🥇SSD 소개. 4부. 물리적

"SSD 소개" 시리즈의 이전 부분에서는 독자들에게 SSD 드라이브 출현의 역사, SSD 드라이브와 상호 작용하기 위한 인터페이스 및 널리 사용되는 폼 팩터에 대해 설명했습니다. 네 번째 부분에서는 드라이브 내부에 데이터를 저장하는 방법에 대해 설명합니다.

시리즈의 이전 기사에서:

솔리드 스테이트 드라이브의 데이터 스토리지는 단일 셀에 정보를 저장하는 부분과 셀 스토리지를 구성하는 두 가지 논리적 부분으로 나눌 수 있습니다.

솔리드 스테이트 드라이브의 각 셀에는 다음과 같은 정보가 저장됩니다. 하나 이상의 정보. 정보를 저장하기 위해 다양한 유형의 정보가 사용됩니다. 물리적 과정. 솔리드 스테이트 드라이브를 개발할 때 정보 인코딩을 위해 다음과 같은 물리량이 고려되었습니다.

전기 요금 (플래시 메모리 포함)
자기 모멘트 (자기 저항 메모리);
위상 상태 (위상 상태가 변경된 메모리)

전하를 기반으로 한 메모리

음전하를 사용한 정보 인코딩은 여러 솔루션의 기초가 됩니다.

자외선 소거 가능 ROM(EPROM);
전기적으로 지울 수 있는 ROM(EEPROM);
플래시 메모리.

각 메모리 셀은 플로팅 게이트 MOSFET, 음전하를 저장합니다. 기존 MOS 트랜지스터와의 차이점은 유전층의 도체인 플로팅 게이트가 있다는 것입니다.

드레인과 소스 사이에 전위차가 생성되고 게이트에 양의 전위가 있으면 소스에서 드레인으로 전류가 흐릅니다. 그러나 전위차가 충분히 크면 일부 전자가 유전체 층을 "돌파"하여 플로팅 게이트에 도달하게 됩니다. 이 현상을 터널 효과.

음전하를 띤 플로팅 게이트는 전류가 소스에서 드레인으로 흐르는 것을 방지하는 전기장을 생성합니다. 더욱이, 플로팅 게이트에 전자가 존재하면 트랜지스터가 켜지는 문턱 전압이 증가합니다. 트랜지스터의 플로팅 게이트에 "쓰기"를 할 때마다 유전층이 약간 손상되어 각 셀의 다시 쓰기 주기 수가 제한됩니다.

플로팅 게이트 MOSFET은 1967년 Bell Labs의 Dawon Kahng과 Simon Min Sze에 의해 개발되었습니다. 나중에 집적 회로의 결함을 연구할 때 플로팅 게이트의 전하로 인해 트랜지스터를 여는 임계 전압이 변경된다는 사실이 발견되었습니다. 이 발견으로 인해 Dov Frohman은 이 현상을 기반으로 한 기억 연구를 시작했습니다.

임계 전압을 변경하면 트랜지스터를 "프로그래밍"할 수 있습니다. 플로팅 게이트 트랜지스터는 게이트 전압이 전자가 없는 트랜지스터의 임계 전압보다 높지만 전자가 있는 트랜지스터의 임계 전압보다 낮을 때 켜지지 않습니다. 이 값을 호출해보자 판독 전압.

지울 수 있는 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리

1971년 Intel 직원 Dov Frohman은 트랜지스터 기반의 재기록 가능한 메모리를 만들었습니다. 지울 수 있는 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리(EPROM). 메모리에 기록하는 작업은 프로그래머라는 특수 장치를 사용하여 수행되었습니다. 프로그래머는 디지털 회로에 사용되는 것보다 더 높은 전압을 칩에 적용하여 필요한 경우 트랜지스터의 플로팅 게이트에 전자를 "씁니다".

EPROM 메모리는 트랜지스터의 플로팅 게이트를 전기적으로 청소하기 위한 것이 아닙니다. 대신, 트랜지스터를 강한 자외선에 노출시키는 것이 제안되었으며, 그 광자는 전자가 플로팅 게이트를 탈출하는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 자외선이 칩 깊숙히 침투할 수 있도록 석영 유리를 하우징에 추가했습니다.

Froman은 1971년 XNUMX월 필라델피아에서 열린 솔리드 스테이트 IC 컨퍼런스에서 처음으로 EPROM 프로토타입을 선보였습니다. Gordon Moore는 시연을 이렇게 회상했습니다. “Dov는 EPROM 메모리 셀의 비트 패턴을 시연했습니다. 셀을 자외선에 노출시키면 낯선 인텔 로고가 완전히 지워질 때까지 비트가 하나씩 사라졌다. … 비트가 사라지고, 마지막 비트가 사라지자 청중 전체가 박수를 터뜨렸다. Dov의 기사는 컨퍼런스에서 최고로 인정받았습니다.” — 기사 번역 newsroom.intel.com

EPROM 메모리는 이전에 사용된 "일회용" 읽기 전용 메모리(ROM) 장치보다 비싸지만 재프로그래밍 기능을 통해 회로를 더 빠르게 디버그하고 새 하드웨어를 개발하는 데 걸리는 시간을 줄일 수 있습니다.

자외선으로 ROM을 재프로그래밍하는 것은 획기적인 발전이었지만 전기적 재작성에 대한 아이디어는 이미 널리 퍼져 있었습니다.

전기적으로 지울 수 있는 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리

1972년에 세 명의 일본인, 타루이 야스오, 하야시 유타카, 나가이 기요코가 최초의 전기적으로 지울 수 있는 읽기 전용 메모리(EEPROM 또는 E2PROM)를 출시했습니다. 나중에 그들의 과학적 연구는 EEPROM 메모리의 상업적 구현에 대한 특허의 일부가 될 것입니다.

각 EEPROM 메모리 셀은 여러 개의 트랜지스터로 구성됩니다.

비트 저장을 위한 플로팅 게이트 트랜지스터;
읽기-쓰기 모드를 제어하는 트랜지스터.

이 설계는 전기 회로의 배선을 크게 복잡하게 하므로 적은 양의 메모리가 중요하지 않은 경우에는 EEPROM 메모리가 사용되었습니다. EPROM은 여전히 많은 양의 데이터를 저장하는 데 사용되었습니다.

플래시 메모리

EPROM과 EEPROM의 장점을 결합한 플래시 메모리는 1980년 일본 도시바 엔지니어인 마스오카 후지오 교수가 개발했다. 첫 번째 개발은 NOR 플래시 메모리라고 하며 이전 제품과 마찬가지로 플로팅 게이트 MOSFET을 기반으로 합니다.

NOR 플래시 메모리는 트랜지스터의 XNUMX차원 배열입니다. 트랜지스터의 게이트는 워드라인에 연결되고, 드레인은 비트라인에 연결된다. 워드라인에 전압이 인가되면 전자를 담고 있는 트랜지스터, 즉 'XNUMX'을 저장하는 트랜지스터가 열리지 않고 전류가 흐르지 않게 된다. 비트라인의 전류 유무에 따라 비트 값에 대한 결론이 도출됩니다.

XNUMX년 후, 마스오카 후지오(Fujio Masuoka)가 NAND 플래시 메모리를 개발했습니다. 이러한 유형의 메모리는 비트 라인의 트랜지스터 수에 따라 다릅니다. NOR 메모리에서는 각 트랜지스터가 비트라인에 직접 연결되는 반면, NAND 메모리에서는 트랜지스터가 직렬로 연결됩니다.

이 구성의 메모리에서 읽는 것은 더 어렵습니다. 읽기에 필요한 전압은 워드의 필요한 라인에 적용되고, 전압은 워드의 다른 모든 라인에 적용되어 전하 수준에 관계없이 트랜지스터를 엽니다. 다른 모든 트랜지스터는 개방이 보장되므로 비트 라인의 전압 존재는 읽기 전압이 적용되는 하나의 트랜지스터에만 의존합니다.

NAND 플래시 메모리의 발명으로 회로를 대폭 압축하여 동일한 크기에 더 많은 메모리를 배치할 수 있게 되었습니다. 2007년까지는 칩 제조 공정을 줄여 메모리 용량을 늘렸다.

2007년 Toshiba는 새로운 버전의 NAND 메모리를 출시했습니다. 수직형 NAND(V-NAND), 또한 ~으로 알려진 3D NAND. 이 기술은 트랜지스터를 여러 레이어에 배치하는 데 중점을 두어 회로 밀도를 높이고 메모리 용량을 늘릴 수 있습니다. 그러나 회로 압축은 무한정 반복될 수 없으므로 저장 용량을 늘리기 위해 다른 방법이 모색되었습니다.

처음에 각 트랜지스터는 논리 XNUMX과 논리 XNUMX이라는 두 가지 충전 수준을 저장했습니다. 이 접근 방식을 단일 레벨 셀(SLC). 이 기술이 적용된 드라이브는 신뢰성이 높으며 최대 재작성 주기 횟수를 갖습니다.

시간이 지나면서 내마모성을 희생하면서 저장 용량을 늘리기로 결정했습니다. 그래서 한 셀의 전하 수준 수는 최대 XNUMX개이며, 이 기술은 다단계 셀(MLC). 다음은 왔어요 삼중 레벨 셀(TLC) и 쿼드 레벨 셀(QLC). 미래에는 새로운 차원이 있을 것입니다. 펜타 레벨 셀(PLC) 셀당 XNUMX비트입니다. 하나의 셀에 더 많은 비트가 들어갈수록 동일한 비용으로 저장 용량은 커지지만 내마모성은 낮아집니다.

기술적 프로세스를 줄이고 하나의 트랜지스터의 비트 수를 늘려 회로를 압축하면 저장된 데이터에 부정적인 영향을 미칩니다. EPROM과 EEPROM이 동일한 트랜지스터를 사용한다는 사실에도 불구하고 EPROM과 EEPROM은 전원 없이 XNUMX년 동안 데이터를 저장할 수 있는 반면, 최신 플래시 메모리는 XNUMX년 후에 모든 것을 "잊어버릴" 수 있습니다.

방사선은 플로팅 게이트의 전자에 해로운 영향을 미치기 때문에 우주 산업에서 플래시 메모리를 사용하는 것은 어렵습니다.

이러한 문제는 플래시 메모리가 정보 저장 분야에서 확실한 리더가 되는 것을 방해합니다. 플래시 메모리 기반 드라이브가 널리 보급되어 있음에도 불구하고 자기 모멘트 및 위상 상태에 정보를 저장하는 등 이러한 단점이 없는 다른 유형의 메모리에 대한 연구가 진행 중입니다.

자기저항 메모리

자기 모멘트를 이용한 인코딩 정보는 1955년 자기 코어의 메모리 형태로 나타났습니다. 1970년대 중반까지는 페라이트 메모리가 주요 메모리 종류였다. 이러한 유형의 메모리에서 비트를 읽으면 링의 자기가 사라지고 정보가 손실됩니다. 따라서 조금 읽은 후에 다시 작성해야 했습니다.

자기 저항 메모리의 현대 개발에서는 링 대신 유전체로 분리된 두 개의 강자성체 층이 사용됩니다. 한 층은 영구 자석이고 두 번째 층은 자화 방향을 변경합니다. 이러한 셀에서 비트를 읽는 것은 전류를 흘릴 때 저항을 측정하는 것입니다. 층이 반대 방향으로 자화되면 저항이 더 커지고 이는 "1"값과 같습니다.

페라이트 메모리는 기록된 정보를 유지하기 위해 일정한 전원이 필요하지 않지만 셀의 자기장이 "이웃"에 영향을 미칠 수 있어 회로 압축에 제한이 가해집니다.

에 따르면 제덱 전원이 공급되지 않는 플래시 메모리 기반 SSD 드라이브는 주변 온도 40°C에서 최소 XNUMX개월 동안 정보를 유지해야 합니다. 인텔이 설계한 자기 저항 메모리 기반 칩 200°C에서 XNUMX년 동안 데이터를 저장할 것을 약속합니다.

개발의 복잡성에도 불구하고 자기 저항 메모리는 사용 중에 성능이 저하되지 않으며 다른 유형의 메모리 중에서 성능이 가장 뛰어나므로 이러한 유형의 메모리를 쓸 수 없습니다.

상변화 메모리

세 번째로 유망한 메모리 유형은 상변화 기반 메모리입니다. 이 유형의 메모리는 칼코게나이드의 특성을 사용하여 가열 시 결정 상태와 비정질 상태 사이를 전환합니다.

칼코게나이드 — 주기율표의 16번째 그룹(주 하위 그룹의 6번째 그룹)에 속하는 금속의 이원 화합물. 예를 들어, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM 및 Blu-ray 디스크는 게르마늄 텔루라이드(GeTe) 및 안티몬(III) 텔루라이드(Sb2Te3)를 사용합니다.

정보 저장을 위한 상전이 활용에 대한 연구가 1960년대 Stanford Ovshinsky가 개발했지만 상업적으로 구현되지는 않았습니다. 2000년대 들어 이 기술에 대한 관심이 다시 높아졌고, 삼성은 5ns의 비트 스위칭이 가능한 기술을 특허로 출원했고, 인텔과 ST마이크로일렉트로닉스는 상태 수를 XNUMX개로 늘려 용량을 두 배로 늘렸다.

융점 이상으로 가열하면 칼코게나이드는 결정 구조를 잃고 냉각되면 높은 전기 저항을 특징으로 하는 비정질 형태로 변합니다. 결과적으로, 결정화점보다 높지만 녹는점보다 낮은 온도로 가열되면 칼코겐화물은 저항이 낮은 결정 상태로 돌아갑니다.

상변화 메모리는 시간이 지나도 "재충전"이 필요하지 않으며, 전기적으로 충전된 메모리와는 달리 방사선에도 취약하지 않습니다. 이러한 유형의 메모리는 300°C 온도에서 85년 동안 정보를 유지할 수 있습니다.

인텔 기술의 발전이라고 생각됩니다. 3D 크로스포인트(3D XPoint) 정보를 저장하기 위해 위상 전환을 사용합니다. 3D XPoint는 내구성이 더 뛰어나다고 주장되는 Intel® Optane™ 메모리 드라이브에 사용됩니다.

결론

솔리드 스테이트 드라이브의 물리적 설계는 반세기가 넘는 역사 동안 많은 변화를 겪었지만 각 솔루션에는 단점이 있습니다. 플래시 메모리의 인기에도 불구하고 삼성과 인텔을 포함한 여러 회사에서는 자기 모멘트를 기반으로 한 메모리 생성 가능성을 모색하고 있습니다.

셀 마모를 줄이고, 압축하고, 드라이브의 전체 용량을 늘리는 것은 현재 솔리드 스테이트 드라이브의 추가 개발에 유망한 영역입니다.

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전하 정보를 저장하는 기술이 석영 디스크나 염나노결정의 광학 메모리 등 다른 기술로 대체될 것이라고 생각하시나요?

출처 : habr.com

SSD 소개. 4부. 물리적