Претходните делови од серијата „Вовед во SSD“ му кажаа на читателот за историјата на појавата на SSD-дискови, интерфејсите за интеракција со нив и популарните фактори на форма. Четвртиот дел ќе зборува за складирање податоци во дискови.
Во претходните написи во серијата:
Складирањето податоци во погоните со цврста состојба може да се подели на два логички дела: складирање информации во една ќелија и организирање складирање на ќелии.
Секоја ќелија на диск со цврста состојба се складира еден или повеќе делови од информации. Различни видови информации се користат за складирање на информации. физички процеси. При развивање на погони со цврста состојба, следните физички количини беа земени предвид за кодирање на информации:
- електрични полнежи (вклучувајќи флеш меморија);
- магнетни моменти (магнеторезистична меморија);
- фазни состојби (меморија со промена на фазна состојба).
Меморија базирана на електрични полнежи
Кодирањето на информации со помош на негативен полнеж лежи во основата на неколку решенија:
- ултравиолетово бришење ROM (EPROM);
- електрично бришечки ROM (EEPROM);
- Флеш меморија.
Секоја мемориска клетка е лебдечка порта MOSFET, кој складира негативен полнеж. Неговата разлика од конвенционалниот MOS транзистор е присуството на лебдечка порта - проводник во диелектричниот слој.
Кога ќе се создаде потенцијална разлика помеѓу одводот и изворот и има позитивен потенцијал на портата, струјата ќе тече од извор до одвод. Меѓутоа, ако има доволно голема потенцијална разлика, некои електрони го „пробиваат“ диелектричниот слој и завршуваат во пловечката порта. Овој феномен се нарекува .
Негативно наелектризираната пловечка порта создава електрично поле што спречува струја да тече од изворот до одводот. Покрај тоа, присуството на електрони во лебдечката порта го зголемува прагот на напонот на кој се вклучува транзисторот. Со секое „запишување“ на лебдечката порта на транзисторот, диелектричниот слој е малку оштетен, што наметнува ограничување на бројот на циклуси на препишување на секоја ќелија.
МОСФЕТ-овите со пловечки порти беа развиени од Dawon Kahng и Simon Min Sze во Bell Labs во 1967 година. Подоцна, при проучување на дефектите во интегрираните кола, беше забележано дека поради полнењето во лебдечката порта, се променил прагот на напонот што го отвора транзисторот. Ова откритие го поттикна Дов Фроман да започне да работи на меморијата врз основа на овој феномен.
Промената на напонот на прагот ви овозможува да ги „програмирате“ транзисторите. Транзисторите со пловечки порти нема да се вклучат кога напонот на портата е поголем од напонот на прагот за транзистор без електрони, но помал од прагот на напонот за транзистор со електрони. Да ја наречеме оваа вредност напон за читање.
Програмабилна меморија само за читање што може да се брише
Во 1971 година, вработениот во Интел, Дов Фроман, создаде презапишувачка меморија базирана на транзистор наречена Програмабилна меморија само за читање што може да се брише (EPROM). Снимањето во меморија беше извршено со помош на специјален уред - програмер. Програмерот применува поголем напон на чипот отколку што се користи во дигиталните кола, а со тоа „запишува“ електрони на лебдечките порти на транзисторите каде што е потребно.
EPROM меморијата не беше наменета за електрично чистење на лебдечките порти на транзисторите. Наместо тоа, беше предложено да се изложат транзисторите на силна ултравиолетова светлина, чии фотони ќе им ја дадат на електроните потребната енергија за да избегаат од пловечката порта. За да се овозможи ултравиолетова светлина да навлезе длабоко во чипот, во куќиштето е додадено кварцно стакло.
Фроман првпат го претстави својот прототип EPROM во февруари 1971 година на конференцијата на ИЦ во солидна држава во Филаделфија. Гордон Мур се присети на демонстрацијата: „Дов ја демонстрираше битската шема во мемориските ќелии EPROM. Кога клетките беа изложени на ултравиолетова светлина, деловите исчезнуваа еден по еден додека непознатото лого на Intel не беше целосно избришано. … Отчукувањата исчезнаа, а кога последниот исчезна, целата публика пукна во аплауз. Статијата на Дов беше препознаена како најдобра на конференцијата“. — Превод на статијата
EPROM меморијата е поскапа од претходно користените уреди за „еднократна“ меморија само за читање (ROM), но можноста за репрограмирање ви овозможува побрзо да ги дебагирате кола и да го намалите времето потребно за развој на нов хардвер.
Репрограмирањето на ROM-овите со ултравиолетова светлина беше значаен напредок, но идејата за електрично препишување веќе беше во воздухот.
Електрично бришечка програмабилна меморија само за читање
Во 1972 година, тројца Јапонци: Јасуо Таруи, Јутака Хајаши и Кијоко Нагаи ја воведоа првата електрично бришечка меморија само за читање (EEPROM или E2PROM). Подоцна нивното научно истражување ќе стане дел од патентите за комерцијални имплементации на EEPROM меморијата.
Секоја EEPROM мемориска ќелија се состои од неколку транзистори:
- транзистор со лебдечка порта за складирање на битови;
- транзистор за контролирање на режимот читање-запишување.
Овој дизајн во голема мера го отежнува поврзувањето на електричното коло, така што меморијата EEPROM се користела во случаи кога мала количина на меморија не била критична. EPROM сè уште се користеше за складирање на големи количини на податоци.
Флеш меморија
Флеш меморијата, комбинирајќи ги најдобрите карактеристики на EPROM и EEPROM, беше развиена од јапонскиот професор Фуџио Масуока, инженер во Toshiba, во 1980 година. Првиот развој беше наречен NOR Flash меморија и, како и неговите претходници, се базира на MOSFET-ови со пловечки порти.
NOR флеш меморијата е дводимензионална низа од транзистори. Портите на транзисторите се поврзани со линијата на зборови, а одводите се поврзани со бит линијата. Кога се применува напон на линијата на зборовите, транзисторите што содржат електрони, односно складираат „еден“, нема да се отворат и струјата нема да тече. Врз основа на присуството или отсуството на струја на бит линијата, се извлекува заклучок за вредноста на битот.
Седум години подоцна, Фуџио Масуока разви NAND Flash меморија. Овој тип на меморија се разликува по бројот на транзистори на бит линијата. Во меморијата NOR, секој транзистор е директно поврзан со бит линија, додека во меморијата NAND, транзисторите се поврзани во серија.
Читањето од меморијата на оваа конфигурација е потешко: напонот неопходен за читање се применува на потребната линија на зборот, а напонот се применува на сите други линии на зборот, што го отвора транзисторот без оглед на нивото на полнење во него. Бидејќи сите други транзистори се загарантирани да бидат отворени, присуството на напон на битната линија зависи само од еден транзистор, на кој се применува читаниот напон.
Пронајдокот на NAND Flash меморијата овозможува значително да се компресира колото, ставајќи повеќе меморија во иста големина. До 2007 година, капацитетот на меморијата беше зголемен со намалување на процесот на производство на чипот.
Во 2007 година, Toshiba воведе нова верзија на NAND меморија: Вертикална NAND (V-NAND), исто така познато како 3D NAND. Оваа технологија става акцент на поставување на транзистори во повеќе слоеви, што повторно овозможува погусти кола и зголемен капацитет на меморија. Сепак, набивањето на колото не може да се повторува на неодредено време, па затоа се истражени други методи за зголемување на капацитетот за складирање.
Првично, секој транзистор складираше две нивоа на полнење: логичка нула и логичка една. Овој пристап се нарекува Ќелија на едно ниво (SLC). Дисковите со оваа технологија се многу сигурни и имаат максимален број циклуси на препишување.
Со текот на времето, беше одлучено да се зголеми капацитетот за складирање на сметка на отпорноста на абење. Значи, бројот на нивоа на полнење во ќелија е до четири, и технологијата беше повикана Ќелија со повеќе нивоа (MLC). Следно дојде Ќелија на тројно ниво (TLC) и Ќелија на четири нивоа (QLC). Ќе има ново ниво во иднина - Ќелија на пента ниво (PLC) со пет бита по ќелија. Колку повеќе битови се вклопуваат во една ќелија, толку е поголем капацитетот за складирање со иста цена, но помала отпорност на абење.
Набивањето на колото со намалување на техничкиот процес и зголемување на бројот на битови во еден транзистор негативно влијае на складираните податоци. И покрај фактот дека EPROM и EEPROM користат исти транзистори, EPROM и EEPROM можат да складираат податоци без струја десет години, додека модерната Flash меморија може да „заборави“ сè по една година.
Употребата на флеш меморија во вселенската индустрија е тешка бидејќи зрачењето има штетен ефект врз електроните во лебдечките порти.
Овие проблеми ја спречуваат Flash меморијата да стане неприкосновен лидер во областа на складирање информации. И покрај фактот дека дисковите базирани на Flash меморија се широко распространети, во тек е истражување за други типови на меморија кои ги немаат овие недостатоци, вклучително и складирање на информации во магнетни моменти и фазни состојби.
Магнеторезистична меморија
Кодирање на информации со магнетни моменти се појави во 1955 година во форма на меморија на магнетни јадра. До средината на 1970-тите, феритната меморија беше главниот тип на меморија. Читањето малку од овој тип на меморија доведе до демагнетизација на прстенот и губење на информации. Така, по малку читање, мораше да се напише назад.
Во современиот развој на магнеторезистивната меморија, наместо прстени, се користат два слоја на феромагнет, разделени со диелектрик. Еден слој е постојан магнет, а вториот ја менува насоката на магнетизација. Малку читање од таква ќелија се сведува на мерење на отпорот при поминување на струја: ако слоевите се магнетизираат во спротивни насоки, тогаш отпорот е поголем и тоа е еквивалентно на вредноста „1“.
Феритната меморија не бара постојан извор на енергија за одржување на снимените информации, меѓутоа, магнетното поле на ќелијата може да влијае на „соседот“, што наметнува ограничување на набивањето на колото.
Според SSD-уредите базирани на флеш меморија без струја мора да ги задржат информациите најмалку три месеци на амбиентална температура од 40°C. Дизајниран од Интел ветува дека ќе ги чува податоците десет години на 200°C.
И покрај сложеноста на развојот, магнеторезистивната меморија не се деградира при употреба и има најдобри перформанси меѓу другите типови меморија, што не дозволува отпишување на овој тип на меморија.
Меморија за промена на фаза
Третиот ветувачки тип на меморија е меморијата базирана на промена на фазата. Овој тип на меморија ги користи својствата на халкогенидите за да се префрла помеѓу кристална и аморфна состојба кога се загрева.
Халкогениди — бинарни соединенија на метали со 16-та група (6-та група од главната подгрупа) од периодниот систем. На пример, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM и Blu-ray дисковите користат германиум телурид (GeTe) и антимон (III) телурид (Sb2Te3).
Истражување за употребата на фазна транзиција за складирање на информации беше спроведено во 1960-тите година од Стенфорд Овшински, но потоа не дојде до комерцијална имплементација. Во 2000-тите, постоеше обновен интерес за технологијата, Samsung ја патентираше технологијата која овозможува префрлување на битови во 5 ns, а Intel и STMicroelectronics го зголемија бројот на состојби на четири, со што го удвоија можниот капацитет.
Кога се загрева над точката на топење, халкогенидот ја губи својата кристална структура и, по ладењето, се претвора во аморфна форма која се карактеризира со висока електрична отпорност. За возврат, кога се загрева до температура над точката на кристализација, но под точката на топење, халкогенидот се враќа во кристална состојба со ниско ниво на отпор.
Меморијата за промена на фазата не бара „надополнување“ со текот на времето, а исто така не е подложна на зрачење, за разлика од електрично наполнетата меморија. Овој тип на меморија може да задржи информации 300 години на температура од 85°C.
Се верува дека развојот на технологијата на Интел 3D вкрстена точка (3D XPoint) Користи фазни транзиции за складирање на информации. 3D XPoint се користи во мемориските дискови Intel® Optane™, за кои се тврди дека имаат поголема издржливост.
Заклучок
Физичкиот дизајн на погоните со цврста состојба претрпе многу промени во текот на повеќе од половина век историја, меѓутоа, секое од решенијата има свои недостатоци. И покрај непобитната популарност на Flash меморијата, неколку компании, вклучувајќи ги Samsung и Intel, ја истражуваат можноста за создавање меморија базирана на магнетни моменти.
Намалувањето на абењето на ќелиите, нивното набивање и зголемувањето на вкупниот капацитет на погонот се области кои во моментов ветуваат за понатамошен развој на погоните со цврста состојба.
Можете да ги тестирате денешните најкул NAND и 3D XPoint-дискови токму сега во нашата .
Дали мислите дека технологиите за складирање на информации за електрични полнежи ќе бидат заменети со други, на пример, кварцни дискови или оптичка меморија на солените нанокристали?
Извор: www.habr.com
