De vorige delen van de cyclus 'Inleiding tot SSD' hebben de lezer verteld over de geschiedenis van SSD-opslag, de interfaces voor interactie ermee en populaire form-factors. Het vierde deel zal uitleggen hoe data binnen deze opslagapparaten wordt opgeslagen.
In de voorgaande artikelen van de cyclus:
Dataopslag in SSD's kan worden verdeeld in twee logische delen: informatieopslag in één cel en de organisatie van opslagcellen.
Elke cel van een solid-state drive (SSD) slaat één of meerdere bits aan informatie. Voor de opslag van informatie worden verschillende fysieke processengebruikt. Bij de ontwikkeling van solid-state drives zijn de volgende fysieke grootheden overwogen voor het coderen van informatie:
- elektrische ladingen (waaronder Flash-geheugen);
- magnetische momenten (magnetoresistief geheugen);
- fase-overgangen (geheugen met faseverandering).
Geheugen op basis van elektrische ladingen
Informatiecodering met behulp van negatieve lading ligt ten grondslag aan verschillende oplossingen:
- elektrisch herschrijfbare ROM (EPROM);
- elektrisch herschrijfbare ROM (EEPROM);
- Flash-geheugen.
Elke geheugencel is een MOSFET-transistor met een drijvende poort, waarin een negatieve lading wordt opgeslagen. Het verschil met een gewone MOSFET-transistor is de aanwezigheid van de drijvende poort - een geleider in de diëlektrische laag.
Wanneer er een potentiaalverschil wordt gecreëerd tussen de afvoer en de bron en er een positief potentiaal op de poort aanwezig is, zal er een stroom van de bron naar de afvoer lopen. Echter, bij een voldoende groot potentiaalverschil 'doorboren' sommige elektronen de diëlektrische laag en komen ze in de drijvende poort terecht. Dit fenomeen wordt het .
genoemd. De negatief geladen drijvende poort creëert een elektrisch veld dat de stroom van de bron naar de afvoer belemmert. Bovendien verhoogt de aanwezigheid van elektronen in de drijvende poort de drempelspanning waarvoor de transistor opent. Bij elke 'schrijfactie' in de drijvende poort van de transistor wordt de diëlektrische laag licht beschadigd, wat beperking oplegt aan het aantal herschrijfcycli van elke cel.
Veld-MOS-transistoren met een drijvende poort werden ontwikkeld door Dawon Kahng en Simon Min Sze van Bell Labs in 1967. Later, tijdens het onderzoeken van defecten in geïntegreerde schakelingen, werd opgemerkt dat door de lading in de drijvende poort de drempelspanning die de transistor opent, is veranderd. Deze ontdekking leidde Dov Frohman ertoe om te beginnen met het werken aan geheugen gebaseerd op dit fenomeen.
De verandering van drempelspanning maakt het mogelijk om transistoren te 'programmeren'. Transistoren met een lading in de drijvende poort zullen niet openen bij een spanning op de poort die hoger is dan de drempelspanning voor een transistor zonder elektronen, maar lager dan de drempelspanning voor een transistor met elektronen. Laten we deze waarde 'leespanning' noemen. leespanning.
Erasable Programmable Read-Only Memory
In 1971 creëerde de Intel-medewerker Dov Frohman herschrijfbaar geheugen op transistoren, genaamd Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Het schrijven naar het geheugen gebeurde met behulp van een speciaal apparaat - een programmeerapparaat. Het programmeerapparaat levert een hogere spanning aan de chip dan die in digitale schakelingen wordt toegepast, waardoor elektronen in de drijvende poorten van transistoren worden 'geschreven' waar nodig.
In EPROM-geheugen was het niet de bedoeling om de drijvende poorten van de transistoren elektrisch te wissen. In plaats daarvan werd voorgesteld om de transistoren bloot te stellen aan sterke ultravioletstraling, waarvan de fotonen de energieniveaus van de elektronen verhogen, zodat ze de drijvende poort kunnen verlaten. Om de toegang van ultraviolet licht diep in de chip mogelijk te maken, is de behuizing van kwartsglas gemaakt.
Frohman presenteerde zijn prototype van EPROM voor het eerst in februari 1971 op een conferentie over vaste-stof schakelingen in Philadelphia. Gordon Moore herinnerde zich de demonstratie: "Dov toonde een bitpatroon in de geheugen cellen van EPROM. Toen de cellen werden blootgesteld aan ultraviolet licht, verdwenen de bits één voor één, totdat het bekende Intel-logo volledig was gewist. ... De bits vervaagden, en toen de laatste verdween, klapte het hele publiek in handen. Dov's artikel werd erkend als het beste op de conferentie." — Vertaling van het artikel
EPROM-geheugen is duurder dan de eerder gebruikte 'wegwerp' vaste geheugens (ROM), maar de mogelijkheid tot herprogrammering maakt het mogelijk om schema's sneller te debuggen en de ontwikkelingstijd van nieuwe hardware te verkorten.
De herprogrammering van ROM met ultraviolet licht was een aanzienlijke doorbraak, maar het idee van elektrische herschrijving 'zweefde' al in de lucht.
Elektromagnetisch Erasable Programmable Read-Only Memory
In 1972 presenteerden drie Japanners: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi en Kiyoko Nagai de eerste elektrisch verwijderbare permanente geheugeneenheid (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM of E2PROM). Later zullen hun wetenschappelijke onderzoeken deel uitmaken van de patenten voor commerciële implementaties van EEPROM-geheugen.
Elke EEPROM-geheugencel bestaat uit meerdere transistors:
- een transistor met een drijvende poort voor het opslaan van een bit;
- een transistor voor het beheersen van de lees-/schrijffunctie.
Zo'n constructie bemoeilijkt de bedrading van het elektrische circuit sterk, waardoor EEPROM-geheugen alleen werd gebruikt in gevallen waar een klein geheugenvolume niet kritiek was. Voor het opslaan van grote hoeveelheden gegevens werd nog steeds EPROM gebruikt.
Flash-geheugen
Flash-geheugen, dat de beste eigenschappen van EPROM en EEPROM combineert, werd in 1980 ontwikkeld door de Japanse professor Fujio Masuoka, een ingenieur bij Toshiba. De eerste ontwikkeling kreeg de naam Flash-geheugen type NOR en is, net als zijn voorgangers, gebaseerd op veld-effecttransistoren met een drijvende poort.
Flash-geheugen type NOR is een tweedimensionaal netwerk van transistors. De poorten van de transistors zijn verbonden met een woordlijn, terwijl de afvoeren zijn aangesloten op een bitlijn. Wanneer er spanning op de woordlijn wordt aangelegd, zullen de transistors die elektronen bevatten, d.w.z. die een 'een' opslaan, niet openen en zal er geen stroom vloeien. Afhankelijk van de aanwezigheid of afwezigheid van stroom op de bitlijn kan de waarde van het bit worden afgeleid.
Zeven jaar later ontwikkelde Fujio Masuoka Flash-geheugen type NAND. Dit type geheugen verschilt in het aantal transistors op de bitlijn. In NOR-geheugen is elke transistor rechtstreeks verbonden met de bitlijn, terwijl in NAND-geheugen de transistors serieel zijn aangesloten.
Het lezen uit het geheugen van een dergelijke configuratie is complexer: er wordt spanning aangelegd op de benodigde lijn voor het woord dat gelezen moet worden, terwijl op alle andere lijnen spanning wordt aangebracht die de transistor opent, ongeacht het opladen ervan. Aangezien alle andere transistors gegarandeerd open zijn, hangt de aanwezigheid van spanning op de bitlijn alleen af van één transistor waarop de lees-spanning is toegepast.
De uitvinding van NAND-flashgeheugen maakt het mogelijk om de circuitry aanzienlijk te comprimeren, waardoor er meer geheugen in dezelfde ruimte kan worden geplaatst. Tot 2007 werd de geheugencapaciteit vergroot door het productieproces van de chip te verkleinen.
In 2007 introduceerde Toshiba een nieuwe versie van NAND-geheugen: Vertical NAND (V-NAND), ook wel bekend als 3D NAND. Deze technologie richt zich op het plaatsen van transistors in meerdere lagen, wat opnieuw het mogelijk maakt om de circuitry te comprimeren en de geheugencapaciteit te vergroten. Niettemin kan de compressie van de circuitry niet eindeloos worden herhaald, waardoor andere methoden voor het vergroten van de opslagcapaciteit zijn onderzocht.
Aanvankelijk hield elke transistor twee niveaus van lading vast: logisch nul en logisch één. Deze aanpak wordt Single-Level Cell (SLC)genoemd. Opslagmedia met deze technologie onderscheiden zich door hoge betrouwbaarheid en het maximale aantal her schrijfcycli.
In de loop der tijd werd besloten om de capaciteit van opslagmedia te vergroten ten koste van de duurzaamheid. Het aantal laadniveaus in één cel werd verhoogd tot vier, en deze technologie werd aangeduid als Multi-Level Cell (MLC). Hierna kwamen er Triple-Level Cell (TLC) en enQuad-Level Cell (QLC) . In de toekomst zal er een nieuw niveau komen — Penta-Level Cell (PLC)
met vijf bits in één cel. Hoe meer bits in één cel worden geplaatst, hoe groter de capaciteit van de opslag bij dezelfde kosten, maar hoe lager de duurzaamheid.
De compressie van de circuitry door middel van een verkleinend productieproces en het vergroten van het aantal bits in één transistor heeft een negatieve impact op de opgeslagen gegevens. Hoewel dezelfde transistors worden gebruikt in EPROM en EEPROM, kunnen EPROM en EEPROM gegevens zonder stroom tien jaar lang bewaren, terwijl modern flash-geheugen dit al na een jaar "vergeet". Gebruik van flash-geheugen in de ruimtevaart is problematisch, omdat straling een nadelige invloed heeft op de elektronen in de drijvende poorten.
De genoemde problemen belemmeren flashgeheugen om een onbetwiste leider te worden op het gebied van gegevensopslag. Hoewel flashgeheugensystemen wijdverspreid zijn, worden er onderzoeken gedaan naar andere soorten geheugen die deze tekortkomingen niet hebben, waaronder gegevensopslag in magnetische momenten en fasetoestanden.
Magnetoresistief geheugen
De codering van gegevens met behulp van magnetische momenten werd in 1955 geïntroduceerd in de vorm van geheugen op magnetische kernen. Tot het midden van de jaren zeventig was ferrietgeheugen de belangrijkste geheugensoort. Het lezen van een bit uit dit type geheugen leidde tot demagnetisatie van de ring en verlies van informatie. Na het lezen van een bit moest het daarom weer worden geschreven.
In moderne ontwikkelingen van magnetoresistief geheugen worden in plaats van ringen twee lagen ferromagnetisch materiaal gebruikt, gescheiden door een dielektricum. Eén laag fungeert als een permanente magneet, terwijl de andere de magnetisatie-richting kan veranderen. Het lezen van een bit uit zo'n cel komt neer op het meten van de weerstand bij het doorlaten van stroom: als de lagen in tegengestelde richtingen zijn gemagnetiseerd, is de weerstand hoger en dit is gelijk aan de waarde "1".
Ferrietgeheugen heeft geen constante stroombron nodig om de opgeslagen informatie te behouden, maar het magnetische veld van de cel kan invloed hebben op de "buur", wat een beperking oplegt aan de dichtheid van de schakelingen.
Volgens SSD-schijven op basis van flashgeheugen moeten informatie zonder voeding minimaal drie maanden bewaren bij een omgevingstemperatuur van 40 °C. De door Intel ontwikkelde belooft gegevens tien jaar te bewaren bij een temperatuur van 200 °C.
Ondanks de complexiteit van de ontwikkeling degradeert magnetoresistief geheugen niet tijdens gebruik en heeft het de beste prestaties van alle soorten geheugen, waardoor deze geheugensoort niet kan worden afgeschreven.
Geheugen met fasetoestandverandering
Een derde veelbelovende geheugensoort is het fasetransitie-geheugen. Dit type geheugen maakt gebruik van de eigenschappen van chalcogeniden om te schakelen tussen een kristallijne en een amorfe toestand bij verhitting.
Chalcogeniden — verbindingen van metalen met de 16e groep (6e hoofdsubgroep) van het periodiek systeem van Mendelejev. Bijvoorbeeld, in CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM en Blu-ray-schijven worden telluride van germanium (GeTe) en telluride van antimoon (III) (Sb2Te3) gebruikt.
Onderzoek naar het gebruik van faseovergangen voor informatieopslag werd uitgevoerd in de jaren 1960 door Stanford Ovshinsky, maar het kwam toen niet tot commerciële uitvoering. In de jaren 2000 kwam er opnieuw interesse in de technologie, Samsung patenteerde een technologie waarmee bits binnen 5 ns kunnen worden omgeschakeld, en Intel en STMicroelectronics verhoogden het aantal toestanden tot vier, waardoor het potentiële volume verdubbelde.
Bij verhitting boven het smeltpunt verliest het chalcogeen zijn kristallijne structuur en, bij afkoeling, verandert het in een amorfe vorm met een hoge elektrische weerstand. Omgekeerd, bij verhitting tot een temperatuur boven het kristallisatiepunt, maar onder het smeltpunt, keert het chalcogeen terug naar de kristallijne toestand met een laag weerstandsniveau.
Faseovergangsgeheugen vereist geen 'oplaadbeurten' in de loop van de tijd en is ook niet gevoelig voor stralingsuitstraling, in tegenstelling tot geheugens op elektrische ladingen. Dit type geheugen kan informatie tot 300 jaar bewaren bij een temperatuur van 85 °C.
Er wordt aangenomen dat de ontwikkeling van Intel, de technologie 3D Crosspoint (3D XPoint) specifiek gebruik maakt van faseovergangen voor informatieopslag. 3D XPoint wordt gebruikt in Intel® Optane™ Memory-drives, waarvoor een hoge slijtvastheid is opgegeven.
Conclusie
Het fysieke apparaat van solid-state drives heeft door de meer dan vijftigjarige geschiedenis vele veranderingen ondergaan, maar elke oplossing heeft zijn eigen tekortkomingen. Ondanks de onmiskenbare populariteit van flash-geheugen, werken verschillende bedrijven, waaronder Samsung en Intel, aan de mogelijkheid om geheugen op basis van magnetische momenten te ontwikkelen.
Het verkorten van de slijtage van cellen, hun verdichting en het verhogen van de algehele capaciteit van de drive zijn momenteel veelbelovende richtingen voor de verdere ontwikkeling van solid-state drives.
De meest geavanceerde NAND- en 3D XPoint-drives kunnen nu al worden getest in onze .
Denkt u dat de technologie voor informatieopslag op elektrische ladingen zal worden vervangen door andere technologieën, zoals kwartsdisks of optische geheugen op nanokristallen van zout?
Bron: habr.com
