Le parti precedenti della serie "Introduzione all'SSD" hanno raccontato al lettore la storia dell'emergere delle unità SSD, le interfacce per interagire con esse e i fattori di forma più diffusi. La quarta parte parlerà della memorizzazione dei dati all'interno delle unità.
Negli articoli precedenti della serie:
L'archiviazione dei dati nelle unità a stato solido può essere divisa in due parti logiche: archiviazione delle informazioni in una singola cella e organizzazione dell'archiviazione in cella.
Ogni cella di un'unità a stato solido memorizza uno o più bit di informazione. Vari tipi di informazioni vengono utilizzati per archiviare informazioni. processi fisici. Durante lo sviluppo delle unità a stato solido, per la codifica delle informazioni sono state prese in considerazione le seguenti quantità fisiche:
- cariche elettriche (inclusa la memoria Flash);
- momenti magnetici (memoria magnetoresistiva);
- stati di fase (memoria con cambio di stato di fase).
Memoria basata su cariche elettriche
La codifica delle informazioni utilizzando una carica negativa è alla base di diverse soluzioni:
- ROM cancellabile dai raggi ultravioletti (EPROM);
- ROM cancellabili elettricamente (EEPROM);
- Memoria flash.
Ogni cella di memoria lo è MOSFET a gate flottante, che immagazzina una carica negativa. La sua differenza rispetto a un transistor MOS convenzionale è la presenza di un gate flottante, un conduttore nello strato dielettrico.
Quando si crea una differenza di potenziale tra drain e source e c'è un potenziale positivo al gate, la corrente fluirà dalla source allo drain. Tuttavia, se la differenza di potenziale è sufficientemente grande, alcuni elettroni “sfondano” lo strato dielettrico e finiscono nel gate flottante. Questo fenomeno si chiama .
Un gate flottante caricato negativamente crea un campo elettrico che impedisce alla corrente di fluire dalla sorgente allo scarico. Inoltre, la presenza di elettroni nel gate flottante aumenta la tensione di soglia alla quale il transistor si accende. Ad ogni “scrittura” sul gate flottante del transistor, lo strato dielettrico viene leggermente danneggiato, il che impone un limite al numero di cicli di riscrittura di ciascuna cella.
I MOSFET a gate flottante furono sviluppati da Dawon Kahng e Simon Min Sze presso i Bell Labs nel 1967. Successivamente, studiando i difetti nei circuiti integrati, si è notato che a causa della carica nel gate flottante, la tensione di soglia che apre il transistor cambia. Questa scoperta ha spinto Dov Frohman a iniziare a lavorare sulla memoria basata su questo fenomeno.
La modifica della tensione di soglia consente di "programmare" i transistor. I transistor a gate flottante non si accendono quando la tensione di gate è maggiore della tensione di soglia per un transistor senza elettroni, ma inferiore alla tensione di soglia per un transistor con elettroni. Chiamiamo questo valore tensione di lettura.
Memoria di sola lettura programmabile cancellabile
Nel 1971, il dipendente Intel Dov Frohman creò una memoria riscrivibile basata su transistor chiamata Memoria di sola lettura programmabile cancellabile (EPROM). La registrazione in memoria è stata effettuata utilizzando un dispositivo speciale: un programmatore. Il programmatore applica al chip una tensione più elevata di quella utilizzata nei circuiti digitali, “scrivendo” così gli elettroni sulle porte flottanti dei transistor dove necessario.
La memoria EPROM non era destinata a pulire elettricamente le porte flottanti dei transistor. Si propose invece di esporre i transistor a una forte luce ultravioletta, i cui fotoni avrebbero fornito agli elettroni l'energia necessaria per sfuggire al gate flottante. Per consentire alla luce ultravioletta di penetrare in profondità nel chip, all'alloggiamento è stato aggiunto vetro al quarzo.
Froman presentò per la prima volta il suo prototipo EPROM nel febbraio 1971 ad una conferenza sui circuiti integrati a stato solido a Filadelfia. Gordon Moore ha ricordato la dimostrazione: “Dov ha dimostrato lo schema dei bit nelle celle di memoria EPROM. Quando le celle sono state esposte alla luce ultravioletta, i bit sono scomparsi uno per uno fino a quando lo sconosciuto logo Intel è stato completamente cancellato. … I ritmi sono scomparsi e quando è scomparso l'ultimo, l'intero pubblico è scoppiato in un applauso. L’articolo di Dov è stato riconosciuto come il migliore della conferenza”. — Traduzione dell'articolo
La memoria EPROM è più costosa rispetto ai dispositivi di memoria di sola lettura (ROM) "usa e getta" utilizzati in precedenza, ma la possibilità di riprogrammare consente di eseguire il debug dei circuiti più velocemente e di ridurre il tempo necessario per sviluppare nuovo hardware.
La riprogrammazione delle ROM con la luce ultravioletta è stata una svolta significativa, tuttavia l'idea della riscrittura elettrica era già nell'aria.
Memoria di sola lettura programmabile cancellabile elettricamente
Nel 1972, tre giapponesi: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi e Kiyoko Nagai introdussero la prima memoria di sola lettura cancellabile elettricamente (EEPROM o E2PROM). Successivamente, la loro ricerca scientifica diventerà parte di brevetti per implementazioni commerciali della memoria EEPROM.
Ogni cella di memoria EEPROM è composta da diversi transistor:
- transistor a gate flottante per memorizzazione di bit;
- transistor per il controllo della modalità di lettura-scrittura.
Questo design complica notevolmente il cablaggio del circuito elettrico, quindi la memoria EEPROM è stata utilizzata nei casi in cui una piccola quantità di memoria non era critica. La EPROM era ancora utilizzata per memorizzare grandi quantità di dati.
Memoria flash
La memoria flash, che combina le migliori caratteristiche di EPROM ed EEPROM, è stata sviluppata dal professore giapponese Fujio Masuoka, un ingegnere della Toshiba, nel 1980. Il primo sviluppo si chiamava memoria Flash NOR e, come i suoi predecessori, si basava su MOSFET a gate mobile.
La memoria flash NOR è una matrice bidimensionale di transistor. Le porte dei transistor sono collegate alla word line e i drain sono collegati alla bit line. Quando viene applicata tensione alla linea di parola, i transistor contenenti elettroni, ovvero che memorizzano "uno", non si apriranno e la corrente non fluirà. In base alla presenza o all'assenza di corrente sulla linea di bit si trae una conclusione sul valore del bit.
Sette anni dopo, Fujio Masuoka sviluppò la memoria NAND Flash. Questo tipo di memoria differisce nel numero di transistor sulla linea di bit. Nella memoria NOR, ciascun transistor è collegato direttamente ad una linea di bit, mentre nella memoria NAND i transistor sono collegati in serie.
Leggere dalla memoria questa configurazione è più difficile: la tensione necessaria per la lettura viene applicata alla linea necessaria della parola e la tensione viene applicata a tutte le altre linee della parola, il che apre il transistor indipendentemente dal livello di carica in esso contenuto. Poiché tutti gli altri transistor sono sicuramente aperti, la presenza di tensione sulla bit line dipende solo da un transistor, al quale viene applicata la tensione di lettura.
L'invenzione della memoria NAND Flash consente di comprimere notevolmente il circuito, inserendo più memoria nella stessa dimensione. Fino al 2007 la capacità di memoria veniva aumentata riducendo il processo di fabbricazione del chip.
Nel 2007, Toshiba ha introdotto una nuova versione della memoria NAND: NAND verticale (V-NAND), conosciuto anche come 3D NAND. Questa tecnologia pone l'accento sul posizionamento dei transistor su più strati, il che consente ancora una volta circuiti più densi e una maggiore capacità di memoria. Tuttavia, la compattazione del circuito non può essere ripetuta indefinitamente, quindi sono stati esplorati altri metodi per aumentare la capacità di stoccaggio.
Inizialmente, ciascun transistor memorizzava due livelli di carica: zero logico e uno logico. Questo approccio si chiama Cella a livello singolo (SLC). Le unità con questa tecnologia sono altamente affidabili e hanno un numero massimo di cicli di riscrittura.
Nel tempo si è deciso di aumentare la capacità di stoccaggio a scapito della resistenza all'usura. Quindi il numero di livelli di carica in una cella è fino a quattro e la tecnologia è stata chiamata Cella multilivello (MLC). Poi è arrivato Cella a triplo livello (TLC) и Cella a quattro livelli (QLC). Ci sarà un nuovo livello in futuro - Cella penta-livello (PLC) con cinque bit per cella. Più bit vengono inseriti in una cella, maggiore è la capacità di stoccaggio allo stesso costo, ma minore è la resistenza all'usura.
La compattazione del circuito riducendo il processo tecnico e aumentando il numero di bit in un transistor influisce negativamente sui dati memorizzati. Nonostante EPROM ed EEPROM utilizzino gli stessi transistor, EPROM ed EEPROM possono memorizzare dati senza alimentazione per dieci anni, mentre le moderne memorie Flash possono “dimenticare” tutto dopo un anno.
L'uso della memoria flash nell'industria spaziale è difficile perché le radiazioni hanno un effetto dannoso sugli elettroni nei gate flottanti.
Questi problemi impediscono alla memoria Flash di diventare il leader indiscusso nel campo della memorizzazione delle informazioni. Nonostante la diffusione delle unità basate sulla memoria Flash, sono in corso ricerche su altri tipi di memoria che non presentano questi svantaggi, compresa la memorizzazione di informazioni in momenti magnetici e stati di fase.
Memoria magnetoresistiva
La codifica delle informazioni con momenti magnetici apparve nel 1955 sotto forma di memoria su nuclei magnetici. Fino alla metà degli anni '1970, la memoria in ferrite era il tipo di memoria principale. Leggere un po' da questo tipo di memoria ha portato alla smagnetizzazione dell'anello e alla perdita di informazioni. Quindi, dopo aver letto un po', è stato necessario riscriverlo.
Negli sviluppi moderni della memoria magnetoresistiva, invece degli anelli, vengono utilizzati due strati di un ferromagnete, separati da un dielettrico. Uno strato è un magnete permanente e il secondo cambia la direzione della magnetizzazione. Leggere un po' da una cella del genere si riduce a misurare la resistenza al passaggio di corrente: se gli strati sono magnetizzati in direzioni opposte, la resistenza è maggiore e questo equivale al valore “1”.
La memoria in ferrite non richiede una fonte di alimentazione costante per mantenere le informazioni registrate, tuttavia, il campo magnetico della cella può influenzare il “vicino”, il che impone una limitazione alla compattazione del circuito.
Secondo Le unità SSD basate su memoria Flash senza alimentazione devono conservare le informazioni per almeno tre mesi a una temperatura ambiente di 40°C. Progettato da Intel promette di conservare i dati per dieci anni a 200°C.
Nonostante la complessità dello sviluppo, la memoria magnetoresistiva non si degrada durante l'uso e ha le migliori prestazioni tra gli altri tipi di memoria, il che non consente la cancellazione di 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 utilizza le proprietà dei calcogenuri per passare dallo stato cristallino a quello amorfo quando riscaldato.
Calcogenuri — composti binari di metalli con il 16° gruppo (6° gruppo del sottogruppo principale) della tavola periodica. Ad esempio, i dischi CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM e Blu-ray utilizzano tellururo di germanio (GeTe) e tellururo di antimonio (III) (Sb2Te3).
La ricerca sull'uso della transizione di fase per l'archiviazione delle informazioni è stata condotta nel Anni '1960 anno da Stanford Ovshinsky, ma poi non è arrivato all'implementazione commerciale. Negli anni 2000, ci fu un rinnovato interesse per la tecnologia, Samsung brevettò la tecnologia che consente la commutazione di bit in 5 ns, e Intel e STMicroelectronics aumentarono il numero di stati a quattro, raddoppiando così la capacità possibile.
Quando riscaldato al di sopra del punto di fusione, il calcogenuro perde la sua struttura cristallina e, dopo raffreddamento, si trasforma in una forma amorfa caratterizzata da un'elevata resistenza elettrica. A sua volta, quando riscaldato ad 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 e non è suscettibile alle radiazioni, a differenza della memoria caricata elettricamente. Questo tipo di memoria può conservare le informazioni per 300 anni ad una temperatura di 85°C.
Si ritiene che lo sviluppo della tecnologia Intel Punto d'incrocio 3D (XPoint 3D) Utilizza le transizioni di fase per memorizzare le informazioni. 3D XPoint è utilizzato nelle unità di memoria Intel® Optane™, che si ritiene abbiano una maggiore resistenza.
conclusione
La progettazione fisica delle unità a stato solido ha subito numerosi cambiamenti nel corso di oltre mezzo secolo di storia, tuttavia ciascuna soluzione presenta i suoi inconvenienti. Nonostante l'innegabile popolarità della memoria Flash, diverse aziende, tra cui Samsung e Intel, stanno esplorando la possibilità di creare memoria basata su momenti magnetici.
La riduzione dell'usura delle celle, la loro compattazione e l'aumento della capacità complessiva del disco sono aree attualmente promettenti per l'ulteriore sviluppo dei dischi a stato solido.
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Pensi che le tecnologie per memorizzare informazioni sulle cariche elettriche saranno sostituite da altre, ad esempio, dischi di quarzo o memoria ottica su nanocristalli di sale?
Fonte: habr.com