Le precedenti parti del ciclo "Introduzione agli SSD" hanno raccontato al lettore la storia dell'emergere degli SSD, le interfacce di interazione con essi e i formati più popolari. Questa quarta parte parlerà della memorizzazione dei dati all'interno dei dispositivi.
Negli articoli precedenti del ciclo:
La memorizzazione dei dati nei dispositivi a stato solido può essere suddivisa in due parti logiche: memorizzazione delle informazioni in una cella e organizzazione della memorizzazione delle celle.
Ogni cella di un'unità a stato solido memorizza uno o più bit di informazione. Per la memorizzazione delle informazioni vengono utilizzati diversi processi fisici. Nella progettazione di dispositivi a stato solido sono state esaminate le seguenti grandezze fisiche per la codifica delle informazioni:
- cariche elettriche (compresa la memoria Flash);
- momenti magnetici (memoria magnetoresistiva);
- stati di fase (memoria a cambiamento di stato di fase).
Memoria basata su cariche elettriche
La codifica delle informazioni mediante carica negativa è alla base di diverse soluzioni:
- EEPROM (memoria programmabile ed eliminabile tramite raggi ultravioletti);
- EEPROM
- Memoria Flash.
Ogni cella di memoria è un transistor MOSFET a effetto campo con gate flottante, in cui è conservata una carica negativa. La sua differenza rispetto a un normale transistor MOSFET risiede nel fatto che ha un gate flottante — un conduttore nel strato dielettrico.
Creando una differenza di potenziale tra il drain e la source e applicando un potenziale positivo sul gate, si genererà una corrente dal source al drain. Tuttavia, con una differenza di potenziale sufficientemente elevata, alcuni elettroni «superano» lo strato dielettrico e si trovano nel gate flottante. Questo fenomeno è chiamato .
Il gate flottante carico negativamente crea un campo elettrico che ostacola il flusso di corrente dal source al drain. Inoltre, la presenza di elettroni nel gate flottante aumenta la tensione di soglia alla quale il transistor si apre. Ad ogni 'scrittura' nel gate flottante del transistor, lo strato dielettrico subisce danni minori, il che limita il numero di cicli di riscrittura di ciascuna cella.
I transistor MOS a gate flottante sono stati sviluppati da Dawon Kahng e Simon Min Sze dei Bell Labs nel 1967. Successivamente, durante la ricerca sui difetti dei circuiti integrati, si è notato che a causa della carica nel gate flottante, la tensione di soglia che attiva il transistor era cambiata. Questa scoperta ha spinto Dov Frohman a iniziare a lavorare su una memoria basata su questo fenomeno.
La modifica della tensione di soglia consente di "programmare" i transistor. I transistor con una carica nel gate flottante non si attiveranno con una tensione applicata al gate superiore alla tensione di soglia per i transistor privi di elettroni, ma inferiore alla tensione di soglia per i transistor con elettroni. Chiamiamo tale valore tensione di lettura.
Memoria Programmabile e Cancellabile di Solo Lettura
Nel 1971, il dipendente Intel, Dov Frohman, creò una memoria riscrivibile basata su transistor, chiamata Memoria Programmabile e Cancellabile di Solo Lettura (EPROM). La programmazione nella memoria avveniva tramite un dispositivo speciale — il programmatore. Il programmatore fornisce al chip una tensione più elevata rispetto a quella utilizzata nei circuiti digitali, «scrivendo» così gli elettroni nei gate flottanti dei transistor, dove necessario.
Nella memoria EPROM non era prevista la cancellazione dei gate flottanti dei transistor tramite un metodo elettrico. Invece, si proponeva di agire sui transistor con una forte radiazione ultravioletta, i fotoni della quale forniscono energia agli elettroni necessaria per lasciare il gate flottante. Per permettere all'ultravioletto di penetrare nel chip, è stato aggiunto un vetro quaternario al corpo.
Frohman presentò per la prima volta il suo prototipo EPROM nel febbraio del 1971 durante la conferenza sui circuiti integrati a Philadelphia. Gordon Moore ricordava la dimostrazione: «Dov mostrò un pattern di bit nelle celle di memoria EPROM. Quando le celle venivano esposte alla luce ultravioletta, i bit scomparivano uno dopo l'altro, fino a quando il logo di Intel non svanì completamente... I bit scomparivano, e quando l'ultimo scomparve, tutto il pubblico scoppiò in applausi. L'articolo di Dov è stato riconosciuto come il migliore della conferenza». — Traduzione dell'articolo
La memoria EPROM è più costosa rispetto ai precedenti dispositivi di memoria permanente «monouso» (ROM), tuttavia la possibilità di riprogrammazione consente di sviluppare schemi più rapidamente e ridurre i tempi di sviluppo del nuovo hardware.
La riprogrammazione della ROM con luce ultravioletta è stata un notevole passo avanti, tuttavia, l'idea della registrazione elettrica era già nell'aria.
Memoria Programmabile a Lettura Elettrica Cancellabile
Nel 1972, tre giapponesi: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi e Kiyoko Nagai presentarono il primo dispositivo di memoria non volatile elettricamente cancellabile (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM o E2PROM). Successivamente, le loro ricerche diventano parte dei brevetti per le implementazioni commerciali della memoria EEPROM.
Ogni cella di memoria EEPROM è composta da diversi transistor:
- un transistor a gate flottante per memorizzare un bit;
- un transistor per controllare la modalità lettura-scrittura.
Tale struttura complica notevolmente il cablaggio del circuito elettrico, quindi la memoria EEPROM veniva utilizzata in casi dove la bassa capacità di memoria non era critica. Per immagazzinare grandi volumi di dati, si continuava a usare l'EPROM.
Memoria Flash
La memoria Flash, che combina le migliori caratteristiche dell'EPROM e dell'EEPROM, è stata sviluppata dal professor Fujio Masuoka, ingegnere della Toshiba, nel 1980. Il primo sviluppo è stato chiamato memoria Flash di tipo NOR e, come i suoi predecessori, si basa su transistor MOSFET a gate flottante.
La memoria Flash di tipo NOR è una matrice bidimensionale di transistor. I gate dei transistor sono collegati alla linea di parole, mentre i drain sono collegati alla linea di bit. Quando viene applicata tensione sulla linea di parole, i transistor che contengono elettroni, cioè che memorizzano un "1", non si aprono e la corrente non scorre. La presenza o l'assenza di corrente sulla linea di bit determina il valore del bit.
Sette anni dopo, Fujio Masuoka ha sviluppato la memoria Flash di tipo NAND. Questo tipo di memoria si differenzia per numero di transistor sulla linea di bit. Nella memoria di tipo NOR, ogni transistor è direttamente collegato alla linea di bit, mentre nella memoria NAND i transistor sono collegati in serie.
La lettura da una memoria di questa configurazione è più complessa: sulla linea di parole necessaria viene applicata la tensione richiesta per la lettura, mentre su tutte le altre linee di parole viene applicata una tensione che apre il transistor indipendentemente dal livello di carica in esso. Poiché tutti gli altri transistor sono garantiti come aperti, la presenza di tensione sulla linea di bit dipende solo da un transistor a cui è stata applicata tensione di lettura.
L'invenzione della memoria Flash di tipo NAND consente di densificare notevolmente il circuito, posizionando una maggiore capacità di memoria nelle stesse dimensioni. Fino al 2007, la capacità di memoria veniva aumentata riducendo il processo produttivo del chip.
Nel 2007, la Toshiba ha presentato una nuova versione della memoria NAND: Vertical NAND (V-NAND), nota anche come 3D NAND. In questa tecnologia si pone l'accento sul posizionamento dei transistor su più strati, il che consente nuovamente di densificare il circuito e aumentare la capacità di memoria. Tuttavia, la densificazione del circuito non può essere ripetuta all'infinito, quindi sono stati esplorati altri metodi per aumentare la capacità di memoria immagazzinata.
Inizialmente, ogni transistor memorizzava due livelli di carica: zero logico e uno logico. Questo approccio è chiamato Single-Level Cell (SLC). I dispositivi con questa tecnologia si distinguono per alta affidabilità e massimo numero di cicli di scrittura.
Con il tempo, è stata presa la decisione di aumentare la capacità dei dispositivi a scapito della durata. Così, il numero di livelli di carica nella cella è aumentato a quattro, e la tecnologia è stata chiamata Multi-Level Cell (MLC). Successivamente sono apparsi Triple-Level Cell (TLC) e Quad-Level Cell (QLC). In futuro apparirà un nuovo livello — Penta-Level Cell (PLC) con cinque bit in una cella. Maggiore è il numero di bit in una cella, maggiore è la capacità di immagazzinamento a parità di costo, ma minore è la resistenza all'usura.
La densità del circuito, mediante la riduzione del processo e l'aumento del numero di bit in un transistor, influisce negativamente sui dati memorizzati. Sebbene gli stessi transistor siano utilizzati in EPROM e EEPROM, queste memorie sono in grado di conservare i dati senza alimentazione per dieci anni, mentre la memoria Flash moderna può "dimenticare" tutto già dopo un anno.
L'uso della memoria Flash nell'industria spaziale è complesso, poiché la radiazione ha un effetto dannoso sugli elettroni nei gate flottanti.
I problemi elencati ostacolano la memoria Flash dal diventare il leader indiscusso nel campo della conservazione delle informazioni. Nonostante i dispositivi basati su memoria Flash siano ampiamente diffusi, sono in corso ricerche su altri tipi di memoria privi di questi difetti, inclusi quelli che memorizzano informazioni utilizzando momenti magnetici e stati di fase.
Memoria magnetoresistiva
La codifica delle informazioni tramite momenti magnetici è iniziata nel 1955 con la memoria a nucleo magnetico. Fino alla metà degli anni '70, la memoria ferroso era il principale tipo di memoria. La lettura di un bit in questo tipo di memoria causava la smagnetizzazione dell'anello e la perdita di informazioni. Pertanto, dopo la lettura di un bit, era necessario riscriverlo.
Nelle moderne applicazioni della memoria magnetoresistiva, invece degli anelli, vengono utilizzati due strati di ferromagnetico separati da un dielettrico. Uno strato funge da magnete permanente, mentre l'altro cambia la direzione della magnetizzazione. La lettura di un bit in questa cella avviene misurando la resistenza durante il passaggio della corrente: se gli strati sono magnetizzati in direzioni opposte, la resistenza aumenta, equivalente al valore «1».
La memoria ferroso non richiede una fonte di alimentazione continua per mantenere le informazioni registrate, tuttavia il campo magnetico di una cella può influenzare il «vicino», il che impone un limite sulla densità del circuito.
Secondo I dischi SSD basati su memoria Flash devono conservare le informazioni per almeno tre mesi a una temperatura ambiente di 40 °C. Progettato da Intel promette di mantenere i dati per dieci anni a una temperatura di 200 °C.
Nonostante la complessità dello sviluppo, la memoria magnetoresistiva non degrada durante l'uso e offre le migliori prestazioni tra gli altri tipi di memoria, il che non permette di escludere questa tipologia.
Memoria a cambiamento di fase
Il terzo tipo di memoria promettente è la memoria basata su transizioni di fase. Questo tipo di memoria sfrutta le proprietà dei calco genidi di passare dallo stato cristallino a quello amorfo quando riscaldata.
Calco genidi sono composti binari di metalli con il gruppo 16 (sesta sottofamiglia principale) della tavola periodica di Mendeleev. Ad esempio, nei dischi CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM e Blu-ray si utilizzano tellururo di germanio (GeTe) e tellururo di antimonio (III) (Sb2Te3).
Ricerche sull'uso delle transizioni di fase per l'archiviazione dei dati sono state effettuate nel 1960. Nel 2000, l'interesse per la tecnologia è rinato e Samsung ha brevettato una tecnologia in grado di commutare un bit in 5 ns. Intel e STMicroelectronics hanno aumentato il numero di stati a quattro, raddoppiando così la capacità.
Quando riscaldato oltre il punto di fusione, il calcogenuro perde la sua struttura cristallina e, raffreddandosi, si trasforma in una forma amorfa, caratterizzata da un'elevata resistenza elettrica. D'altra parte, se riscaldato a temperature superiori al punto di cristallizzazione ma inferiori al punto di fusione, il calcogenuro ritorna allo stato cristallino con un basso livello di resistenza.
La memoria a cambiamento di fase non richiede «ri-carica» nel tempo e non è sensibile all'irraggiamento, a differenza delle memorie basate su cariche elettriche. Questo tipo di memoria può mantenere informazioni per 300 anni a una temperatura di 85 °C.
Si ritiene che lo sviluppo di Intel, la tecnologia 3D Crosspoint (3D XPoint) utilizza precisamente le fasi di transizione per la memorizzazione delle informazioni. 3D XPoint è impiegato nei dispositivi Intel® Optane™ Memory, che vantano una maggiore resistenza all'usura.
Conclusione
Il dispositivo fisico degli SSD ha subito molteplici cambiamenti nel corso della sua storia di oltre mezzo secolo, tuttavia, ciascuna delle soluzioni presenta dei limiti. Nonostante l'indiscutibile popolarità della memoria Flash, diverse aziende, tra cui Samsung e Intel, stanno esplorando la possibilità di sviluppare memorie basate su momenti magnetici.
Ridurre l'usura delle celle, aumentarne la densità e migliorare la capacità complessiva del dispositivo: queste sono le direzioni attualmente promettenti per lo sviluppo futuro degli SSD.
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Secondo te, le tecnologie di memorizzazione basate su cariche elettriche saranno superate da altre, come i dischi al quarzo o la memoria ottica basata su nanocristalli di sale?
Fonte: habr.com
