Le parti precedenti del ciclo «Introduzione agli SSD» hanno raccontato al lettore la storia dell'emergere dei dispositivi SSD, le interfacce di interazione con essi e i formati di fattore più popolari. La quarta parte parlerà della memorizzazione dei dati all'interno dei dispositivi.
Negli articoli precedenti del ciclo:
La memorizzazione dei dati negli SSD può essere suddivisa in due parti logiche: la memorizzazione delle informazioni in una cella e l'organizzazione della memorizzazione delle celle.
Ogni cella di un'unità a stato solido memorizza uno o più bit di informazioni. Per la memorizzazione delle informazioni vengono utilizzati diversi processi fisici. Durante lo sviluppo degli SSD sono state esplorate 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 tramite carica negativa è alla base di diverse soluzioni:
- EPROM cancellabili con ultravioletti;
- EEPROM elettricamente cancellabili;
- memoria Flash.
Ogni cella di memoria è un MOSFET con gate flottante, in cui è memorizzata una carica negativa. La sua differenza rispetto a un normale MOSFET sta nella presenza del gate flottante, un conduttore nello strato dielettrico.
Creando una differenza di potenziale tra il dreno e la sorgente e con un potenziale positivo sul gate, scorrerà corrente dalla sorgente al dreno. Tuttavia, con una differenza di potenziale sufficientemente grande, alcuni elettroni «forano» lo strato dielettrico e si trovano nel gate flottante. Questo fenomeno è chiamato .
Il gate flottante caricato negativamente crea un campo elettrico che ostacola il flusso di corrente dalla sorgente al dreno. 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 lievi, il che limita il numero di cicli di riscrittura di ogni cella.
I transistor a effetto di campo con 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, è stato osservato che la carica nel gate flottante ha modificato la tensione di soglia alla quale il transistor si apre. 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 carica nel gate flottante non si apriranno quando viene applicata una tensione al gate superiore alla tensione di soglia per il transistor senza elettroni, ma inferiore a quella per il transistor con elettroni. Indichiamo tale valore tensione di lettura.
Memoria programmabile e cancellabile di sola lettura
Nel 1971, Dov Frohman, un impiegato dell'Intel, creò una memoria riscrivibile su transistor, chiamata Memoria programmabile e cancellabile di sola lettura (EPROM). La registrazione nella memoria avveniva tramite un dispositivo speciale: un programmatore. Il programmatore applicava un'alta tensione al chip, superiore a quella utilizzata nei circuiti digitali, "registrando" così gli elettroni nei gate flottanti dei transistor dove necessario.
Nella memoria EPROM non era previsto un metodo di cancellazione dei gate flottanti dei transistor tramite elettricità. Invece, si suggeriva di colpire i transistor con forti radiazioni ultraviolette, i cui fotoni forniscono agli elettroni l'energia necessaria per abbandonare il gate flottante. Per permettere che l'ultravioletto penetri all'interno del chip, è stato aggiunto del vetro quarzo all'involucro.
Frohman ha presentato per la prima volta il suo prototipo di EPROM a febbraio 1971 in una conferenza sui circuiti integrati a Philadelphia. Gordon Moore ha ricordato la dimostrazione: "Dov ha mostrato un'immagine binaria nelle celle di memoria EPROM. Quando le celle venivano colpite dalla luce ultravioletta, i bit scomparivano uno dopo l'altro, fino a quando il noto logo dell'Intel non fu completamente cancellato. ... I bit svanivano, e quando l'ultimo di essi scomparve, l'intera audience scoppiò in applausi. L'articolo di Dov fu riconosciuto come il migliore della conferenza." — Traduzione dell'articolo
La memoria EPROM è più costosa rispetto ai precedenti dispositivi di memoria permanente "usa e getta" (ROM), tuttavia la possibilità di riprogrammazione consente di debugare i circuiti più rapidamente e ridurre il tempo di sviluppo di nuovo hardware.
La riprogrammazione della ROM con luce ultravioletta è stata una significativa innovazione, tuttavia, l'idea della riscrittura elettrica era già nell'aria.
Memoria Programmabile Elettricamente Cancellabile (EEPROM)
Nel 1972, tre giapponesi: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi e Kiyoko Nagai presentarono il primo dispositivo di memoria permanente elettricamente cancellabile (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM o E2PROM). In seguito, le loro ricerche sarebbero diventate parte dei brevetti per le realizzazioni commerciali della memoria EEPROM.
Ogni cella di memoria EEPROM è costituita da diversi transistor:
- un transistor a gate flottante per memorizzare un bit;
- un transistor per gestire la modalità di lettura-scrittura.
Questa costruzione complica notevolmente il cablaggio del circuito elettrico, motivo per cui la memoria EEPROM veniva utilizzata in situazioni in cui un piccolo volume di memoria non era critico. Per memorizzare grandi quantità di dati, si continuava a utilizzare la EPROM.
Memoria Flash
La memoria Flash, che combina le migliori caratteristiche di EPROM ed 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, è basato su transistor MOS a effetto di campo con gate flottante.
La memoria Flash di tipo NOR è una matrice bidimensionale di transistor. I gate dei transistor sono collegati alla linea delle parole, mentre i drain sono collegati alla linea dei bit. Quando viene applicata una tensione alla linea delle parole, i transistor che contengono elettroni, cioè che memorizzano un "uno", non si attiveranno e non fluirà corrente. La presenza o l'assenza di corrente sulla linea dei bit determina il valore del bit.
Sette anni dopo, Fujio Masuoka sviluppò la memoria Flash di tipo NAND. Questo tipo di memoria si differenzia per il 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 dalla memoria di questa configurazione è più complessa: sulla linea di bit necessaria viene applicata una tensione, necessaria per la lettura, mentre su tutte le altre linee di bit viene applicata una tensione che apre il transistor indipendentemente dal livello di carica in esso. Poiché tutti gli altri transistor sono garantiti aperti, la presenza di tensione sulla linea di bit dipende solo da un transistor, a cui è applicata la tensione di lettura.
L'invenzione della memoria Flash di tipo NAND consente di comprimere notevolmente il circuito, inserendo una maggiore quantità di memoria nelle stesse dimensioni. Fino al 2007, il volume di memoria era aumentato riducendo il processo tecnologico di produzione del chip.
Nel 2007, Toshiba ha presentato una nuova versione della memoria NAND: Vertical NAND (V-NAND), nota anche come 3D NAND. In questa tecnologia si fa leva sulla disposizione dei transistor su più strati, il che consente nuovamente di comprimere il circuito e aumentare la quantità di memoria. Tuttavia, la compressione del circuito non può essere ripetuta all'infinito, quindi sono stati esplorati altri metodi per aumentare il volume della 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.
Col tempo, si è deciso di aumentare il volume dei dispositivi a scapito della resistenza all'usura. Così, il numero di livelli di carica nella cella è aumentato fino 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 contenuti in una cella, maggiore è la capacità del dispositivo a parità di costo, ma inferiore è la resistenza all'usura.
La compressione del circuito attraverso la riduzione del processo tecnologico e l'aumento del numero di bit in un transistor influiscono negativamente sui dati memorizzati. Sebbene nella EPROM e nella EEPROM vengano utilizzati gli stessi transistor, EPROM ed EEPROM possono conservare dati senza alimentazione per dieci anni, mentre la moderna memoria Flash può "dimenticare" tutto già dopo un anno.
L'uso della memoria Flash nell'industria spaziale è problematico, poiché le radiazioni influiscono negativamente sugli elettroni nei gate flottanti.
I problemi elencati impediscono alla memoria Flash di diventare il leader indiscusso nel campo dello stoccaggio delle informazioni. Anche se i dispositivi basati su memoria Flash sono ampiamente diffusi, sono in corso ricerche su altri tipi di memoria privi di questi difetti, tra cui lo stoccaggio delle informazioni nei momenti magnetici e negli stati di fase.
Memoria magnetoresistiva
La codifica delle informazioni nei momenti magnetici è emersa nel 1955 sotto forma di memoria su nuclei magnetici. Fino alla metà degli anni '70, la memoria a ferrite era il tipo principale di memoria. La lettura di un bit da questo tipo di memoria portava alla demagnetizzazione dell'anello e alla perdita di informazioni. Pertanto, dopo la lettura di un bit, era necessario riscriverlo.
Nei moderni sviluppi della memoria magnetoresistiva, invece degli anelli, vengono utilizzati due strati di materiali ferromagnetici separati da un dielettrico. Uno strato funge da magnete permanente, mentre il secondo cambia la direzione della magnetizzazione. La lettura di un bit da una tale cella si riduce alla misurazione della resistenza durante il passaggio di corrente: se gli strati sono magnetizzati in direzioni opposte, la resistenza è maggiore e ciò è equivalente al valore "1".
La memoria a ferrite non richiede una fonte di alimentazione continua per mantenere le informazioni registrate, tuttavia il campo magnetico della cella può influenzare il "vicino", imponendo così un limite alla densità dei circuiti.
Secondo I dischi SSD basati su memoria Flash devono mantenere le informazioni per almeno tre mesi senza alimentazione a una temperatura ambientale di 40 °C. Il chip sviluppato da Intel promette di conservare i dati per dieci anni a una temperatura di 200 °C.
Nonostante la complessità dello sviluppo, la memoria magnetoresistiva non si degrada durante l'uso e offre migliori prestazioni rispetto agli altri tipi di memoria, il che rende impossibile escludere questo tipo di memoria.
Memoria a cambiamento di fase
Il terzo tipo di memoria promettente è la memoria basata sul cambiamento di fase. Questo tipo di memoria sfrutta le proprietà dei calchogenidi di passare tra stato cristallino e amorfo quando riscaldati.
Calchogenidi — connessioni binarie dei metalli con il gruppo 16 (6° gruppo della sottogruppo principale) della tavola periodica di Mendeleev. Ad esempio, nei dischi CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM e Blu-ray vengono utilizzati teluri di germanio (GeTe) e teluri di antimonio (III) (Sb2Te3).
Gli studi sull'uso della transizione di fase per la memorizzazione delle informazioni sono stati condotti nel 1960 da Stanford Ovshinsky, ma allora non si arrivò alla realizzazione commerciale. Negli anni 2000 ci fu nuovamente interesse per la tecnologia, Samsung brevettò una tecnologia che consente di commutare i bit in 5 ns e Intel e STMicroelectronics aumentarono il numero di stati a quattro, raddoppiando così la capacità possibile.
Quando riscaldato oltre il punto di fusione, il calcogenuro perde la struttura cristallina e, raffreddandosi, si trasforma in una forma amorfa caratterizzata da un'alta resistenza elettrica. A sua volta, riscaldandosi a una temperatura superiore al punto di cristallizzazione, ma inferiore al punto di fusione, il calcogenuro ritorna allo stato cristallino con un basso livello di resistenza.
La memoria a cambiamento di fase non richiede "ricarica" nel tempo ed è anche immune alle radiazioni, a differenza della memoria basata su cariche elettriche. Questo tipo di memoria può mantenere le informazioni per 300 anni a una temperatura di 85°C.
Si ritiene che lo sviluppo di Intel, la tecnologia 3D Crosspoint (3D XPoint) utilizzi proprio le transizioni di fase per la memorizzazione delle informazioni. 3D XPoint è utilizzato nelle memorie Intel® Optane™ Memory, per le quali viene dichiarata una maggiore resistenza all'usura.
Conclusione
Il dispositivo fisico degli SSD ha subito molteplici cambiamenti in più di cinquant'anni di storia, tuttavia, ciascuna delle soluzioni presenta i propri difetti. Nonostante l'indiscutibile popolarità della memoria Flash, diverse aziende, tra cui Samsung e Intel, stanno esaminando la possibilità di creare memoria basata su momenti magnetici.
La riduzione dell'usura delle celle, la loro densificazione e l'aumento della capacità totale del dispositivo di archiviazione sono le direzioni attualmente promettenti per ulteriore sviluppo degli SSD.
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Cosa ne pensate, le tecnologie di memorizzazione delle informazioni su cariche elettriche verranno soppiantate da altre, come i dischi a quarzo o la memoria ottica su nanocristalli di sale?
Fonte: habr.com
