SSDの紹介。 パート 4. 物理的

「SSD の概要」シリーズの前の部分では、SSD ドライブの出現の歴史、SSD と対話するためのインターフェイス、および一般的なフォーム ファクターについて説明しました。 XNUMX 番目のパートでは、ドライブ内のデータの保存について説明します。

このシリーズの以前の記事:

1. HDDとSSDの誕生の歴史
2. ストレージインターフェースの登場
3. フォームファクターの特徴

ソリッド ステート ドライブのデータ ストレージは、単一セルへの情報の保存とセル ストレージの編成という XNUMX つの論理部分に分割できます。

ソリッド ステート ドライブの各セルには、 XNUMX つ以上の情報。 情報を保存するにはさまざまな種類の情報が使用されます。 物理的プロセス。 ソリッド ステート ドライブを開発する場合、情報のエンコードに関して次の物理量が考慮されました。

• 電気料金 (フラッシュメモリを含む);
• 磁気モーメント (磁気抵抗メモリ);
• 相状態 （位相状態の変化を伴う記憶）。

電荷に基づく記憶

負の電荷を使用して情報をエンコードすることは、いくつかの解決策の基礎となります。

• 紫外線消去可能な ROM (EPROM)。
• 電気的に消去可能なROM (EEPROM);
• フラッシュメモリー。

それぞれのメモリセルは、 フローティングゲートMOSFET、マイナスの電荷を蓄えます。 従来の MOS トランジスタとの違いは、誘電体層内の導体であるフローティング ゲートの存在です。

ドレインとソースの間に電位差が生じ、ゲートが正の電位になると、ソースからドレインに電流が流れます。 ただし、十分に大きな電位差がある場合、一部の電子は誘電体層を「突き抜け」、フローティング ゲートに到達します。 この現象はと呼ばれます トンネル効果.

負に帯電したフローティング ゲートは電界を生成し、電流がソースからドレインに流れるのを防ぎます。 さらに、フローティング ゲート内の電子の存在により、トランジスタがオンになるしきい値電圧が増加します。 トランジスタのフローティング ゲートに「書き込み」を行うたびに、誘電体層はわずかに損傷し、各セルの再書き込みサイクル数に制限が課せられます。

フローティング ゲート MOSFET は、1967 年にベル研究所の Dawon Kahng と Simon Min Sze によって開発されました。 その後、集積回路の欠陥を研究しているときに、フローティング ゲートの電荷により、トランジスタを開くしきい値電圧が変化することがわかりました。 この発見により、Dov Frohman はこの現象に基づいて記憶の研究を開始しました。

しきい値電圧を変更すると、トランジスタを「プログラム」できます。フローティング ゲート トランジスタは、ゲート電圧が電子のないトランジスタのしきい値電圧よりも高く、電子のあるトランジスタのしきい値電圧よりも低い場合にはオンになりません。この値を値と呼びましょう 電圧の読み取り.

消去可能でプログラム可能な読み取り専用メモリ

1971 年、Intel 従業員の Dov Frohman は、と呼ばれるトランジスタベースの書き換え可能なメモリを作成しました。 消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ (EPROM)。 メモリへの記録は、特別な装置であるプログラマーを使用して実行されました。 プログラマは、デジタル回路で使用される電圧よりも高い電圧をチップに印加し、それによって必要に応じてトランジスタのフローティング ゲートに電子を「書き込み」ます。

EPROM メモリは、トランジスタのフローティング ゲートを電気的にクリーニングすることを目的としていませんでした。 代わりに、トランジスタを強い紫外光にさらすことが提案され、その光子が電子にフローティングゲートから逃れるのに必要なエネルギーを与えることになる。 紫外線がチップの奥まで浸透できるようにするために、ハウジングに石英ガラスが追加されました。

フロマン氏は、1971 年 XNUMX 月にフィラデルフィアで開催されたソリッドステート IC カンファレンスで EPROM プロトタイプを初めて発表しました。 ゴードン・ムーアはこのデモンストレーションを次のように回想しています。「Dov は EPROM メモリ セルのビット パターンをデモンストレーションしました。 セルが紫外線にさらされると、見慣れないインテルのロゴが完全に消えるまでビットが XNUMX つずつ消えていきました。 …ビートが消え、最後のビートが消えると、聴衆全体から拍手が湧き起こりました。 Dov の記事はカンファレンスで最も優れた記事として認められました。」 — 記事の翻訳 newsroom.intel.com

EPROM メモリは、以前に使用されていた「使い捨て」読み取り専用メモリ (ROM) デバイスよりも高価ですが、再プログラムできる機能により、回路をより迅速にデバッグでき、新しいハードウェアの開発にかかる時間を短縮できます。

紫外線による ROM の再プログラムは大きな進歩でしたが、電気的に書き換えるというアイデアはすでに存在していました。

電気的に消去可能でプログラム可能な読み取り専用メモリ

1972 年、樽井康夫、林豊、永井清子の 2 人の日本人が、最初の電気的に消去可能な読み取り専用メモリ (EEPROM または EXNUMXPROM) を発表しました。 その後、彼らの科学研究は、EEPROM メモリの商用実装に関する特許の一部となる予定です。

各 EEPROM メモリ セルは、いくつかのトランジスタで構成されます。

• ビット記憶用のフローティングゲートトランジスタ。
• 読み書きモードを制御するためのトランジスタ。

この設計では電気回路の配線が非常に複雑になるため、少量のメモリが重要ではない場合には EEPROM メモリが使用されました。 EPROM は依然として大量のデータを保存するために使用されていました。

フラッシュメモリー

EPROM と EEPROM の優れた機能を組み合わせたフラッシュ メモリは、1980 年に東芝のエンジニアである日本の増岡富士夫教授によって開発されました。 最初の開発は NOR フラッシュ メモリと呼ばれ、以前のものと同様にフローティング ゲート MOSFET に基づいています。

NOR フラッシュ メモリは、トランジスタの XNUMX 次元アレイです。 トランジスタのゲートはワード線に接続され、ドレインはビット線に接続されます。 ワード線に電圧が印加されると、電子を含むトランジスタ、つまり「XNUMX」を記憶するトランジスタは開かず、電流が流れなくなります。 ビットライン上の電流の有無に基づいて、ビットの値に関する結論が導き出されます。

XNUMX年後、増岡富士夫氏がNAND型フラッシュメモリを開発した。 このタイプのメモリは、ビットライン上のトランジスタの数が異なります。 NOR メモリでは、各トランジスタはビット ラインに直接接続されますが、NAND メモリでは、トランジスタは直列に接続されます。

この構成のメモリからの読み取りはさらに困難です。読み取りに必要な電圧がワードの必要なラインに印加され、電圧がワードの他のすべてのラインに印加されるため、電荷レベルに関係なくトランジスタが開きます。 他のすべてのトランジスタは開いていることが保証されているため、ビットライン上の電圧の存在は、読み出し電圧が印加される XNUMX つのトランジスタにのみ依存します。

NAND フラッシュ メモリの発明により、回路を大幅に圧縮し、同じサイズにより多くのメモリを配置できるようになりました。 2007 年までは、チップの製造プロセスを削減することでメモリ容量を増加していました。

2007 年、東芝は新しいバージョンの NAND メモリを導入しました。 垂直 NAND (V-NAND)、 としても知られている 3D NAND。 この技術では、トランジスタを複数の層に配置することに重点が置かれており、これにより回路の高密度化とメモリ容量の増加が可能になります。 ただし、回路の圧縮を無限に繰り返すことはできないため、記憶容量を増やすために他の方法が検討されています。

当初、各トランジスタは論理 XNUMX と論理 XNUMX の XNUMX つの電荷レベルを保存しました。 このアプローチはと呼ばれます シングルレベルセル (SLC)。 このテクノロジーを搭載したドライブは信頼性が高く、最大数の再書き込みサイクルを備えています。

時間が経つにつれて、耐摩耗性を犠牲にして記憶容量を増やすことが決定されました。 したがって、セル内の充電レベルの数は最大XNUMXであり、この技術は次のように呼ばれました。 マルチレベルセル (MLC)。 次に来たのは トリプルレベルセル (TLC) и クアッドレベルセル (QLC)。 将来的には新しいレベルが登場します - ペンタレベルセル (PLC) セルあたり XNUMX ビットです。 XNUMX つのセルに収まるビットの数が増えるほど、同じコストで記憶容量は大きくなりますが、耐摩耗性は低くなります。

技術プロセスを削減し、XNUMX つのトランジスタのビット数を増やすことで回路をコンパクト化すると、保存されたデータに悪影響が生じます。 EPROM と EEPROM は同じトランジスタを使用しているにもかかわらず、EPROM と EEPROM は電源なしで XNUMX 年間データを保存できますが、最新のフラッシュ メモリは XNUMX 年後にはすべてを「忘れる」可能性があります。

放射線はフローティングゲート内の電子に悪影響を与えるため、宇宙産業でフラッシュメモリを使用することは困難です。

これらの問題により、フラッシュ メモリが情報ストレージの分野で議論の余地のないリーダーになることが妨げられています。 フラッシュ メモリに基づくドライブが普及しているという事実にもかかわらず、磁気モーメントや位相状態で情報を保存するなど、これらの欠点を持たない他のタイプのメモリの研究が進行中です。

磁気抵抗メモリ

磁気モーメントによる情報のエンコードは、磁気コア上のメモリの形で 1955 年に登場しました。 1970 年代半ばまでは、フェライト メモリがメモリの主流でした。 このタイプのメモリからビットを読み取ると、リングが消磁され、情報が失われます。 したがって、少し読んだ後、書き戻す必要がありました。

磁気抵抗メモリの最新の開発では、リングの代わりに、誘電体で分離された 1 つの強磁性体の層が使用されます。 XNUMX つの層は永久磁石で、XNUMX 番目の層は磁化の方向を変更します。 このようなセルからビットを読み取るには、電流を流すときの抵抗を測定する必要があります。層が反対方向に磁化されている場合、抵抗は大きくなり、これは値「XNUMX」に相当します。

フェライト メモリは、記録された情報を維持するために一定の電源を必要としませんが、セルの磁場が「隣接セル」に影響を与える可能性があるため、回路のコンパクト化に制限が課せられます。

による JEDEC 電力が供給されていないフラッシュ メモリをベースとする SSD ドライブは、周囲温度 40°C で少なくとも XNUMX か月間情報を保持する必要があります。 インテルによる設計 磁気抵抗メモリをベースにしたチップ 200℃でXNUMX年間データを保存することを約束します。

開発の複雑さにも関わらず、磁気抵抗メモリは使用中に劣化せず、他のタイプのメモリの中で最高のパフォーマンスを備えているため、このタイプのメモリは消去できません。

相変化メモリ

XNUMX 番目に有望なタイプのメモリは、相変化に基づくメモリです。 このタイプのメモリは、カルコゲニドの特性を利用して、加熱すると結晶状態とアモルファス状態が切り替わります。

カルコゲニド — 周期表の第 16 族（主要亜族の第 6 族）の金属の二元化合物。 たとえば、CD-RW、DVD-RW、DVD-RAM、および Blu-ray ディスクは、テルル化ゲルマニウム (GeTe) およびテルル化アンチモン(III) (Sb2Te3) を使用します。

相転移を情報記憶に利用する研究は、 1960年代 スタンフォード・オブシンスキーによって2000年に発表されましたが、その後商業化には至りませんでした。 5 年代には、この技術に対する関心が再び高まり、Samsung は XNUMX ns でビット切り替えを可能にする技術の特許を取得し、Intel と STMicroelectronics は状態の数を XNUMX に増やし、それによって可能な容量を XNUMX 倍にしました。

融点以上に加熱すると、カルコゲナイドは結晶構造を失い、冷却すると、高い電気抵抗を特徴とするアモルファス形態に変わります。 次に、結晶化点よりも高く、融点よりも低い温度に加熱すると、カルコゲニドは低抵抗レベルの結晶状態に戻ります。

相変化メモリは、時間をかけて「再充電」する必要がなく、また、電荷を帯びたメモリとは異なり、放射線の影響を受けません。 このタイプのメモリは、300°C の温度で 85 年間情報を保持できます。

インテルのテクノロジーが発展したと考えられています。 3Dクロスポイント（3D XPoint） 相転移を使用して情報を保存します。 3D XPoint は、耐久性が高いと言われているインテル® Optane™ メモリー ドライブで使用されています。

まとめ

ソリッド ステート ドライブの物理設計は、半世紀以上の歴史の中で多くの変更を受けてきましたが、それぞれのソリューションには欠点があります。 フラッシュ メモリの人気は否定できないものの、サムスンやインテルを含むいくつかの企業は、磁気モーメントに基づいてメモリを作成する可能性を模索しています。

セルの磨耗を減らし、セルをコンパクトにし、ドライブの全体的な容量を増やすことは、現在、ソリッドステートドライブのさらなる開発に有望な分野です。

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電荷に関する情報を保存する技術は、石英ディスクや塩ナノ結晶上の光メモリなど、他の技術に取って代わられると思いますか?

出所： habr.com