Bagian sebelumnya dari seri “Pengantar SSD” memberi tahu pembaca tentang sejarah kemunculan drive SSD, antarmuka untuk berinteraksi dengannya, dan faktor bentuk yang populer. Bagian keempat akan membahas tentang penyimpanan data di dalam drive.
Dalam artikel sebelumnya di seri ini:
Penyimpanan data di solid-state drive dapat dibagi menjadi dua bagian logis: menyimpan informasi dalam satu sel dan mengatur penyimpanan sel.
Setiap sel solid state drive menyimpan satu atau lebih potongan informasi. Berbagai jenis informasi digunakan untuk menyimpan informasi. proses fisik. Saat mengembangkan solid-state drive, besaran fisik berikut dipertimbangkan untuk menyandikan informasi:
- muatan listrik (termasuk memori Flash);
- momen magnetik (memori magnetoresistif);
- keadaan fase (memori dengan perubahan keadaan fase).
Memori berdasarkan muatan listrik
Pengkodean informasi menggunakan muatan negatif mendasari beberapa solusi:
- ROM yang dapat dihapus ultraviolet (EPROM);
- ROM yang dapat dihapus secara elektrik (EEPROM);
- Memori kilat.
Setiap sel memori adalah MOSFET gerbang mengambang, yang menyimpan muatan negatif. Perbedaannya dari transistor MOS konvensional adalah adanya gerbang mengambang - konduktor di lapisan dielektrik.
Ketika terjadi perbedaan potensial antara saluran dan sumber dan terdapat potensial positif pada gerbang, arus akan mengalir dari sumber ke saluran. Namun, jika terdapat beda potensial yang cukup besar, beberapa elektron “menerobos” lapisan dielektrik dan berakhir di gerbang mengambang. Fenomena ini disebut .
Gerbang mengambang bermuatan negatif menciptakan medan listrik yang mencegah arus mengalir dari sumber ke saluran pembuangan. Selain itu, kehadiran elektron di gerbang mengambang meningkatkan tegangan ambang di mana transistor menyala. Dengan setiap “penulisan” ke gerbang mengambang transistor, lapisan dielektrik sedikit rusak, yang membatasi jumlah siklus penulisan ulang setiap sel.
MOSFET gerbang apung dikembangkan oleh Dawon Kahng dan Simon Min Sze di Bell Labs pada tahun 1967. Kemudian, ketika mempelajari cacat pada sirkuit terpadu, diketahui bahwa karena muatan di gerbang mengambang, tegangan ambang batas yang membuka transistor berubah. Penemuan ini mendorong Dov Frohman untuk mulai mengerjakan memori berdasarkan fenomena ini.
Mengubah tegangan ambang memungkinkan Anda untuk "memprogram" transistor. Transistor gerbang mengambang tidak akan menyala ketika tegangan gerbang lebih besar dari tegangan ambang transistor tanpa elektron, tetapi kurang dari tegangan ambang transistor dengan elektron. Sebut saja nilai ini tegangan baca.
Memori Hanya-Baca yang Dapat Diprogram yang Dapat Dihapus
Pada tahun 1971, karyawan Intel Dov Frohman menciptakan memori yang dapat ditulis ulang berbasis transistor yang disebut Memori Hanya-Baca yang Dapat Diprogram yang Dapat Dihapus (EPROM). Perekaman ke dalam memori dilakukan menggunakan perangkat khusus - seorang programmer. Pemrogram menerapkan tegangan yang lebih tinggi ke chip daripada yang digunakan dalam rangkaian digital, sehingga “menulis” elektron ke gerbang mengambang transistor jika diperlukan.
Memori EPROM tidak dimaksudkan untuk membersihkan gerbang mengambang transistor secara elektrik. Sebaliknya, diusulkan untuk mengekspos transistor ke sinar ultraviolet yang kuat, foton yang akan memberikan elektron energi yang dibutuhkan untuk keluar dari gerbang mengambang. Untuk memungkinkan sinar ultraviolet menembus jauh ke dalam chip, kaca kuarsa ditambahkan ke wadahnya.
Froman pertama kali mempresentasikan prototipe EPROM-nya pada bulan Februari 1971 di konferensi IC solid-state di Philadelphia. Gordon Moore mengenang demonstrasi tersebut: “Dov mendemonstrasikan pola bit dalam sel memori EPROM. Ketika sel terkena sinar ultraviolet, bit-bit tersebut menghilang satu per satu hingga logo Intel yang tidak dikenalnya benar-benar terhapus. … Ketukannya menghilang, dan ketika ketukan terakhir menghilang, seluruh penonton bertepuk tangan. Artikel Dov diakui sebagai yang terbaik di konferensi tersebut.” — Terjemahan artikel
Memori EPROM lebih mahal daripada perangkat memori read-only (ROM) “sekali pakai” yang sebelumnya digunakan, tetapi kemampuan untuk memprogram ulang memungkinkan Anda melakukan debug sirkuit lebih cepat dan mengurangi waktu yang diperlukan untuk mengembangkan perangkat keras baru.
Memprogram ulang ROM dengan sinar ultraviolet merupakan terobosan yang signifikan, namun gagasan penulisan ulang listrik sudah ada.
Memori Hanya-Baca Programmable yang Dapat Dihapus Secara Elektrik
Pada tahun 1972, tiga orang Jepang: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi dan Kiyoko Nagai memperkenalkan memori read-only pertama yang dapat dihapus secara elektrik (EEPROM atau E2PROM). Nantinya, penelitian ilmiah mereka akan menjadi bagian dari paten implementasi komersial memori EEPROM.
Setiap sel memori EEPROM terdiri dari beberapa transistor:
- transistor gerbang mengambang untuk penyimpanan bit;
- transistor untuk mengendalikan mode baca-tulis.
Desain ini sangat mempersulit pengkabelan rangkaian listrik, sehingga memori EEPROM digunakan dalam kasus di mana sejumlah kecil memori tidak penting. EPROM masih digunakan untuk menyimpan data dalam jumlah besar.
Memori kilat
Memori flash, yang menggabungkan fitur terbaik EPROM dan EEPROM, dikembangkan oleh profesor Jepang Fujio Masuoka, seorang insinyur di Toshiba, pada tahun 1980. Perkembangan pertama disebut memori NOR Flash dan, seperti pendahulunya, didasarkan pada MOSFET gerbang mengambang.
Memori flash NOR adalah susunan transistor dua dimensi. Gerbang transistor dihubungkan ke saluran kata, dan saluran pembuangan dihubungkan ke saluran bit. Ketika tegangan diterapkan ke saluran kata, transistor yang mengandung elektron, yaitu penyimpan “satu”, tidak akan terbuka dan arus tidak akan mengalir. Berdasarkan ada tidaknya arus pada garis bit maka ditarik suatu kesimpulan tentang nilai bit tersebut.
Tujuh tahun kemudian, Fujio Masuoka mengembangkan memori NAND Flash. Jenis memori ini berbeda dalam jumlah transistor pada garis bit. Pada memori NOR, setiap transistor dihubungkan langsung ke jalur bit, sedangkan pada memori NAND, transistor dihubungkan secara seri.
Membaca dari memori konfigurasi ini lebih sulit: tegangan yang diperlukan untuk membaca diterapkan ke baris kata yang diperlukan, dan tegangan diterapkan ke semua baris kata lainnya, yang membuka transistor terlepas dari tingkat muatan di dalamnya. Karena semua transistor lainnya dijamin terbuka, keberadaan tegangan pada saluran bit hanya bergantung pada satu transistor, dimana tegangan baca diterapkan.
Penemuan memori Flash NAND memungkinkan kompresi sirkuit secara signifikan, menempatkan lebih banyak memori dalam ukuran yang sama. Hingga tahun 2007, kapasitas memori ditingkatkan dengan mengurangi proses pembuatan chip.
Pada tahun 2007, Toshiba memperkenalkan versi baru memori NAND: NAND Vertikal (V-NAND), juga dikenal sebagai 3D NAND. Teknologi ini menekankan pada penempatan transistor dalam beberapa lapisan, yang sekali lagi memungkinkan sirkuit yang lebih padat dan peningkatan kapasitas memori. Namun, pemadatan sirkuit tidak dapat diulang tanpa batas waktu, sehingga metode lain telah dieksplorasi untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan.
Awalnya, setiap transistor menyimpan dua tingkat muatan: logika nol dan logika satu. Pendekatan ini disebut Sel Tingkat Tunggal (SLC). Drive dengan teknologi ini sangat andal dan memiliki jumlah siklus penulisan ulang maksimum.
Seiring waktu, diputuskan untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan karena ketahanan aus. Jadi jumlah tingkat muatan dalam sebuah sel mencapai empat, dan itulah teknologi yang disebut Sel Bertingkat (MLC). Berikutnya datang Sel Tiga Tingkat (TLC) и Sel Empat Tingkat (QLC). Akan ada level baru di masa depan - Sel Tingkat Penta (PLC) dengan lima bit per sel. Semakin banyak bit yang dimasukkan ke dalam satu sel, semakin besar kapasitas penyimpanan dengan biaya yang sama, namun semakin rendah ketahanan ausnya.
Pemadatan rangkaian dengan mengurangi proses teknis dan menambah jumlah bit dalam satu transistor berdampak negatif pada data yang disimpan. Meskipun EPROM dan EEPROM menggunakan transistor yang sama, EPROM dan EEPROM dapat menyimpan data tanpa daya selama sepuluh tahun, sedangkan memori Flash modern dapat “melupakan” semuanya setelah satu tahun.
Penggunaan memori Flash dalam industri luar angkasa sulit dilakukan karena radiasi mempunyai efek merugikan pada elektron di gerbang terapung.
Masalah-masalah ini mencegah memori Flash menjadi pemimpin yang tak terbantahkan di bidang penyimpanan informasi. Meskipun drive berbasis memori Flash tersebar luas, penelitian sedang dilakukan pada jenis memori lain yang tidak memiliki kelemahan ini, termasuk menyimpan informasi dalam momen magnetik dan keadaan fase.
Memori magnetoresistif
Pengkodean informasi dengan momen magnetik muncul pada tahun 1955 dalam bentuk memori pada inti magnetik. Hingga pertengahan tahun 1970-an, memori ferit merupakan jenis memori utama. Membaca sedikit dari memori jenis ini menyebabkan demagnetisasi cincin dan hilangnya informasi. Jadi, setelah membaca sedikit, itu harus ditulis kembali.
Dalam perkembangan modern memori magnetoresistif, alih-alih cincin, digunakan dua lapisan feromagnet, dipisahkan oleh dielektrik. Satu lapisan adalah magnet permanen, dan lapisan kedua mengubah arah magnetisasi. Membaca sedikit dari sel seperti itu berarti mengukur resistansi ketika arus mengalir: jika lapisan dimagnetisasi dalam arah yang berlawanan, maka resistansinya lebih besar dan ini setara dengan nilai “1”.
Memori ferit tidak memerlukan sumber daya yang konstan untuk menyimpan informasi yang direkam, namun medan magnet sel dapat mempengaruhi "tetangganya", yang membatasi pemadatan sirkuit.
Menurut Drive SSD berbasis memori Flash tanpa daya harus menyimpan informasi setidaknya selama tiga bulan pada suhu sekitar 40°C. Dirancang oleh Intel berjanji untuk menyimpan data selama sepuluh tahun pada suhu 200°C.
Meskipun pengembangannya rumit, memori magnetoresistif tidak menurun selama penggunaan dan memiliki kinerja terbaik di antara jenis memori lainnya, sehingga tidak memungkinkan memori jenis ini dihapuskan.
Memori perubahan fase
Jenis memori ketiga yang menjanjikan adalah memori berdasarkan perubahan fase. Jenis memori ini menggunakan sifat kalkogenida untuk beralih antara keadaan kristal dan amorf ketika dipanaskan.
Kalkogenida — senyawa biner logam dengan golongan ke-16 (golongan ke-6 dari subkelompok utama) pada tabel periodik. Misalnya, cakram CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM, dan Blu-ray menggunakan germanium telluride (GeTe) dan antimon(III) telluride (Sb2Te3).
Penelitian tentang penggunaan transisi fase untuk penyimpanan informasi dilakukan di tahun 1960-an tahun oleh Stanford Ovshinsky, tetapi kemudian tidak sampai pada implementasi komersial. Pada tahun 2000-an, ada minat baru terhadap teknologi ini, Samsung mematenkan teknologi yang memungkinkan peralihan bit dalam 5 ns, dan Intel serta STMicroelectronics meningkatkan jumlah status menjadi empat, sehingga menggandakan kemungkinan kapasitas.
Ketika dipanaskan di atas titik leleh, kalkogenida kehilangan struktur kristalnya dan, ketika didinginkan, berubah menjadi bentuk amorf yang ditandai dengan hambatan listrik yang tinggi. Pada gilirannya, ketika dipanaskan sampai suhu di atas titik kristalisasi, tetapi di bawah titik leleh, kalkogenida kembali ke keadaan kristal dengan tingkat resistensi yang rendah.
Memori perubahan fase tidak memerlukan “pengisian ulang” seiring waktu, dan juga tidak rentan terhadap radiasi, tidak seperti memori bermuatan listrik. Memori jenis ini dapat menyimpan informasi selama 300 tahun pada suhu 85°C.
Hal ini diyakini bahwa perkembangan teknologi Intel Titik Silang 3D (Titik X 3D) Ia menggunakan transisi fase untuk menyimpan informasi. 3D XPoint digunakan pada drive Memori Intel® Optane™ yang diklaim memiliki daya tahan lebih besar.
Kesimpulan
Desain fisik solid-state drive telah mengalami banyak perubahan selama lebih dari setengah abad sejarah, namun masing-masing solusi memiliki kekurangannya. Terlepas dari popularitas memori Flash yang tidak dapat disangkal, beberapa perusahaan, termasuk Samsung dan Intel, sedang menjajaki kemungkinan membuat memori berdasarkan momen magnetis.
Mengurangi keausan sel, memadatkannya, dan meningkatkan kapasitas hard disk secara keseluruhan merupakan area yang saat ini menjanjikan untuk pengembangan lebih lanjut solid-state drive.
Anda dapat menguji drive NAND dan 3D XPoint paling keren saat ini di kami .
Menurut Anda apakah teknologi untuk menyimpan informasi tentang muatan listrik akan digantikan oleh teknologi lain, misalnya cakram kuarsa atau memori optik pada nanokristal garam?
Sumber: www.habr.com