מבוא לכונני SSD. חלק 4. פיזי

חלקים קודמים של סדרת "מבוא ל-SSD" סיפרו לקורא על ההיסטוריה של הופעת כונני SSD, ממשקים לאינטראקציה איתם וגורמי צורה פופולריים. החלק הרביעי ידבר על אחסון נתונים בתוך כוננים.

במאמרים קודמים בסדרה:

1. היסטוריה של יצירת HDD ו-SSD
2. הופעת ממשקי אחסון
3. תכונות של גורמי צורה

ניתן לחלק את אחסון הנתונים בכונני מצב מוצק לשני חלקים לוגיים: אחסון מידע בתא בודד וארגון אחסון סלולרי.

כל תא של כונן מצב מוצק מאחסן פיסת מידע אחת או יותר. סוגים שונים של מידע משמשים לאחסון מידע. תהליכים פיזיים. בעת פיתוח כונני מצב מוצק, הכמויות הפיזיקליות הבאות נלקחו בחשבון עבור קידוד מידע:

• מטענים חשמליים (כולל זיכרון פלאש);
• רגעים מגנטיים (זיכרון מגנטוריסטי);
• מצבי פאזה (זיכרון עם שינוי במצב פאזה).

זיכרון המבוסס על מטענים חשמליים

קידוד מידע באמצעות מטען שלילי עומד בבסיס מספר פתרונות:

• ROM מחיק אולטרה סגול (EPROM);
• ROM מחיק חשמלי (EEPROM);
• זיכרון פלאש.

כל תא זיכרון הוא שער צף MOSFET, המאחסן מטען שלילי. ההבדל שלו מטרנזיסטור MOS רגיל הוא נוכחות של שער צף - מוליך בשכבה הדיאלקטרית.

כאשר נוצר הפרש פוטנציאל בין הניקוז למקור ויש פוטנציאל חיובי בשער, זרם יזרום ממקור לנקז. עם זאת, אם יש הפרש פוטנציאל גדול מספיק, כמה אלקטרונים "פורצים" את השכבה הדיאלקטרית ומגיעים בשער הצף. תופעה זו נקראת אפקט מנהרה.

שער צף בעל מטען שלילי יוצר שדה חשמלי המונע זרימת זרם ממקור לניקוז. יתרה מכך, נוכחות אלקטרונים בשער הצף מגבירה את מתח הסף שבו הטרנזיסטור נדלק. עם כל "כתיבה" לשער הצף של הטרנזיסטור, השכבה הדיאלקטרית ניזוקה מעט, מה שמטיל מגבלה על מספר מחזורי השכתוב של כל תא.

MOSFETs עם שער צף פותחו על ידי Dawon Kahng ו- Simon Min Sze ב-Bell Labs ב-1967. מאוחר יותר, כאשר חקרו פגמים במעגלים משולבים, הבחינו כי עקב המטען בשער הצף השתנה מתח הסף שפותח את הטרנזיסטור. גילוי זה גרם לדב פרוהמן להתחיל לעבוד על זיכרון על סמך תופעה זו.

שינוי מתח הסף מאפשר לך "לתכנת" את הטרנזיסטורים. טרנזיסטורי שער צף לא יידלקו כאשר מתח השער גדול ממתח הסף לטרנזיסטור ללא אלקטרונים, אלא פחות ממתח הסף לטרנזיסטור עם אלקטרונים. בואו נקרא לערך הזה קריאת מתח.

זיכרון לקריאה בלבד הניתן למחיקה

בשנת 1971, עובד אינטל, דב פרוהמן, יצר זיכרון לכתיבה מחדש מבוסס טרנזיסטור בשם זיכרון לקריאה בלבד (EPROM) הניתן למחיקה. ההקלטה לזיכרון בוצעה באמצעות מכשיר מיוחד - מתכנת. המתכנת מפעיל על השבב מתח גבוה יותר מזה שמשמש במעגלים דיגיטליים, ובכך "כותב" אלקטרונים לשערים הצפים של הטרנזיסטורים במידת הצורך.

זיכרון EPROM לא נועד לנקות את השערים הצפים של טרנזיסטורים באופן חשמלי. במקום זאת, הוצע לחשוף את הטרנזיסטורים לאור אולטרה סגול חזק, שהפוטונים שלו יעניקו לאלקטרונים את האנרגיה הדרושה כדי להימלט מהשער הצף. כדי לאפשר לאור אולטרה סגול לחדור עמוק לתוך השבב, נוספה זכוכית קוורץ לבית.

פרומן הציג לראשונה את אב-טיפוס ה-EPROM שלו בפברואר 1971 בכנס IC של מצב מוצק בפילדלפיה. גורדון מור נזכר בהדגמה: "דב הדגים את תבנית הביטים בתאי הזיכרון של EPROM. כאשר התאים נחשפו לאור אולטרה סגול, הביטים נעלמו בזה אחר זה עד שהלוגו הלא מוכר של אינטל נמחק לחלוטין. ... הקצבים נעלמו, וכשהאחרון נעלם, כל הקהל פרץ במחיאות כפיים. המאמר של דב הוכר כטוב ביותר בכנס". - תרגום המאמר newsroom.intel.com

זיכרון EPROM יקר יותר מהתקני זיכרון "חד פעמי" לקריאה בלבד (ROM), אך היכולת לתכנת מחדש מאפשרת לך לנפות באגים במעגלים מהר יותר ולצמצם את הזמן הנדרש לפיתוח חומרה חדשה.

תכנות מחדש של ROM עם אור אולטרה סגול היה פריצת דרך משמעותית, עם זאת, הרעיון של שכתוב חשמלי כבר היה באוויר.

זיכרון לקריאה בלבד הניתן למחיקה חשמלית

בשנת 1972, שלושה יפנים: יאסו טארוי, יוטאקה הייאשי וקיוקו נאגאי הציגו את הזיכרון הראשון לקריאה בלבד הניתן למחיקה חשמלית (EEPROM או E2PROM). מאוחר יותר, המחקר המדעי שלהם יהפוך לחלק מפטנטים עבור יישומים מסחריים של זיכרון EEPROM.

כל תא זיכרון EEPROM מורכב ממספר טרנזיסטורים:

• טרנזיסטור שער צף לאחסון סיביות;
• טרנזיסטור לשליטה במצב קריאה-כתיבה.

עיצוב זה מסבך מאוד את החיווט של המעגל החשמלי, ולכן נעשה שימוש בזיכרון EEPROM במקרים שבהם כמות קטנה של זיכרון לא הייתה קריטית. EPROM עדיין שימש לאחסון כמויות גדולות של נתונים.

זיכרון פלאש

זיכרון פלאש, המשלב את התכונות הטובות ביותר של EPROM ו-EEPROM, פותח על ידי פרופסור יפני Fujio Masuoka, מהנדס ב-Toshiba, בשנת 1980. הפיתוח הראשון נקרא NOR Flash memory וכמו קודמיו, מבוסס על MOSFET-שער צף.

זיכרון פלאש NOR הוא מערך דו מימדי של טרנזיסטורים. השערים של הטרנזיסטורים מחוברים לקו המילה, והנקזים מחוברים לקו הסיביות. כאשר מתח מופעל על קו המילה, טרנזיסטורים המכילים אלקטרונים, כלומר אחסון "אחד", לא ייפתחו והזרם לא יזרום. בהתבסס על נוכחות או היעדר זרם על קו הסיביות, מסיקים מסקנה לגבי ערכו של הביט.

שבע שנים מאוחר יותר, Fujio Masuoka פיתח זיכרון NAND Flash. סוג זה של זיכרון שונה במספר הטרנזיסטורים בקו הסיביות. בזיכרון NOR, כל טרנזיסטור מחובר ישירות לקו סיביות, בעוד שבזיכרון NAND, הטרנזיסטורים מחוברים בסדרה.

קריאה מהזיכרון של תצורה זו קשה יותר: המתח הדרוש לקריאה מופעל על הקו הדרוש של המילה, ומתח מופעל על כל שאר הקווים של המילה, מה שפותח את הטרנזיסטור ללא קשר לרמת המטען בו. מכיוון שכל שאר הטרנזיסטורים מובטחים פתוחים, נוכחות המתח על קו הסיביות תלויה רק ​​בטרנזיסטור אחד, שאליו מופעל מתח הקריאה.

המצאת זיכרון ה-NAND Flash מאפשרת לדחוס באופן משמעותי את המעגל, ולהציב יותר זיכרון באותו גודל. עד 2007, קיבולת הזיכרון הוגדלה על ידי צמצום תהליך הייצור של השבב.

בשנת 2007 הציגה טושיבה גרסה חדשה של זיכרון NAND: NAND אנכי (V-NAND), ידוע גם כ תלת מימד NAND. טכנולוגיה זו שמה דגש על הצבת טרנזיסטורים במספר שכבות, מה שמאפשר שוב מעגלים צפופים יותר והגדלת קיבולת הזיכרון. עם זאת, לא ניתן לחזור על דחיסה של מעגלים ללא הגבלת זמן, ולכן נבדקו שיטות אחרות להגדלת קיבולת האחסון.

בתחילה, כל טרנזיסטור אחסן שתי רמות טעינה: אפס לוגי ואחד לוגי. גישה זו נקראת תא חד-רמה (SLC). כוננים עם טכנולוגיה זו אמינים ביותר ויש להם מספר מרבי של מחזורי שכתוב.

עם הזמן הוחלט להגדיל את נפח האחסון על חשבון עמידות בפני שחיקה. אז מספר רמות הטעינה בתא הוא עד ארבע, והטכנולוגיה נקראה תא רב רמות (MLC). הבא הגיע תא משולש (TLC) и Cell Quad-Level Cell (QLC). תהיה רמה חדשה בעתיד - תא ברמת פנטה (PLC) עם חמישה ביטים לתא. ככל שיותר ביטים מתאימים לתא אחד, קיבולת האחסון גדולה יותר באותה עלות, אך התנגדות הבלאי קטנה יותר.

דחיסה של המעגל על ​​ידי הפחתת התהליך הטכני והגדלת מספר הביטים בטרנזיסטור אחד משפיעה לרעה על הנתונים המאוחסנים. למרות העובדה ש-EPROM ו-EEPROM משתמשים באותם טרנזיסטורים, EPROM ו-EEPROM יכולים לאחסן נתונים ללא חשמל במשך עשר שנים, בעוד שזיכרון פלאש מודרני יכול "לשכוח" הכל לאחר שנה.

השימוש בזיכרון פלאש בתעשיית החלל קשה מכיוון שלקרינה יש השפעה מזיקה על האלקטרונים בשערים הצפים.

בעיות אלו מונעות מזיכרון פלאש להפוך למובילה הבלתי מעורערת בתחום אחסון המידע. למרות העובדה שכוננים המבוססים על זיכרון פלאש הם נפוצים, מתבצע מחקר על סוגי זיכרון אחרים שאין להם את החסרונות הללו, כולל אחסון מידע במומנטים מגנטיים ובמצבי פאזה.

זיכרון מגנטוריסטי

קידוד מידע עם רגעים מגנטיים הופיע בשנת 1955 בצורה של זיכרון על ליבות מגנטיות. עד אמצע שנות ה-1970, זיכרון פריט היה סוג הזיכרון העיקרי. קריאה קצת מזיכרון מסוג זה הובילה לדה-מגנטיזציה של הטבעת ולאובדן מידע. לכן, לאחר שקראתי קצת, היה צריך לכתוב את זה בחזרה.

בפיתוחים מודרניים של זיכרון מגנטוריסטי, במקום טבעות, משתמשים בשתי שכבות של פרומגנט, מופרדות על ידי דיאלקטרי. שכבה אחת היא מגנט קבוע, והשנייה משנה את כיוון המגנטיזציה. קריאה קצת מתא כזה מסתכמת במדידת ההתנגדות בעת העברת זרם: אם השכבות ממוגנטות לכיוונים מנוגדים, אז ההתנגדות גדולה יותר וזה שווה ערך לערך "1".

זיכרון פריט אינו דורש מקור כוח קבוע כדי לשמור על המידע המוקלט, עם זאת, השדה המגנטי של התא יכול להשפיע על "השכן", מה שמטיל מגבלה על דחיסת המעגל.

על פי JEDEC כונני SSD המבוססים על זיכרון פלאש ללא חשמל חייבים לשמור מידע למשך שלושה חודשים לפחות בטמפרטורת סביבה של 40 מעלות צלזיוס. עוצב על ידי אינטל שבב מבוסס על זיכרון מגנוטוריסטי מבטיח לאחסן נתונים במשך עשר שנים ב-200 מעלות צלזיוס.

למרות מורכבות הפיתוח, הזיכרון המגנוטוריסטי אינו מתכלה במהלך השימוש ובעל הביצועים הטובים ביותר מבין סוגי הזיכרון האחרים, אשר אינו מאפשר כתיבת זיכרון מסוג זה.

זיכרון שינוי פאזה

הסוג השלישי המבטיח של זיכרון הוא זיכרון המבוסס על שינוי פאזה. סוג זה של זיכרון משתמש במאפיינים של כלקוגנידים כדי לעבור בין מצב גבישי לאמורפי בעת חימום.

כלקוגנידים - תרכובות בינאריות של מתכות עם הקבוצה ה-16 (הקבוצה השישית של תת-הקבוצה הראשית) של הטבלה המחזורית. לדוגמה, תקליטורי CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM ותקליטורי Blu-ray משתמשים ב-Germanium Telluride (GeTe) ובאנטימון(III) Telluride (Sb6Te2).

מחקר על השימוש במעבר פאזה לאחסון מידע בוצע ב שנות ה-1960 שנה על ידי סטנפורד אובשינסקי, אבל אז זה לא הגיע ליישום מסחרי. בשנות ה-2000 התחדשה העניין בטכנולוגיה, סמסונג רשמה פטנט על טכנולוגיה המאפשרת החלפת סיביות ב-5 ns, ואינטל ו-STMicroelectronics הגדילו את מספר המצבים לארבע, ובכך הכפילו את הקיבולת האפשרית.

כאשר מחומם מעל נקודת ההיתוך, הכלקוגניד מאבד את המבנה הגבישי שלו ועם התקררות הופך לצורה אמורפית המאופיינת בהתנגדות חשמלית גבוהה. בתורו, כאשר מחומם לטמפרטורה מעל נקודת ההתגבשות, אך מתחת לנקודת ההיתוך, הכלקוגניד חוזר למצב גבישי עם רמת התנגדות נמוכה.

זיכרון שינוי פאזה אינו דורש "טעינה" לאורך זמן, וגם אינו רגיש לקרינה, בניגוד לזיכרון טעון חשמלי. סוג זה של זיכרון יכול לשמור מידע במשך 300 שנה בטמפרטורה של 85 מעלות צלזיוס.

הוא האמין כי הפיתוח של טכנולוגיית אינטל 3D Crosspoint (3D XPoint) הוא משתמש במעברי פאזה לאחסון מידע. 3D XPoint משמש בכונני זיכרון Intel® Optane™, שלטענתם יש להם סיבולת גבוהה יותר.

מסקנה

העיצוב הפיזי של כונני מצב מוצק עבר שינויים רבים במהלך יותר מחצי מאה של היסטוריה, עם זאת, לכל אחד מהפתרונות יש את החסרונות שלו. למרות הפופולריות הבלתי ניתנת להכחשה של זיכרון פלאש, כמה חברות, כולל סמסונג ואינטל, בוחנות את האפשרות ליצור זיכרון המבוסס על רגעים מגנטיים.

הפחתת בלאי התא, דחיסה והגדלת הקיבולת הכוללת של הכונן הם תחומים שמבטיחים כיום להמשך פיתוח של כוננים מוצקים.

אתה יכול לבדוק את כונני ה-NAND וה-3D XPoint המגניבים ביותר של היום כבר עכשיו אצלנו בחר LAB.

האם אתה חושב שטכנולוגיות לאחסון מידע על מטענים חשמליים יוחלפו באחרות, למשל דיסקות קוורץ או זיכרון אופטי על ננו-גבישי מלח?

מקור: www.habr.com