«SSD-ի ներածություն» շարքի նախորդ մասերը ընթերցողին պատմեցին SSD կրիչների առաջացման պատմության, դրանց հետ փոխազդելու ինտերֆեյսների և ձևի հանրաճանաչ գործոնների մասին: Չորրորդ մասում կխոսվի սկավառակների ներսում տվյալների պահպանման մասին:
Շարքի նախորդ հոդվածներում.
Տվյալների պահպանումը պինդ վիճակում գտնվող կրիչներում կարելի է բաժանել երկու տրամաբանական մասի՝ տեղեկատվության պահպանում մեկ խցում և բջիջների պահեստավորման կազմակերպում:
Պինդ վիճակի սկավառակի յուրաքանչյուր բջիջ պահվում է մեկ կամ մի քանի կտոր տեղեկատվություն. Տեղեկատվություն պահելու համար օգտագործվում են տարբեր տեսակի տեղեկություններ: ֆիզիկական գործընթացներ. Կոշտ վիճակում կրիչներ մշակելիս տեղեկատվության կոդավորման համար հաշվի են առնվել հետևյալ ֆիզիկական մեծությունները.
- էլեկտրական լիցքեր (ներառյալ ֆլեշ հիշողություն);
- մագնիսական պահեր (մագնիսական դիմադրողական հիշողություն);
- փուլային վիճակներ (հիշողություն փուլային վիճակի փոփոխությամբ):
Հիշողությունը հիմնված է էլեկտրական լիցքերի վրա
Բացասական լիցքով տեղեկատվության կոդավորումը մի քանի լուծումների հիմքում է.
- ուլտրամանուշակագույն ջնջվող ROM (EPROM);
- էլեկտրականորեն ջնջվող ROM (EEPROM);
- Ֆլեշ հիշողության.
Յուրաքանչյուր հիշողության բջիջ է լողացող դարպաս MOSFET, որը պահպանում է բացասական լիցք: Դրա տարբերությունը սովորական MOS տրանզիստորից լողացող դարպասի առկայությունն է՝ դիէլեկտրական շերտում հաղորդիչ:
Երբ պոտենցիալ տարբերություն է ստեղծվում արտահոսքի և աղբյուրի միջև, և դարպասում դրական ներուժ կա, հոսանքը կհոսի աղբյուրից արտահոսք: Այնուամենայնիվ, եթե կա բավականաչափ մեծ պոտենցիալ տարբերություն, որոշ էլեկտրոններ «կոտրում են» դիէլեկտրական շերտը և հայտնվում լողացող դարպասում: Այս երեւույթը կոչվում է .
Բացասական լիցքավորված լողացող դարպասը ստեղծում է էլեկտրական դաշտ, որը թույլ չի տալիս հոսանքը հոսել աղբյուրից դեպի արտահոսք: Ավելին, լողացող դարպասում էլեկտրոնների առկայությունը մեծացնում է շեմային լարումը, որի դեպքում տրանզիստորը միանում է: Տրանզիստորի լողացող դարպասի վրա յուրաքանչյուր «գրելու» դեպքում դիէլեկտրական շերտը փոքր-ինչ վնասվում է, ինչը սահմանափակում է յուրաքանչյուր բջիջի վերագրման ցիկլերի քանակի վրա:
Լողացող դարպասներով MOSFET-ները մշակվել են Դաոն Կանգի և Սայմոն Մին Սզեի կողմից Bell Labs-ում 1967 թվականին: Հետագայում, ինտեգրալ սխեմաների թերությունները ուսումնասիրելիս, նկատվեց, որ լողացող դարպասի լիցքավորման պատճառով փոխվել է տրանզիստորը բացող շեմային լարումը։ Այս բացահայտումը դրդեց Դով Ֆրոհմանին սկսել աշխատել հիշողության վրա՝ հիմնվելով այս երեւույթի վրա:
Շեմային լարման փոփոխությունը թույլ է տալիս «ծրագրավորել» տրանզիստորները: Լողացող դարպասի տրանզիստորները չեն միանա, երբ դարպասի լարումը ավելի մեծ է, քան առանց էլեկտրոնների տրանզիստորի շեմային լարումը, բայց էլեկտրոններով տրանզիստորի համար շեմային լարման պակասը: Եկեք այս արժեքն անվանենք ընթերցման լարումը.
Ջնջելի ծրագրավորվող միայն կարդալու հիշողություն
1971 թվականին Intel-ի աշխատակից Դով Ֆրոհմանը ստեղծեց տրանզիստորի վրա հիմնված վերագրանցելի հիշողություն, որը կոչվում էր. Ջնջելի ծրագրավորվող միայն կարդալու հիշողություն (EPROM). Հիշողության մեջ ձայնագրումն իրականացվել է հատուկ սարքի՝ ծրագրավորողի միջոցով: Ծրագրավորողը չիպի վրա ավելի բարձր լարում է կիրառում, քան օգտագործվում է թվային սխեմաներում՝ դրանով իսկ «գրելով» էլեկտրոններ տրանզիստորների լողացող դարպասներին, որտեղ անհրաժեշտ է:
EPROM հիշողությունը նախատեսված չէր տրանզիստորների լողացող դարպասները էլեկտրականորեն մաքրելու համար: Փոխարենը առաջարկվել է տրանզիստորները ենթարկել ուժեղ ուլտրամանուշակագույն լույսի, որի ֆոտոնները էլեկտրոններին կտան լողացող դարպասից դուրս գալու համար անհրաժեշտ էներգիա։ Որպեսզի ուլտրամանուշակագույն լույսը ներթափանցի չիպի խորքերը, պատին ավելացրին քվարցային ապակի:
Ֆրոմանն առաջին անգամ ներկայացրեց իր EPROM նախատիպը 1971 թվականի փետրվարին Ֆիլադելֆիայում կայացած IC կոնֆերանսի ժամանակ: Գորդոն Մուրը հիշեց ցուցադրությունը. «Դովը ցուցադրեց բիթային օրինաչափությունը EPROM հիշողության բջիջներում: Երբ բջիջները ենթարկվում էին ուլտրամանուշակագույն լույսի, բիթերը մեկ առ մեկ անհետանում էին, մինչև Intel-ի անծանոթ լոգոն ամբողջությամբ ջնջվեց: … Բիթերը անհետացան, և երբ վերջինն անհետացավ, ողջ հանդիսատեսը ծափահարեց: Դովի հոդվածը համաժողովում ճանաչվել է լավագույնը»։ — Հոդվածի թարգմանություն
EPROM հիշողությունն ավելի թանկ է, քան նախկինում օգտագործված «միանգամյա օգտագործման» միայն կարդալու հիշողության (ROM) սարքերը, սակայն վերածրագրավորելու հնարավորությունը թույլ է տալիս ավելի արագ կարգաբերել սխեմաները և կրճատել նոր սարքավորում մշակելու համար պահանջվող ժամանակը:
Ուլտրամանուշակագույն լույսով ROM-ների վերածրագրավորումը նշանակալի առաջընթաց էր, այնուամենայնիվ, էլեկտրական վերագրման գաղափարն արդեն իսկ օդում էր:
Էլեկտրական ջնջվող ծրագրավորվող միայն կարդալու հիշողություն
1972 թվականին երեք ճապոնացիներ՝ Յասուո Տարուին, Յուտակա Հայաշին և Կիյոկո Նագաին ներկայացրին առաջին էլեկտրական ջնջվող միայն կարդալու հիշողությունը (EEPROM կամ E2PROM): Հետագայում նրանց գիտական հետազոտությունները կդառնան EEPROM հիշողության կոմերցիոն ներդրման արտոնագրերի մաս:
Յուրաքանչյուր EEPROM հիշողության բջիջ բաղկացած է մի քանի տրանզիստորներից.
- լողացող դարպասի տրանզիստոր բիտերի պահպանման համար;
- տրանզիստոր՝ կարդալու-գրելու ռեժիմը կառավարելու համար:
Այս դիզայնը մեծապես բարդացնում է էլեկտրական միացման լարերը, ուստի EEPROM հիշողությունը օգտագործվում էր այն դեպքերում, երբ փոքր քանակությամբ հիշողությունը կարևոր չէր: EPROM-ը դեռ օգտագործվում էր մեծ քանակությամբ տվյալների պահպանման համար:
Ֆլեշ հիշողության
Ֆլեշ հիշողությունը, որը համատեղում է EPROM-ի և EEPROM-ի լավագույն հատկանիշները, մշակվել է ճապոնացի պրոֆեսոր Ֆուջիո Մասուոկայի կողմից՝ Toshiba-ի ինժեներ, 1980 թվականին: Առաջին մշակումը կոչվում էր NOR Flash հիշողություն և, ինչպես իր նախորդները, հիմնված է լողացող դարպասով MOSFET-ների վրա:
NOR ֆլեշ հիշողությունը տրանզիստորների երկչափ զանգված է: Տրանզիստորների դարպասները միացված են բառի տողին, իսկ արտահոսքերը միացված են բիտ գծին: Երբ լարումը կիրառվում է բառի տողի վրա, տրանզիստորները, որոնք պարունակում են էլեկտրոններ, այսինքն՝ «մեկը» պահող, չեն բացվի, և հոսանքը չի հոսի: Բիթային գծի վրա հոսանքի առկայության կամ բացակայության հիման վրա եզրակացություն է արվում բիտի արժեքի վերաբերյալ:
Յոթ տարի անց Ֆուջիո Մասուոկան մշակեց NAND Flash հիշողությունը: Հիշողության այս տեսակը տարբերվում է բիտ գծի տրանզիստորների քանակով: NOR հիշողության մեջ յուրաքանչյուր տրանզիստոր ուղղակիորեն միացված է բիթային գծին, մինչդեռ NAND հիշողության մեջ տրանզիստորները միացված են շարքով:
Այս կոնֆիգուրացիայի հիշողությունից կարդալն ավելի դժվար է. ընթերցման համար պահանջվող լարումը կիրառվում է բառի անհրաժեշտ տողի վրա, իսկ լարումը կիրառվում է բառի բոլոր մյուս տողերի վրա, ինչը բացում է տրանզիստորը՝ անկախ նրանում լիցքավորման մակարդակից: Քանի որ մնացած բոլոր տրանզիստորները երաշխավորված են բաց լինելու համար, բիթային գծի վրա լարման առկայությունը կախված է միայն մեկ տրանզիստորից, որի վրա կիրառվում է ընթերցման լարումը:
NAND Flash հիշողության գյուտը հնարավորություն է տալիս զգալիորեն սեղմել շղթան՝ ավելի շատ հիշողություն տեղադրելով նույն չափի մեջ։ Մինչև 2007 թվականը հիշողության հզորությունը մեծանում էր՝ նվազեցնելով չիպի արտադրական գործընթացը։
2007 թվականին Toshiba-ն ներկայացրեց NAND հիշողության նոր տարբերակը. Ուղղահայաց NAND (V-NAND), հայտնի է նաեւ որպես 3D NAND- ը. Այս տեխնոլոգիան շեշտը դնում է տրանզիստորների բազմաշերտ տեղադրման վրա, ինչը կրկին թույլ է տալիս ավելի խիտ սխեմաներ և մեծացնել հիշողության հզորությունը: Այնուամենայնիվ, շղթայի սեղմումը չի կարող անվերջ կրկնվել, ուստի այլ մեթոդներ են ուսումնասիրվել պահեստավորման հզորությունը մեծացնելու համար:
Սկզբում յուրաքանչյուր տրանզիստորում պահվում էր լիցքավորման երկու մակարդակ՝ տրամաբանական զրո և տրամաբանական մեկ: Այս մոտեցումը կոչվում է Մեկ մակարդակի բջիջ (SLC). Այս տեխնոլոգիայով կրիչներն ունեն բարձր հուսալիություն և ունեն առավելագույն թվով վերագրանցման ցիկլեր:
Ժամանակի ընթացքում որոշվեց մեծացնել պահեստային հզորությունը մաշվածության դիմադրության հաշվին։ Այսպիսով, խցում լիցքավորման մակարդակների թիվը հասնում է չորսի, և տեխնոլոգիան կոչվեց Բազմաստիճան բջիջ (MLC). Հաջորդը եկավ Եռակի մակարդակի բջիջ (TLC) и Չորս մակարդակի բջիջ (QLC). Ապագայում կլինի նոր մակարդակ. Penta-Level բջջային (PLC) յուրաքանչյուր բջջի համար հինգ բիթով: Որքան շատ բիթեր տեղավորվեն մեկ բջիջի մեջ, այնքան մեծ է պահեստավորման հզորությունը նույն գնով, բայց ավելի քիչ մաշվածության դիմադրություն:
Տեխնիկական գործընթացը նվազեցնելու և մեկ տրանզիստորի մեջ բիթերի քանակի ավելացման միջոցով միացումի սեղմումը բացասաբար է անդրադառնում պահվող տվյալների վրա: Չնայած այն հանգամանքին, որ EPROM-ը և EEPROM-ն օգտագործում են նույն տրանզիստորները, EPROM-ը և EEPROM-ը կարող են տվյալները պահել առանց էներգիայի տասը տարի, մինչդեռ ժամանակակից Flash հիշողությունը կարող է «մոռանալ» ամեն ինչ մեկ տարի անց:
Տիեզերական արդյունաբերության մեջ ֆլեշ հիշողության օգտագործումը դժվար է, քանի որ ճառագայթումը վնասակար ազդեցություն ունի լողացող դարպասների էլեկտրոնների վրա:
Այս խնդիրները թույլ չեն տալիս Flash հիշողությունը դառնալ տեղեկատվության պահպանման ոլորտում անվիճելի առաջատարը: Չնայած այն հանգամանքին, որ ֆլեշ հիշողության վրա հիմնված կրիչները լայն տարածում ունեն, ուսումնասիրություններ են կատարվում հիշողության այլ տեսակների վրա, որոնք չունեն այդ թերությունները, ներառյալ տեղեկատվության պահպանումը մագնիսական պահերին և փուլային վիճակներում:
Magnetoresistive հիշողություն
Մագնիսական պահերով տեղեկատվության կոդավորումը հայտնվել է 1955 թվականին մագնիսական միջուկների վրա հիշողության տեսքով: Մինչև 1970-ականների կեսերը ֆերիտային հիշողությունը հիշողության հիմնական տեսակն էր: Այս տեսակի հիշողությունից մի քիչ կարդալը հանգեցրեց օղակի ապամագնիսացման և տեղեկատվության կորստի: Այսպիսով, մի փոքր կարդալուց հետո այն պետք է հետ գրվեր։
Մագնիսական դիմադրողական հիշողության ժամանակակից զարգացումներում օղակների փոխարեն օգտագործվում են ֆերոմագնիսի երկու շերտ՝ բաժանված դիէլեկտրիկով։ Մի շերտը մշտական մագնիս է, իսկ երկրորդը փոխում է մագնիսացման ուղղությունը։ Նման բջիջից մի քիչ կարդալը հանգում է հոսանքի անցման ժամանակ դիմադրության չափմանը. եթե շերտերը մագնիսացված են հակառակ ուղղություններով, ապա դիմադրությունն ավելի մեծ է, և դա համարժեք է «1» արժեքին:
Ֆերիտի հիշողությունը չի պահանջում մշտական էներգիայի աղբյուր՝ գրանցված տեղեկատվությունը պահպանելու համար, այնուամենայնիվ, բջջի մագնիսական դաշտը կարող է ազդել «հարևանի» վրա, ինչը սահմանափակում է շղթայի սեղմման վրա:
Ըստ Ֆլեշ հիշողության վրա հիմնված SSD կրիչներն առանց հոսանքի պետք է պահպանեն տեղեկատվությունը առնվազն երեք ամիս շրջակա միջավայրի 40°C ջերմաստիճանում: Նախագծված է Intel-ի կողմից խոստանում է տվյալները պահել տասը տարի 200°C ջերմաստիճանում:
Չնայած զարգացման բարդությանը, մագնիսական դիմադրողական հիշողությունը չի քայքայվում օգտագործման ընթացքում և ունի լավագույն կատարումը հիշողության այլ տեսակների մեջ, ինչը թույլ չի տալիս այս տեսակի հիշողությունը դուրս գրել:
Փուլային փոփոխության հիշողություն
Հիշողության երրորդ խոստումնալից տեսակը հիշողությունն է՝ հիմնված փուլային փոփոխության վրա: Հիշողության այս տեսակը օգտագործում է քալկոգենիդների հատկությունները՝ տաքացնելիս բյուրեղային և ամորֆ վիճակների միջև անցնելու համար:
Խալկոգենիդներ — պարբերական համակարգի 16-րդ խմբի (հիմնական ենթախմբի 6-րդ խումբ) մետաղների երկուական միացություններ. Օրինակ՝ CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM և Blu-ray սկավառակներն օգտագործում են գերմանիումի տելուրիդ (GeTe) և անտիմոնի (III) տելուրիդ (Sb2Te3):
Տեղեկատվության պահպանման համար փուլային անցման օգտագործման վերաբերյալ հետազոտություն է իրականացվել 1960-ական թթ տարի Ստենֆորդ Օվշինսկու կողմից, բայց հետո այն չհասավ կոմերցիոն իրականացման։ 2000-ականներին նոր հետաքրքրություն նկատվեց տեխնոլոգիայի նկատմամբ, Samsung-ը արտոնագրեց տեխնոլոգիան, որը թույլ է տալիս բիթերի փոխարկումը 5 ns-ով, իսկ Intel-ը և STMicroelectronics-ը ավելացրին վիճակների թիվը մինչև չորս, դրանով իսկ կրկնապատկելով հնարավոր հզորությունը:
Հալման կետից բարձր տաքացնելիս քալկոգենիդը կորցնում է իր բյուրեղային կառուցվածքը և սառչելուց հետո վերածվում է ամորֆ ձևի, որը բնութագրվում է բարձր էլեկտրական դիմադրությամբ։ Իր հերթին, երբ տաքացվում է բյուրեղացման կետից բարձր, բայց հալման կետից ցածր ջերմաստիճանում, քալկոգենիդը վերադառնում է բյուրեղային վիճակի՝ դիմադրության ցածր մակարդակով:
Ֆազային փոփոխության հիշողությունը ժամանակի ընթացքում «վերալիցքավորում» չի պահանջում, ինչպես նաև ճառագայթման ենթակա չէ, ի տարբերություն էլեկտրական լիցքավորված հիշողության: Հիշողության այս տեսակը կարող է տեղեկատվություն պահել 300 տարի 85°C ջերմաստիճանում:
Ենթադրվում է, որ Intel-ի տեխնոլոգիայի զարգացումը 3D խաչմերուկ (3D XPoint) Այն օգտագործում է փուլային անցումներ՝ տեղեկատվություն պահելու համար: 3D XPoint-ն օգտագործվում է Intel® Optane™ հիշողության կրիչներում, որոնք, ինչպես պնդում են, ունեն ավելի մեծ դիմացկունություն:
Ամփոփում
Կոշտ վիճակում գտնվող կրիչների ֆիզիկական ձևավորումը ավելի քան կես դար պատմության ընթացքում ենթարկվել է բազմաթիվ փոփոխությունների, սակայն լուծումներից յուրաքանչյուրն ունի իր թերությունները: Չնայած Flash հիշողության անհերքելի հանրաճանաչությանը, մի քանի ընկերություններ, այդ թվում՝ Samsung-ը և Intel-ը, ուսումնասիրում են մագնիսական պահերի հիման վրա հիշողություն ստեղծելու հնարավորությունը:
Բջիջների մաշվածության նվազեցումը, դրանց սեղմումը և սկավառակի ընդհանուր հզորության բարձրացումը այն ոլորտներն են, որոնք ներկայումս խոստումնալից են պինդ վիճակում գտնվող կրիչների հետագա զարգացման համար:
Դուք կարող եք փորձարկել այսօրվա ամենաթեժ NAND և 3D XPoint կրիչներ հենց հիմա մեր կայքում .
Ի՞նչ եք կարծում, էլեկտրական լիցքերի մասին տեղեկատվության պահպանման տեխնոլոգիաները կփոխարինվեն ուրիշներով, օրինակ՝ քվարցային սկավառակներով կամ օպտիկական հիշողությամբ աղի նանաբյուրեղների վրա։
Source: www.habr.com