Bahagian sebelumnya dalam siri "Pengenalan kepada SSD" memberitahu pembaca tentang sejarah kemunculan pemacu SSD, antara muka untuk berinteraksi dengannya dan faktor bentuk yang popular. Bahagian keempat akan bercakap tentang menyimpan data di dalam pemacu.
Dalam artikel sebelumnya dalam siri ini:
Storan data dalam pemacu keadaan pepejal boleh dibahagikan kepada dua bahagian logik: menyimpan maklumat dalam satu sel dan mengatur storan sel.
Setiap sel pemacu keadaan pepejal disimpan satu atau lebih bit maklumat. Pelbagai jenis maklumat digunakan untuk menyimpan maklumat. proses fizikal. Apabila membangunkan pemacu keadaan pepejal, kuantiti fizikal berikut telah dipertimbangkan untuk maklumat pengekodan:
- caj elektrik (termasuk memori Flash);
- momen magnetik (memori magnetoresistif);
- keadaan fasa (ingatan dengan perubahan dalam keadaan fasa).
Memori berdasarkan cas elektrik
Pengekodan maklumat menggunakan caj negatif mendasari beberapa penyelesaian:
- ROM boleh dipadam ultraviolet (EPROM);
- ROM boleh dipadam secara elektrik (EEPROM);
- Memori kilat.
Setiap sel memori adalah MOSFET pintu terapung, yang menyimpan cas negatif. Perbezaannya daripada transistor MOS konvensional ialah kehadiran pintu terapung - konduktor dalam lapisan dielektrik.
Apabila beza keupayaan tercipta antara longkang dan punca dan terdapat potensi positif pada pintu gerbang, arus akan mengalir dari punca ke longkang. Walau bagaimanapun, jika terdapat perbezaan potensi yang cukup besar, sesetengah elektron "memecah" lapisan dielektrik dan berakhir di pintu terapung. Fenomena ini dipanggil .
Pintu terapung bercas negatif menghasilkan medan elektrik yang menghalang arus daripada mengalir dari sumber ke longkang. Selain itu, kehadiran elektron dalam pintu terapung meningkatkan voltan ambang di mana transistor dihidupkan. Dengan setiap "tulis" ke pintu terapung transistor, lapisan dielektrik rosak sedikit, yang mengenakan had pada bilangan kitaran tulis semula setiap sel.
MOSFET pintu terapung telah dibangunkan oleh Dawon Kahng dan Simon Min Sze di Bell Labs pada tahun 1967. Kemudian, apabila mengkaji kecacatan dalam litar bersepadu, diperhatikan bahawa disebabkan oleh caj di pintu terapung, voltan ambang yang membuka transistor berubah. Penemuan ini mendorong Dov Frohman untuk mula bekerja pada ingatan berdasarkan fenomena ini.
Menukar voltan ambang membolehkan anda "memprogram" transistor. Transistor get terapung tidak akan dihidupkan apabila voltan get lebih besar daripada voltan ambang untuk transistor tanpa elektron, tetapi kurang daripada voltan ambang untuk transistor dengan elektron. Mari kita panggil nilai ini voltan bacaan.
Memori Baca Sahaja Boleh Diprogram Boleh Dipadam
Pada tahun 1971, pekerja Intel Dov Frohman mencipta memori boleh tulis semula berasaskan transistor yang dipanggil Memori Baca Sahaja Boleh Diprogram Boleh Dipadam (EPROM). Rakaman ke dalam ingatan telah dijalankan menggunakan peranti khas - pengaturcara. Pengaturcara menggunakan voltan yang lebih tinggi pada cip berbanding yang digunakan dalam litar digital, dengan itu "menulis" elektron ke pintu terapung transistor jika diperlukan.
Memori EPROM tidak bertujuan untuk membersihkan gerbang terapung transistor secara elektrik. Sebaliknya, ia dicadangkan untuk mendedahkan transistor kepada sinaran ultraungu yang kuat, foton yang akan memberikan elektron tenaga yang diperlukan untuk melarikan diri dari pintu terapung. Untuk membolehkan cahaya ultraungu menembusi jauh ke dalam cip, kaca kuarza telah ditambahkan pada perumah.
Froman pertama kali membentangkan prototaip EPROMnya pada Februari 1971 pada persidangan IC keadaan pepejal di Philadelphia. Gordon Moore mengimbas kembali demonstrasi: "Dov menunjukkan corak bit dalam sel memori EPROM. Apabila sel terdedah kepada cahaya ultraungu, bit hilang satu demi satu sehingga logo Intel yang tidak dikenali dipadamkan sepenuhnya. … Rentaknya hilang, dan apabila yang terakhir hilang, seluruh penonton bertepuk tangan. Artikel Dov diiktiraf sebagai yang terbaik di persidangan itu.” - Terjemahan artikel
Memori EPROM lebih mahal daripada peranti ingatan baca sahaja (ROM) "boleh guna" yang digunakan sebelum ini, tetapi keupayaan untuk memprogram semula membolehkan anda menyahpepijat litar dengan lebih pantas dan mengurangkan masa yang diperlukan untuk membangunkan perkakasan baharu.
Memprogram semula ROM dengan cahaya ultraungu adalah satu kejayaan yang ketara, bagaimanapun, idea penulisan semula elektrik sudah pun muncul.
Memori Baca Sahaja Boleh Diprogram Boleh Dipadam Secara Elektrik
Pada tahun 1972, tiga orang Jepun: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi dan Kiyoko Nagai memperkenalkan ingatan baca sahaja yang boleh dipadam elektrik pertama (EEPROM atau E2PROM). Kemudian, penyelidikan saintifik mereka akan menjadi sebahagian daripada paten untuk pelaksanaan komersil memori EEPROM.
Setiap sel memori EEPROM terdiri daripada beberapa transistor:
- transistor pintu terapung untuk penyimpanan bit;
- transistor untuk mengawal mod baca-tulis.
Reka bentuk ini sangat merumitkan pendawaian litar elektrik, jadi memori EEPROM digunakan dalam kes di mana sejumlah kecil ingatan tidak kritikal. EPROM masih digunakan untuk menyimpan sejumlah besar data.
Memori kilat
Memori kilat, menggabungkan ciri terbaik EPROM dan EEPROM, telah dibangunkan oleh profesor Jepun Fujio Masuoka, seorang jurutera di Toshiba, pada tahun 1980. Perkembangan pertama dipanggil memori Flash NOR dan, seperti pendahulunya, adalah berdasarkan MOSFET pintu terapung.
Memori kilat NOR ialah tatasusunan transistor dua dimensi. Gerbang transistor disambungkan ke baris perkataan, dan longkang disambungkan ke garisan bit. Apabila voltan digunakan pada baris perkataan, transistor yang mengandungi elektron, iaitu, menyimpan "satu," tidak akan terbuka dan arus tidak akan mengalir. Berdasarkan kehadiran atau ketiadaan arus pada garis bit, kesimpulan dibuat tentang nilai bit.
Tujuh tahun kemudian, Fujio Masuoka membangunkan memori NAND Flash. Memori jenis ini berbeza dalam bilangan transistor pada garisan bit. Dalam memori NOR, setiap transistor disambungkan terus ke garisan bit, manakala dalam memori NAND, transistor disambung secara bersiri.
Membaca dari ingatan konfigurasi ini adalah lebih sukar: voltan yang diperlukan untuk membaca digunakan pada baris perkataan yang diperlukan, dan voltan digunakan pada semua baris perkataan lain, yang membuka transistor tanpa mengira tahap cas di dalamnya. Oleh kerana semua transistor lain dijamin terbuka, kehadiran voltan pada garisan bit hanya bergantung pada satu transistor, yang mana voltan baca digunakan.
Ciptaan memori NAND Flash memungkinkan untuk memampatkan litar dengan ketara, meletakkan lebih banyak memori dalam saiz yang sama. Sehingga 2007, kapasiti memori telah ditingkatkan dengan mengurangkan proses pembuatan cip.
Pada tahun 2007, Toshiba memperkenalkan versi baharu memori NAND: NAND Menegak (V-NAND), juga dikenali sebagai 3D NAND. Teknologi ini memberi penekanan pada meletakkan transistor dalam berbilang lapisan, yang sekali lagi membolehkan litar yang lebih padat dan kapasiti memori yang meningkat. Walau bagaimanapun, pemadatan litar tidak boleh diulang selama-lamanya, jadi kaedah lain telah diterokai untuk meningkatkan kapasiti penyimpanan.
Pada mulanya, setiap transistor menyimpan dua tahap cas: sifar logik dan satu logik. Pendekatan ini dipanggil Sel Tahap Tunggal (SLC). Pemacu dengan teknologi ini sangat dipercayai dan mempunyai bilangan kitaran penulisan semula maksimum.
Dari masa ke masa, ia telah memutuskan untuk meningkatkan kapasiti penyimpanan dengan mengorbankan rintangan haus. Jadi bilangan aras cas dalam sel adalah sehingga empat, dan teknologi itu dipanggil Sel Berbilang Aras (MLC). Seterusnya datang Sel Tiga Tahap (TLC) и Sel Tahap Empat (QLC). Akan ada tahap baru pada masa hadapan - Sel Tahap Penta (PLC) dengan lima bit setiap sel. Lebih banyak bit masuk ke dalam satu sel, lebih besar kapasiti penyimpanan pada kos yang sama, tetapi rintangan haus yang kurang.
Pemadatan litar dengan mengurangkan proses teknikal dan meningkatkan bilangan bit dalam satu transistor memberi kesan negatif kepada data yang disimpan. Walaupun fakta bahawa EPROM dan EEPROM menggunakan transistor yang sama, EPROM dan EEPROM boleh menyimpan data tanpa kuasa selama sepuluh tahun, manakala memori Flash moden boleh "melupakan" segala-galanya selepas setahun.
Penggunaan memori Flash dalam industri angkasa adalah sukar kerana sinaran memberi kesan buruk kepada elektron di pintu terapung.
Masalah ini menghalang memori Flash daripada menjadi peneraju yang tidak dipertikaikan dalam bidang penyimpanan maklumat. Walaupun fakta bahawa pemacu berdasarkan memori Flash tersebar luas, penyelidikan sedang dijalankan terhadap jenis memori lain yang tidak mempunyai kelemahan ini, termasuk menyimpan maklumat dalam momen magnet dan keadaan fasa.
Memori magnetoresistif
Pengekodan maklumat dengan momen magnet muncul pada tahun 1955 dalam bentuk ingatan pada teras magnet. Sehingga pertengahan 1970-an, ingatan ferit adalah jenis ingatan utama. Membaca sedikit daripada jenis memori ini menyebabkan demagnetisasi cincin dan kehilangan maklumat. Oleh itu, selepas membaca sedikit, ia terpaksa ditulis semula.
Dalam perkembangan moden ingatan magnetoresistif, bukannya cincin, dua lapisan feromagnet digunakan, dipisahkan oleh dielektrik. Satu lapisan adalah magnet kekal, dan yang kedua mengubah arah kemagnetan. Membaca sedikit daripada sel sedemikian adalah untuk mengukur rintangan apabila menghantar arus: jika lapisan dimagnetkan ke arah yang bertentangan, maka rintangan adalah lebih besar dan ini bersamaan dengan nilai "1".
Memori ferit tidak memerlukan sumber kuasa tetap untuk mengekalkan maklumat yang direkodkan, bagaimanapun, medan magnet sel boleh mempengaruhi "jiran", yang mengenakan had pada pemadatan litar.
Menurut Pemacu SSD berdasarkan memori Flash tanpa kuasa mesti mengekalkan maklumat selama sekurang-kurangnya tiga bulan pada suhu ambien 40°C. Direka oleh Intel berjanji untuk menyimpan data selama sepuluh tahun pada 200°C.
Walaupun kerumitan pembangunan, memori magnetoresistif tidak merosot semasa penggunaan dan mempunyai prestasi terbaik antara jenis memori lain, yang tidak membenarkan memori jenis ini dihapuskan.
Fasa menukar ingatan
Jenis ingatan ketiga yang menjanjikan ialah memori berdasarkan perubahan fasa. Memori jenis ini menggunakan sifat chalcogenides untuk bertukar antara keadaan kristal dan amorf apabila dipanaskan.
Chalcogenides — sebatian binari logam dengan kumpulan ke-16 (kumpulan ke-6 subkumpulan utama) jadual berkala. Contohnya, cakera CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM dan Blu-ray menggunakan germanium telluride (GeTe) dan antimoni(III) telluride (Sb2Te3).
Penyelidikan tentang penggunaan peralihan fasa untuk penyimpanan maklumat telah dijalankan di 1960-an tahun oleh Stanford Ovshinsky, tetapi kemudian ia tidak sampai kepada pelaksanaan komersial. Pada tahun 2000-an, terdapat minat yang diperbaharui dalam teknologi, teknologi dipatenkan Samsung yang membenarkan penukaran bit dalam 5 ns, dan Intel dan STMicroelectronics meningkatkan bilangan negeri kepada empat, dengan itu menggandakan kapasiti yang mungkin.
Apabila dipanaskan di atas takat lebur, chalcogenide kehilangan struktur kristalnya dan, apabila disejukkan, bertukar menjadi bentuk amorf yang dicirikan oleh rintangan elektrik yang tinggi. Sebaliknya, apabila dipanaskan pada suhu di atas takat penghabluran, tetapi di bawah takat lebur, kalkogenida kembali ke keadaan hablur dengan tahap rintangan yang rendah.
Memori perubahan fasa tidak memerlukan "mengecas semula" dari semasa ke semasa, dan juga tidak terdedah kepada radiasi, tidak seperti memori yang dicas elektrik. Memori jenis ini boleh mengekalkan maklumat selama 300 tahun pada suhu 85°C.
Adalah dipercayai bahawa pembangunan teknologi Intel Crosspoint 3D (3D XPoint) Ia menggunakan peralihan fasa untuk menyimpan maklumat. XPoint 3D digunakan dalam pemacu Memori Intel® Optane™, yang didakwa mempunyai daya tahan yang lebih besar.
Kesimpulan
Reka bentuk fizikal pemacu keadaan pepejal telah mengalami banyak perubahan sepanjang lebih daripada setengah abad sejarah, bagaimanapun, setiap penyelesaian mempunyai kelemahannya. Walaupun populariti memori Flash yang tidak dapat dinafikan, beberapa syarikat, termasuk Samsung dan Intel, sedang meneroka kemungkinan mencipta memori berdasarkan momen magnetik.
Mengurangkan kehausan sel, memampatkannya dan meningkatkan kapasiti keseluruhan pemacu adalah bidang yang pada masa ini menjanjikan untuk pembangunan selanjutnya pemacu keadaan pepejal.
Anda boleh menguji pemacu NAND dan 3D XPoint yang paling hebat hari ini dalam kami .
Adakah anda fikir teknologi untuk menyimpan maklumat mengenai cas elektrik akan digantikan oleh yang lain, contohnya, cakera kuarza atau memori optik pada nanokristal garam?
Sumber: www.habr.com