"SSDге киришүү" сериясынын мурунку бөлүктөрү окурманга SSD дисктеринин пайда болуу тарыхы, алар менен иштешүү үчүн интерфейстер жана популярдуу форма факторлору жөнүндө айтып берди. Төртүнчү бөлүмдө дисктердин ичиндеги маалыматтарды сактоо жөнүндө сөз болот.
Сериянын мурунку макалаларында:
Катуу абалдагы дисктерде маалыматтарды сактоону эки логикалык бөлүккө бөлүүгө болот: маалыматты бир клеткада сактоо жана клетканын сакталышын уюштуруу.
Катуу абалдагы дисктин ар бир клеткасы сактайт бир же бир нече бит маалымат. Маалыматты сактоо үчүн маалыматтын ар кандай түрлөрү колдонулат. физикалык процесстер. Катуу абалдагы дисктерди иштеп чыгууда маалыматты коддоо үчүн төмөнкү физикалык чоңдуктар эске алынган:
- электр заряддары (анын ичинде Flash эстутум);
- магниттик моменттери (магниторезистивдүү эс тутум);
- фаза мамлекеттери (фаза абалынын өзгөрүшү менен эс).
Эстутум электрдик заряддарга негизделген
Терс зарядды колдонуу менен маалыматты коддоо бир нече чечимдерди камтыйт:
- ультрафиолет өчүрүлүүчү ROM (EPROM);
- электр менен өчүрүлүүчү ROM (EEPROM);
- Флеш эс.
Ар бир эс тутум клеткасы калкыма дарбаза MOSFETтерс зарядды сактайт. Анын кадимки MOS транзисторунан айырмасы сүзүүчү дарбазанын - диэлектрдик катмардагы өткөргүчтүн болушунда.
Дренаж менен булактын ортосунда потенциалдуу айырма пайда болгондо жана дарбазада оң потенциал болгондо, ток булактан дренажга өтөт. Бирок, жетишерлик чоң потенциалдар айырмасы бар болсо, кээ бир электрондор диэлектрдик катмарды «жарып» өтүп, сүзүүчү дарбазага келип токтошот. Бул көрүнүш деп аталат .
Терс заряддуу калкыма дарбаза токтун булактан дренажга өтүшүнө жол бербеген электр талаасын түзөт. Мындан тышкары, калкып жүрүүчү дарбазада электрондордун болушу транзистор күйгүзүлгөн босого чыңалууну жогорулатат. Транзистордун калкып жүрүүчү дарбазасына ар бир "жазуу" менен диэлектрдик катмар бир аз бузулат, бул ар бир клетканын кайра жазуу циклдеринин санына чектөө киргизет.
Калкыма дарбаза MOSFETтер 1967-жылы Белл лабораториясында Давон Кан жана Саймон Мин Сзе тарабынан иштелип чыккан. Кийинчерээк интегралдык микросхемалардын дефекттерин изилдөөдө калкыма дарбазадагы заряддан улам транзисторду ачуучу босого чыңалуу өзгөргөндүгү байкалган. Бул ачылыш Дов Фрохманды ушул кубулуштун негизинде эс тутумдун үстүндө иштөөгө түрттү.
Босого чыңалууну өзгөртүү транзисторлорду "программалоого" мүмкүндүк берет. Калкыма дарбазалуу транзисторлор дарбазанын чыңалуусу электрондору жок транзистор үчүн босого чыңалуудан чоң, бирок электрондору бар транзистор үчүн босого чыңалуудан аз болгондо күйбөйт. Келгиле, бул баалуулук деп атайлы окуу чыңалуу.
Өчүрүлүүчү программалануучу окуу үчүн гана эстутум
1971-жылы Intel кызматкери Дов Фрохман транзистордун негизинде кайра жазылуучу эстутум деп аталган. Өчүрүлүүчү программалануучу окуу үчүн гана эс тутум (EPROM). Эстутумга жазуу атайын түзүлүштүн - программисттин жардамы менен ишке ашырылган. Программист чипке санариптик схемаларда колдонулгандан жогору чыңалууну колдонот, ошону менен керек болгон жерде транзисторлордун калкып жүрүүчү дарбазаларына электрондорду "жазышат".
EPROM эс тутуму транзисторлордун калкып жүрүүчү дарбазаларын электрдик тазалоо үчүн арналган эмес. Анын ордуна транзисторлорду күчтүү ультра кызгылт көк нурга дуушар кылуу сунуш кылынган, анын фотондору электрондорго калкып жүрүүчү дарбазадан чыгуу үчүн зарыл болгон энергияны берет. Ультрафиолет нурлары чиптин ичине терең кирип кетиши үчүн корпуска кварц айнеги кошулган.
Фроман биринчи жолу EPROM прототибин 1971-жылы февраль айында Филадельфиядагы катуу абалдагы IC конференциясында көрсөткөн. Гордон Мур демонстрацияны мындайча эскерет: “Dov EPROM эс тутум клеткаларында бит үлгүсүн көрсөттү. Клеткалар ультрафиолет нуруна кабылганда, бейтааныш Intel логотиби толугу менен өчүрүлгөнгө чейин биттер биринин артынан бири жок болгон. ... Согуулар жок болуп, акыркысы жок болгондо, залдын баары кол чабуулар менен коштолду. Довдун макаласы конференцияда мыкты деп табылды». — Макаланын котормосу
EPROM эс тутуму мурда колдонулган "бир жолу колдонулуучу" окуу үчүн гана эс тутум (ROM) түзмөктөрүнө караганда кымбатыраак, бирок кайра программалоо мүмкүнчүлүгү схемаларды тезирээк оңдоого жана жаңы аппараттык каражаттарды иштеп чыгууга кеткен убакытты кыскартууга мүмкүндүк берет.
Ультрафиолет нурлары менен ROMлерди кайра программалоо олуттуу жетишкендик болгон, бирок электрдик кайра жазуу идеясы абада эле болгон.
Электрдик өчүрүлүүчү программалануучу окуу үчүн гана эстутум
1972-жылы үч жапондук: Ясуо Таруи, Ютака Хаяши жана Киёко Нагай биринчи электрдик өчүрүлүүчү окуу үчүн гана эс тутумун (EEPROM же E2PROM) киргизишкен. Кийинчерээк алардын илимий изилдөөлөрү EEPROM эс тутумун коммерциялык ишке ашыруу үчүн патенттердин бир бөлүгү болуп калат.
Ар бир EEPROM эс тутум клеткасы бир нече транзисторлордон турат:
- бит сактоо үчүн калкыма дарбаза транзистор;
- окуу-жазуу режимин башкаруу үчүн транзистор.
Бул дизайн электр чынжырынын зымдарын абдан татаалдаштырат, ошондуктан EEPROM эс тутуму аз өлчөмдөгү эстутум маанилүү болбогон учурларда колдонулган. EPROM дагы эле чоң көлөмдөгү маалыматтарды сактоо үчүн колдонулган.
Флеш эс
EPROM менен EEPROMдин эң мыкты өзгөчөлүктөрүн бириктирген флэш эстутум 1980-жылы Toshiba компаниясынын инженери япониялык профессор Фудзио Масуока тарабынан иштелип чыккан. Биринчи иштеп чыгуу NOR Flash эс тутуму деп аталды жана анын мурункулары сыяктуу эле, калкыма дарбаза MOSFETтерге негизделген.
NOR флеш эс - транзисторлордун эки өлчөмдүү массиви. Транзисторлордун дарбазалары сөз сызыгына, ал эми дренаждары бит линиясына кошулат. Сөз линиясына чыңалуу берилгенде, электрондорду камтыган транзисторлор, башкача айтканда, "бирди" сактоочу, ачылбайт жана ток өтпөйт. Бит сызыгында токтун бар же жок экендигине жараша биттин мааниси жөнүндө корутунду чыгарылат.
Жети жылдан кийин Фудзио Масуока NAND Flash эс тутумун иштеп чыкты. Эстин бул түрү бит линиясындагы транзисторлордун саны менен айырмаланат. NOR эс тутумунда ар бир транзистор бит линиясына түздөн-түз туташкан, ал эми NAND эс тутумунда транзисторлор катар менен туташкан.
Бул конфигурацияны эс тутумдан окуу кыйыныраак: окуу үчүн зарыл болгон чыңалуу сөздүн керектүү сабына берилет, ал эми чыңалуу сөздүн бардык башка саптарына берилет, андагы заряддын деңгээлине карабастан транзисторду ачат. Бардык башка транзисторлор ачык болууга кепилдик берилгендиктен, бит линиясында чыңалуунун болушу бир гана транзистордон көз каранды, ага окулуучу чыңалуу колдонулат.
NAND Flash эстутумунун ойлоп табуусу схеманы олуттуу кысуу менен бир эле өлчөмдө көбүрөөк эстутумду жайгаштырууга мүмкүндүк берет. 2007-жылга чейин эс тутумдун кубаттуулугу чиптин өндүрүш процессин кыскартуу менен көбөйтүлгөн.
2007-жылы Toshiba NAND эс тутумунун жаңы версиясын сунуштады: Вертикалдуу NAND (V-NAND), ошондой эле белгилүү 3D NAND. Бул технология транзисторлорду бир нече катмарга жайгаштырууга басым жасайт, бул дагы тыгызыраак схемага жана эс тутумдун көлөмүн көбөйтүүгө мүмкүндүк берет. Бирок, схемаларды кыстоо чексиз кайталана албайт, ошондуктан сактоо сыйымдуулугун жогорулатуу үчүн башка ыкмалар изилденген.
Башында ар бир транзистор эки заряд деңгээлин сактаган: логикалык нөл жана логикалык. Бул ыкма деп аталат Бир деңгээлдүү клетка (SLC). Бул технология менен дисктер абдан ишенимдүү жана кайра жазуу циклдарынын максималдуу санына ээ.
Убакыттын өтүшү менен тозууга туруктуулуктун эсебинен сактоо сыйымдуулугун жогорулатуу чечими кабыл алынды. Ошентип, бир клеткадагы заряд деңгээлдердин саны төрткө чейин жетет жана технология деп аталды Көп деңгээлдүү клетка (MLC). Кийинки келди Үч деңгээлдүү клетка (TLC) и Төрт деңгээлдүү клетка (QLC). Келечекте жаңы деңгээл болот - Пента-деңгээлдүү клетка (PLC) ар бир клеткага беш бит менен. Канчалык көп бит бир уячага туура келсе, ошончолук чоңураак сактоо сыйымдуулугу бирдей баада, бирок ошончолук азыраак эскирүүгө туруштук берет.
Техникалык процессти кыскартуу жана бир транзистордогу биттердин санын көбөйтүү жолу менен схеманын тыгыздалышы сакталган маалыматтарга терс таасирин тийгизет. EPROM жана EEPROM бир эле транзисторлорду колдонгонуна карабастан, EPROM жана EEPROM он жыл бою энергиясыз маалыматтарды сактай алат, ал эми заманбап Flash эстутум бир жылдан кийин баарын "унутуп" алат.
Космос тармагында Flash эстутумду колдонуу кыйын, анткени нурлануу калкыма дарбазалардагы электрондорго терс таасирин тийгизет.
Бул көйгөйлөр Flash эстутум маалыматты сактоо тармагында талашсыз лидер болуп калууга жол бербейт. Флэш эстутумга негизделген дисктер кеңири таралганына карабастан, бул кемчиликтери жок эстин башка түрлөрүн, анын ичинде магниттик моменттерде жана фазалык абалдарда маалыматты сактоо боюнча изилдөөлөр жүрүп жатат.
Магниторезистивдүү эс тутум
Магниттик момент менен коддоо маалыматы 1955-жылы магниттик өзөктөрдөгү эс тутум түрүндө пайда болгон. 1970-жылдардын ортосуна чейин феррит эс тутумунун негизги түрү болгон. Эстутумдун бул түрүнөн бир аз окуу шакекченин магнитсиздигине жана маалыматтын жоголушуна алып келди. Ошентип, бир аз окугандан кийин кайра жазууга туура келди.
Магниторезисттивдик эстутумдун заманбап иштеп чыгууларында шакекчелердин ордуна диэлектрик менен бөлүнгөн ферромагнетиктин эки катмары колдонулат. Бир катмар туруктуу магнит, экинчиси магниттелүүнүн багытын өзгөртөт. Мындай уячадан бир аз окуу ток өткөндө каршылыкты өлчөө үчүн келип чыгат: эгерде катмарлар карама-каршы багытта магниттелсе, анда каршылык чоңураак жана бул "1" маанисине барабар.
Феррит эс тутуму жазылган маалыматты сактоо үчүн туруктуу энергия булагын талап кылбайт, бирок клетканын магнит талаасы “коңшуга” таасир этиши мүмкүн, бул чынжырдын кысылышына чектөө киргизет.
ылайык Электр кубаты жок Flash эс тутумуна негизделген SSD дисктери 40°C айлана-чөйрөнүн температурасында кеминде үч ай бою маалыматты сакташы керек. Intel тарабынан иштелип чыккан маалыматтарды 200°Сде он жыл сактоого убада берет.
Өнүктүрүүнүн татаалдыгына карабастан, магниттик эстутум пайдалануу учурунда начарлабайт жана эс тутумдун башка түрлөрүнүн ичинен эң жакшы көрсөткүчкө ээ, бул эс тутумдун бул түрүн эсептен чыгарууга мүмкүндүк бербейт.
Фазаны өзгөртүү эс тутуму
Үчүнчү перспективдүү эс тутум түрү фазалык өзгөрүүгө негизделген эс тутум. Эс тутумдун бул түрү ысытылганда кристаллдык жана аморфтук абалга өтүү үчүн халькогениддердин касиеттерин колдонот.
Халькогениддер — мезгилдик системанын 16-тобу (негизги топтун 6-тобу) менен металлдардын бинардык бирикмелери. Мисалы, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM жана Blu-ray дисктеринде германий теллуриди (GeTe) жана сурьма (III) теллуриди (Sb2Te3) колдонулат.
Маалыматты сактоо үчүн фазалык өтүүнү колдонуу боюнча изилдөөлөр жүргүзүлгөн 1960-жылдар жылы Стэнфорд Овшинский тарабынан, бирок андан кийин коммерциялык ишке ашырууга келген жок. 2000-жылдары технологияга кайрадан кызыгуу пайда болду, Samsung битти 5 нс менен алмаштырууга мүмкүндүк берген технологияны патенттеген жана Intel жана STMicroelectronics штаттардын санын төрткө көбөйтүп, ошону менен мүмкүн болуучу кубаттуулукту эки эсеге көбөйткөн.
Эрүү температурасынан жогору ысытылганда халькогенид кристаллдык түзүлүшүн жоготот жана муздагандан кийин жогорку электр каршылыгы менен мүнөздөлгөн аморфтук формага айланат. Өз кезегинде, кристаллдашуу чекитинен жогору, бирок эрүү температурасынан төмөн температурага чейин ысытылганда халькогенид каршылыктын төмөн деңгээли менен кристаллдык абалга кайтып келет.
Фазаны өзгөртүү эстутуму убакыттын өтүшү менен "заряддоону" талап кылбайт, ошондой эле электрдик заряддуу эс тутумдан айырмаланып, радиацияга кабылбайт. Мындай эс тутум 300°С температурада маалыматты 85 жыл сактай алат.
Бул Intel технологиясын өнүктүрүү деп эсептелет 3D Crosspoint (3D XPoint) Ал маалыматты сактоо үчүн фазалык өтүүнү колдонот. 3D XPoint Intel® Optane™ Memory дисктеринде колдонулат, алардын туруктуулугу жогору.
жыйынтыктоо
Катуу абалдагы дисктердин физикалык дизайны жарым кылымдан ашык тарыхта көптөгөн өзгөрүүлөргө дуушар болгон, бирок чечимдердин ар биринин өзүнүн кемчиликтери бар. Флэш эстутумдун талашсыз популярдуулугуна карабастан, бир нече компаниялар, анын ичинде Samsung жана Intel магниттик моменттердин негизинде эстутумду түзүү мүмкүнчүлүгүн изилдеп жатышат.
Клеткалардын эскиришин азайтуу, аларды ныктоо жана дисктин жалпы кубаттуулугун жогорулатуу азыркы кезде катуу абалдагы дисктерди андан ары енуктуруу учун перспективалуу багыт болуп саналат.
Бүгүнкү күндөгү эң сонун NAND жана 3D XPoint дисктерин азыр бизден сынап көрсөңүз болот .
Сиздин оюңузча, электр заряддары боюнча маалыматты сактоо технологиялары башкалар менен алмаштырылат, мисалы, кварц дисктери же туздун нанокристаллдарындагы оптикалык эс тутуму?
Source: www.habr.com