak, melyeket dielektromos anyag választ el. Az egyik réteg állandó mágnes, míg a másik a mágnesesség irányát változtatja. A bit olvasása egy ilyen cellából az ellenállás mérésére redukálódik áramerősség alkalmazásakor: ha a rétegek ellentétes irányban mágnesesek, akkor az ellenállás nagyobb, és ez a „1” értékével egyenértékű.
A ferrit memória nem igényel folyamatos áramforrást az eltárolt információk fenntartásához, azonban a cella mágneses térhatása befolyásolhatja a "szomszédot", ami korlátozza a beépítési sűrűséget.
A következő szerint A Flash memória alapú SSD-knek áram nélkül legalább három hónapon át meg kell őrizniük az információkat 40 °C környezeti hőmérsékleten. Az Intel által kifejlesztett tíz évig megőrzi az adatokat 200 °C-on.
Annak ellenére, hogy a fejlesztés bonyolult, a mágneses ellenállású memória használat közben nem degradálódik, és a többi memória típushoz képest a legjobb teljesítményt nyújtja, ezért ezt a memória típust nem szabad figyelmen kívül hagyni.
Fázisállapot váltó memória
A harmadik ígéretes memória típus a fázisváltó alapú memória. Ez a memória típus a halkogénidek azon képességeit használja, hogy fűtés hatására kristályos és amorf állapot között váltogassanak.
Halkogénidek — fémek bináris kötései a periódusos táblázat 16. csoportjával (a főcsoport 6. csoportjával). Például a CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM és Blu-ray lemezeken germánium-tellurid (GeTe) és antimon-tellurid (III) (Sb2Te3) található.
A fázisátmenet információtárolásra való alkalmazásának kutatása a következőkben folytatódott 1960-as években Stanford Ovshinsky által, de akkor még nem jutott el a kereskedelmi megvalósításig. A 2000-es években újra felkeltette az érdeklődést a technológia iránt, a Samsung szabadalmaztatta azt a technológiát, amely lehetővé tette a bit 5 ns-os kapcsolását, míg az Intel és az STMicroelectronics megnövelte az állapotok számát négyre, így megduplázva a lehetséges tárolókapacitást. A megolvadási hőmérséklet felett a chalcogenid elveszti kristályos szerkezetét, és lehűléskor amorf állapotba kerül, amelyet magas elektromos ellenállás jellemez. Ezzel szemben a kristályos hőmérsékletig való felmelegítés, de a megolvadási hőmérséklet alatt visszajuttatja a chalcogenid-t a kristályos állapotba, alacsony ellenállás mellett.
A fázis átmenetén alapuló memória nem igényli a "feltöltést" az idő múlásával, és nem érzékeny a sugárzásra, ellentétben az elektromos töltéseken alapuló memóriával. Ez a memória akár 300 évig képes megőrizni az információt 85°C-on.
Úgy tartják, hogy az Intel által kifejlesztett technológia, a
3D Crosspoint (3D XPoint) valójában a fázisátmeneteket használja az információk tárolására. A 3D XPoint-ot az Intel® Optane™ Memory tárolóiban alkalmazzák, amelyek esetében nagyobb kopásállóságot ígérnek. A szilárdtest-meghajtók fizikai eszköze számos változáson ment keresztül több, mint fél évszázad alatt, azonban minden egyes megoldásnak megvannak a maga hátrányai. A Flash memória vitathatatlan népszerűsége ellenére több cég, köztük a Samsung és az Intel, dolgozik a mágneses pillanatokon alapuló memória létrehozásának lehetőségén.
Zárás
A cellák kopásának csökkentése, tömörítése és a tárolókapacitás növelése — ezek a területek jelenleg ígéretesek a szilárdtest-meghajtók további fejlesztésére.
A legjobb NAND és 3D XPoint meghajtók tesztelése már most is elérhető az
Selectel LAB-ban. .
Szerinted az információ tárolására szolgáló elektromos töltések technológiáját mások, például kvarcdiskek vagy optikai memória nanokristályos sóban fogják-e kiszorítani?
Forrás: habr.com
