{"id":73397,"date":"2020-03-09T08:42:28","date_gmt":"2020-03-09T05:42:28","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/administrirovanie\/vvedenie-v-ssd-chast-4-fizicheskaya"},"modified":"2020-03-09T08:42:28","modified_gmt":"2020-03-09T05:42:28","slug":"vvedenie-v-ssd-chast-4-fizicheskaya","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/it\/blog\/administrirovanie\/vvedenie-v-ssd-chast-4-fizicheskaya","title":{"rendered":"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"<p><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/07ee6f41981982df22293878e6c6d99a.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\nLe 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 pi\u00f9 popolari. Questa quarta parte parler\u00e0 della memorizzazione dei dati all'interno dei dispositivi.<br \/>\n<noindex><a rel=\"nofollow\" name=\"habracut\"><\/a><\/noindex><br \/>\n<i>Negli articoli precedenti del ciclo:<\/i><\/p>\n<ol>\n<li><i><noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/habr.com\/ru\/company\/selectel\/blog\/475304\/\">Storia della creazione di HDD e SSD<\/a><\/noindex><\/i><\/li>\n<li><i><noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/habr.com\/ru\/company\/selectel\/blog\/478684\/\">Emergere delle interfacce di memorizzazione<\/a><\/noindex><\/i><\/li>\n<li><i><noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/habr.com\/ru\/company\/selectel\/blog\/488230\/\">Caratteristiche dei formati<\/a><\/noindex><\/i><\/li>\n<\/ol>\n<p>\nLa memorizzazione dei dati nei dispositivi a stato solido pu\u00f2 essere suddivisa in due parti logiche: memorizzazione delle informazioni in una cella e organizzazione della memorizzazione delle celle.<\/p>\n<p>Ogni cella di un'unit\u00e0 a stato solido memorizza <b>uno o pi\u00f9 bit di informazione<\/b>. Per la memorizzazione delle informazioni vengono utilizzati diversi <b>processi fisici<\/b>. Nella progettazione di dispositivi a stato solido sono state esaminate le seguenti grandezze fisiche per la codifica delle informazioni:<\/p>\n<ul>\n<li><b>cariche elettriche<\/b> (compresa la memoria Flash);<\/li>\n<li><b>momenti magnetici<\/b> (memoria magnetoresistiva);<\/li>\n<li><b>stati di fase<\/b> (memoria a cambiamento di stato di fase).<\/li>\n<\/ul>\n<p><\/p>\n<h2>Memoria basata su cariche elettriche<\/h2>\n<p>\nLa codifica delle informazioni mediante carica negativa \u00e8 alla base di diverse soluzioni:<\/p>\n<ul>\n<li>EEPROM (memoria programmabile ed eliminabile tramite raggi ultravioletti);<\/li>\n<li>EEPROM<\/li>\n<li>Memoria Flash.<\/li>\n<\/ul>\n<p>\n<img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/8859aa8e143aeefc0a33f8255f1708f3.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\nOgni cella di memoria \u00e8 un <b>transistor MOSFET a effetto campo con gate flottante<\/b>, in cui \u00e8 conservata una carica negativa. La sua differenza rispetto a un normale transistor MOSFET risiede nel fatto che ha un gate flottante \u2014 un conduttore nel strato dielettrico.<\/p>\n<p>Creando una differenza di potenziale tra il drain e la source e applicando un potenziale positivo sul gate, si generer\u00e0 una corrente dal source al drain. Tuttavia, con una differenza di potenziale sufficientemente elevata, alcuni elettroni \u00absuperano\u00bb lo strato dielettrico e si trovano nel gate flottante. Questo fenomeno \u00e8 chiamato <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/ru.wikipedia.org\/wiki\/%D0%A2%D1%83%D0%BD%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82\">effetto tunneling<\/a><\/noindex>.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/7b6141b5e53940bcc073a3ee1c327eec.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\nIl 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.<\/p>\n<blockquote><p>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 \u00e8 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.<\/p><\/blockquote>\n<p>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 <b>tensione di lettura<\/b>.<\/p>\n<h3>Memoria Programmabile e Cancellabile di Solo Lettura<\/h3>\n<p>\n<noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/ru.wikipedia.org\/wiki\/EPROM\"><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/bfe650362b93b530401453130147d679.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><\/a><\/noindex><br \/>\nNel 1971, il dipendente Intel, Dov Frohman, cre\u00f2 una memoria riscrivibile basata su transistor, chiamata <b>Memoria Programmabile e Cancellabile di Solo Lettura (EPROM)<\/b>. La programmazione nella memoria avveniva tramite un dispositivo speciale \u2014 il programmatore. Il programmatore fornisce al chip una tensione pi\u00f9 elevata rispetto a quella utilizzata nei circuiti digitali, \u00abscrivendo\u00bb cos\u00ec gli elettroni nei gate flottanti dei transistor, dove necessario.<\/p>\n<p><noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/ru.wikipedia.org\/wiki\/EPROM\"><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/959b0d6bac92dafb1eb4aa46ea03952c.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><\/a><\/noindex><br \/>\nNella 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, \u00e8 stato aggiunto un vetro quaternario al corpo.<\/p>\n<p><noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/newsroom.intel.com\/news\/intel-50-qa-intels-dov-frohman-inventor-eprom\/#gs.wum63d\"><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/725b3ed07b0a5c5ceb285f6b7e234f08.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><\/a><\/noindex><\/p>\n<blockquote><p>Frohman present\u00f2 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: \u00abDov mostr\u00f2 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 svan\u00ec completamente... I bit scomparivano, e quando l'ultimo scomparve, tutto il pubblico scoppi\u00f2 in applausi. L'articolo di Dov \u00e8 stato riconosciuto come il migliore della conferenza\u00bb.<i> \u2014 Traduzione dell'articolo <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/newsroom.intel.com\/news\/intel-at-50-erasable-programmable-read-only-memory\">newsroom.intel.com<\/a><\/noindex><\/i><\/p><\/blockquote>\n<p>La memoria EPROM \u00e8 pi\u00f9 costosa rispetto ai precedenti dispositivi di memoria permanente \u00abmonouso\u00bb (ROM), tuttavia la possibilit\u00e0 di riprogrammazione consente di sviluppare schemi pi\u00f9 rapidamente e ridurre i tempi di sviluppo del nuovo hardware.<\/p>\n<p>La riprogrammazione della ROM con luce ultravioletta \u00e8 stata un notevole passo avanti, tuttavia, l'idea della registrazione elettrica era gi\u00e0 nell'aria.<\/p>\n<h3>Memoria Programmabile a Lettura Elettrica Cancellabile<\/h3>\n<p>\nNel 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.<\/p>\n<p>Ogni cella di memoria EEPROM \u00e8 composta da diversi transistor:<\/p>\n<ul>\n<li>un transistor a gate flottante per memorizzare un bit;<\/li>\n<li>un transistor per controllare la modalit\u00e0 lettura-scrittura.<\/li>\n<\/ul>\n<p>\nTale struttura complica notevolmente il cablaggio del circuito elettrico, quindi la memoria EEPROM veniva utilizzata in casi dove la bassa capacit\u00e0 di memoria non era critica. Per immagazzinare grandi volumi di dati, si continuava a usare l'EPROM.<\/p>\n<h3>Memoria Flash<\/h3>\n<p>\nLa memoria Flash, che combina le migliori caratteristiche dell'EPROM e dell'EEPROM, \u00e8 stata sviluppata dal professor Fujio Masuoka, ingegnere della Toshiba, nel 1980. Il primo sviluppo \u00e8 stato chiamato memoria Flash di tipo NOR e, come i suoi predecessori, si basa su transistor MOSFET a gate flottante.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/afb642e62142301a0430736f88a747a9.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\nLa memoria Flash di tipo NOR \u00e8 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, cio\u00e8 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.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/53a8762b0e7cec9b6ebdf5fb91e9b328.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\nSette 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 \u00e8 direttamente collegato alla linea di bit, mentre nella memoria NAND i transistor sono collegati in serie.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/14db892a94f6bf36fe3f9dc8f5ad76c3.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\nLa lettura da una memoria di questa configurazione \u00e8 pi\u00f9 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. Poich\u00e9 tutti gli altri transistor sono garantiti come aperti, la presenza di tensione sulla linea di bit dipende solo da un transistor a cui \u00e8 stata applicata tensione di lettura.<\/p>\n<p>L'invenzione della memoria Flash di tipo NAND consente di densificare notevolmente il circuito, posizionando una maggiore capacit\u00e0 di memoria nelle stesse dimensioni. Fino al 2007, la capacit\u00e0 di memoria veniva aumentata riducendo il processo produttivo del chip.<\/p>\n<p>Nel 2007, la Toshiba ha presentato una nuova versione della memoria NAND: <b>Vertical NAND (V-NAND)<\/b>, nota anche come <b>3D NAND<\/b>. In questa tecnologia si pone l'accento sul posizionamento dei transistor su pi\u00f9 strati, il che consente nuovamente di densificare il circuito e aumentare la capacit\u00e0 di memoria. Tuttavia, la densificazione del circuito non pu\u00f2 essere ripetuta all'infinito, quindi sono stati esplorati altri metodi per aumentare la capacit\u00e0 di memoria immagazzinata.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/11bbf1b13a91ae464c305fac941218ec.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\nInizialmente, ogni transistor memorizzava due livelli di carica: zero logico e uno logico. Questo approccio \u00e8 chiamato <b>Single-Level Cell (SLC)<\/b>. I dispositivi con questa tecnologia si distinguono per alta affidabilit\u00e0 e massimo numero di cicli di scrittura.<\/p>\n<p>Con il tempo, \u00e8 stata presa la decisione di aumentare la capacit\u00e0 dei dispositivi a scapito della durata. Cos\u00ec, il numero di livelli di carica nella cella \u00e8 aumentato a quattro, e la tecnologia \u00e8 stata chiamata <b>Multi-Level Cell (MLC)<\/b>. Successivamente sono apparsi <b>Triple-Level Cell (TLC)<\/b> e <b>Quad-Level Cell (QLC)<\/b>. In futuro apparir\u00e0 un nuovo livello \u2014 <b>Penta-Level Cell (PLC)<\/b> con cinque bit in una cella. Maggiore \u00e8 il numero di bit in una cella, maggiore \u00e8 la capacit\u00e0 di immagazzinamento a parit\u00e0 di costo, ma minore \u00e8 la resistenza all'usura.<\/p>\n<p>La densit\u00e0 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 pu\u00f2 \"dimenticare\" tutto gi\u00e0 dopo un anno.<\/p>\n<blockquote><p>L'uso della memoria Flash nell'industria spaziale \u00e8 complesso, poich\u00e9 la radiazione ha un effetto dannoso sugli elettroni nei gate flottanti.<\/p><\/blockquote>\n<p>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.<\/p>\n<h2>Memoria magnetoresistiva<\/h2>\n<p>\n<noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=lne8r2mIwuA\"><img decoding=\"async\" alt=\"Introduzione agli SSD. Parte 4. Fisica\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2020\/03\/12ad7d4ed598506d78199c56e91a3831.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><\/a><\/noindex><br \/>\nLa codifica delle informazioni tramite momenti magnetici \u00e8 iniziata nel 1955 con la memoria a nucleo magnetico. Fino alla met\u00e0 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.<\/p>\n<p>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 \u00ab1\u00bb.<\/p>\n<p>La memoria ferroso non richiede una fonte di alimentazione continua per mantenere le informazioni registrate, tuttavia il campo magnetico di una cella pu\u00f2 influenzare il \u00abvicino\u00bb, il che impone un limite sulla densit\u00e0 del circuito.<\/p>\n<blockquote><p>Secondo <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/www.jedec.org\/sites\/default\/files\/Alvin_Cox%20%5BCompatibility%20Mode%5D_0.pdf\">JEDEC<\/a><\/noindex> I dischi SSD basati su memoria Flash devono conservare le informazioni per almeno tre mesi a una temperatura ambiente di 40 \u00b0C. Progettato da Intel <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/3dnews.ru\/983125\">il chip basato su memoria magnetoresistiva<\/a><\/noindex> promette di mantenere i dati per dieci anni a una temperatura di 200 \u00b0C.<\/p><\/blockquote>\n<p>Nonostante la complessit\u00e0 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.<\/p>\n<h2>Memoria a cambiamento di fase<\/h2>\n<p>\nIl terzo tipo di memoria promettente \u00e8 la memoria basata su transizioni di fase. Questo tipo di memoria sfrutta le propriet\u00e0 dei calco genidi di passare dallo stato cristallino a quello amorfo quando riscaldata.<\/p>\n<blockquote><p><b>Calco genidi<\/b> 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).<\/p><\/blockquote>\n<p>Ricerche sull'uso delle transizioni di fase per l'archiviazione dei dati sono state effettuate nel <b>1960.<\/b> Nel 2000, l'interesse per la tecnologia \u00e8 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 cos\u00ec la capacit\u00e0.<\/p>\n<p>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.<\/p>\n<p>La memoria a cambiamento di fase non richiede \u00abri-carica\u00bb nel tempo e non \u00e8 sensibile all'irraggiamento, a differenza delle memorie basate su cariche elettriche. Questo tipo di memoria pu\u00f2 mantenere informazioni per 300 anni a una temperatura di 85 \u00b0C.<\/p>\n<p>Si ritiene che lo sviluppo di Intel, la tecnologia <b>3D Crosspoint (3D XPoint)<\/b> utilizza precisamente le transizioni di fase per l'archiviazione delle informazioni. 3D XPoint \u00e8 utilizzato nei dischi Intel&reg; Optane&trade; Memory, per i quali \u00e8 dichiarata una maggiore resistenza all'usura.<\/p>\n<h2>Conclusione<\/h2>\n<p>\nIl 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 popolarit\u00e0 della memoria Flash, diverse aziende, tra cui Samsung e Intel, stanno esplorando la possibilit\u00e0 di sviluppare memorie basate su momenti magnetici.<\/p>\n<p>Ridurre l'usura delle celle, aumentarne la densit\u00e0 e migliorare la capacit\u00e0 complessiva del dispositivo: queste sono le direzioni attualmente promettenti per lo sviluppo futuro degli SSD.<\/p>\n<blockquote><p>Puoi gi\u00e0 testare i pi\u00f9 avanzati dispositivi NAND e 3D XPoint nel nostro <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"http:\/\/slc.tl\/S-MoX\">Selectel LAB<\/a><\/noindex>.<\/p><\/blockquote>\n<p>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?<br \/>\n<br \/>Fonte: <a content=\"nofollow\" rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/habr.com\/ru\/company\/selectel\/blog\/491264\/\">habr.com<\/a> 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Parte 4. Fisica | ProHoster","description":"Le parti precedenti del ciclo \"Introduzione agli SSD\" hanno raccontato al lettore la storia della nascita degli SSD, le interfacce di interazione con essi e i formati pi\u00f9 comuni. La quarta parte tratter\u00e0 dell'archiviazione dei dati all'interno dei dispositivi. 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