Eerdere delen van de serie 'Introductie tot SSD' vertelden de lezer over de geschiedenis van de opkomst van SSD-schijven, interfaces voor interactie ermee en populaire vormfactoren. Het vierde deel gaat over het opslaan van gegevens in schijven.
In eerdere artikelen in de serie:
Gegevensopslag op SSD-schijven kan in twee logische delen worden verdeeld: het opslaan van informatie in één cel en het organiseren van celopslag.
Elke cel van een SSD-schijf slaat gegevens op een of meer stukjes informatie. Er worden verschillende soorten informatie gebruikt om informatie op te slaan. fysieke processen. Bij het ontwikkelen van solid-state drives werd rekening gehouden met de volgende fysieke grootheden voor het coderen van informatie:
- elektrische ladingen (inclusief Flash-geheugen);
- magnetische momenten (magnetoresistief geheugen);
- fase toestanden (geheugen met een verandering in fasestatus).
Geheugen gebaseerd op elektrische ladingen
Het coderen van informatie met behulp van een negatieve lading ligt ten grondslag aan verschillende oplossingen:
- ultraviolet wisbaar ROM (EPROM);
- elektrisch wisbare ROM (EEPROM);
- Flash-geheugen.
Elke geheugencel is dat MOSFET met zwevende poort, dat een negatieve lading opslaat. Het verschil met een conventionele MOS-transistor is de aanwezigheid van een zwevende poort - een geleider in de diëlektrische laag.
Wanneer er een potentiaalverschil ontstaat tussen de drain en de source en er is een positieve potentiaal aan de gate, zal er stroom van source naar drain vloeien. Als er echter een voldoende groot potentiaalverschil is, ‘breken’ sommige elektronen de diëlektrische laag en komen ze in de zwevende poort terecht. Dit fenomeen heet .
Een negatief geladen zwevende poort creëert een elektrisch veld dat voorkomt dat stroom van bron naar afvoer stroomt. Bovendien verhoogt de aanwezigheid van elektronen in de zwevende poort de drempelspanning waarbij de transistor wordt ingeschakeld. Bij elke "schrijfbeurt" naar de zwevende poort van de transistor wordt de diëlektrische laag enigszins beschadigd, wat een limiet oplegt aan het aantal herschrijfcycli van elke cel.
MOSFET's met drijvende poort werden in 1967 ontwikkeld door Dawon Kahng en Simon Min Sze bij Bell Labs. Later, bij het bestuderen van defecten in geïntegreerde schakelingen, werd opgemerkt dat als gevolg van de lading in de zwevende poort de drempelspanning die de transistor opent, veranderde. Deze ontdekking was voor Dov Frohman aanleiding om op basis van dit fenomeen aan het geheugen te gaan werken.
Door de drempelspanning te wijzigen, kunt u de transistors "programmeren". Zwevende poorttransistoren worden niet ingeschakeld als de poortspanning groter is dan de drempelspanning voor een transistor zonder elektronen, maar lager dan de drempelspanning voor een transistor met elektronen. Laten we deze waarde noemen spanning lezen.
Uitwisbaar programmeerbaar alleen-lezen geheugen
In 1971 creëerde Intel-medewerker Dov Frohman een op transistors gebaseerd herschrijfbaar geheugen genaamd Uitwisbaar programmeerbaar alleen-lezen geheugen (EPROM). Het opnemen in het geheugen werd uitgevoerd met behulp van een speciaal apparaat: een programmeur. De programmeur past een hogere spanning op de chip toe dan in digitale circuits wordt gebruikt, waardoor waar nodig elektronen naar de zwevende poorten van de transistors worden 'geschreven'.
EPROM-geheugen was niet bedoeld om de zwevende poorten van transistors elektrisch te reinigen. In plaats daarvan werd voorgesteld om de transistors bloot te stellen aan sterk ultraviolet licht, waarvan de fotonen de elektronen de energie zouden geven die nodig was om aan de zwevende poort te ontsnappen. Om ultraviolet licht diep in de chip te laten doordringen, werd kwartsglas aan de behuizing toegevoegd.
Froman presenteerde zijn EPROM-prototype voor het eerst in februari 1971 op een solid-state IC-conferentie in Philadelphia. Gordon Moore herinnerde zich de demonstratie: “Dov demonstreerde het bitpatroon in de EPROM-geheugencellen. Toen de cellen werden blootgesteld aan ultraviolet licht, verdwenen de bits één voor één totdat het onbekende Intel-logo volledig was gewist. … De beats verdwenen, en toen de laatste verdween, barstte het hele publiek in applaus los. Het artikel van Dov werd op de conferentie als het beste erkend.” — Vertaling van het artikel
EPROM-geheugen is duurder dan eerder gebruikte “disposable” read-only memory (ROM)-apparaten, maar dankzij de mogelijkheid om te herprogrammeren kunt u circuits sneller debuggen en de tijd verkorten die nodig is om nieuwe hardware te ontwikkelen.
Het herprogrammeren van ROM's met ultraviolet licht was een belangrijke doorbraak, maar het idee van elektrisch herschrijven hing al in de lucht.
elektrisch verwijderbaar programmeerbaar leesbaar geheugen
In 1972 introduceerden drie Japanners: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi en Kiyoko Nagai het eerste elektrisch wisbare alleen-lezen geheugen (EEPROM of E2PROM). Later zal hun wetenschappelijk onderzoek onderdeel worden van patenten voor commerciële implementaties van EEPROM-geheugen.
Elke EEPROM-geheugencel bestaat uit verschillende transistors:
- zwevende poorttransistor voor bitopslag;
- transistor voor het regelen van de lees-schrijfmodus.
Dit ontwerp bemoeilijkt de bedrading van het elektrische circuit enorm, dus werd EEPROM-geheugen gebruikt in gevallen waarin een kleine hoeveelheid geheugen niet kritisch was. EPROM werd nog steeds gebruikt om grote hoeveelheden gegevens op te slaan.
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 heette NOR Flash-geheugen en is, net als zijn voorgangers, gebaseerd op MOSFET's met zwevende poort.
NOR-flashgeheugen is een tweedimensionale reeks transistors. De poorten van de transistors zijn verbonden met de woordlijn en de drains zijn verbonden met de bitlijn. Wanneer er spanning wordt aangelegd op de woordlijn, zullen transistors die elektronen bevatten, dat wil zeggen "één" opslaan, niet openen en zal er geen stroom vloeien. Op basis van de aan- of afwezigheid van stroom op de bitlijn wordt een conclusie getrokken over de waarde van de bit.
Zeven jaar later ontwikkelde Fujio Masuoka NAND Flash-geheugen. Dit type geheugen verschilt in het aantal transistors op de bitlijn. In het NOR-geheugen is elke transistor rechtstreeks verbonden met een bitlijn, terwijl in het NAND-geheugen de transistors in serie zijn geschakeld.
Het lezen uit het geheugen van deze configuratie is moeilijker: de spanning die nodig is voor het lezen wordt toegepast op de noodzakelijke lijn van het woord, en er wordt spanning toegepast op alle andere lijnen van het woord, waardoor de transistor wordt geopend, ongeacht het ladingsniveau daarin. Omdat alle andere transistors gegarandeerd open zijn, hangt de aanwezigheid van spanning op de bitlijn slechts af van één transistor, waarop de leesspanning wordt toegepast.
De uitvinding van NAND Flash-geheugen maakt het mogelijk om het circuit aanzienlijk te comprimeren, waardoor meer geheugen in dezelfde grootte wordt geplaatst. Tot 2007 werd de geheugencapaciteit vergroot door het productieproces van de chip te verkorten.
In 2007 introduceerde Toshiba een nieuwe versie van NAND-geheugen: Verticale NAND (V-NAND), ook gekend als 3D NAND. Deze technologie legt de nadruk op het plaatsen van transistors in meerdere lagen, wat opnieuw een dichtere circuits en een grotere geheugencapaciteit mogelijk maakt. Circuitverdichting kan echter niet voor onbepaalde tijd worden herhaald, dus zijn er andere methoden onderzocht om de opslagcapaciteit te vergroten.
Aanvankelijk bewaarde elke transistor twee ladingsniveaus: logische nul en logische één. Deze aanpak heet Cel op één niveau (SLC). Schijven met deze technologie zijn zeer betrouwbaar en hebben een maximaal aantal herschrijfcycli.
Na verloop van tijd werd besloten om de opslagcapaciteit te vergroten ten koste van de slijtvastheid. Het aantal ladingsniveaus in een cel is dus maximaal vier, en de technologie werd genoemd Cel op meerdere niveaus (MLC). Het volgende kwam Drievoudige cel (TLC) и Cel op vier niveaus (QLC). Er zal in de toekomst een nieuw niveau zijn - Penta-niveau cel (PLC) met vijf bits per cel. Hoe meer bits er in één cel passen, hoe groter de opslagcapaciteit tegen dezelfde kosten, maar hoe minder slijtvastheid.
Verdichting van het circuit door het technische proces te verminderen en het aantal bits in één transistor te vergroten, heeft een negatieve invloed op de opgeslagen gegevens. Ondanks het feit dat EPROM en EEPROM dezelfde transistors gebruiken, kunnen EPROM en EEPROM gegevens tien jaar lang zonder stroom opslaan, terwijl modern Flash-geheugen na een jaar alles kan 'vergeten'.
Het gebruik van Flash-geheugen in de ruimtevaartindustrie is lastig omdat straling een schadelijk effect heeft op de elektronen in de zwevende poorten.
Deze problemen verhinderen dat Flash-geheugen de onbetwiste leider op het gebied van informatieopslag wordt. Ondanks het feit dat schijven op basis van Flash-geheugen wijdverspreid zijn, wordt er onderzoek gedaan naar andere soorten geheugen die deze nadelen niet hebben, waaronder het opslaan van informatie in magnetische momenten en fasetoestanden.
Magnetoresistief geheugen
Het coderen van informatie met magnetische momenten verscheen in 1955 in de vorm van geheugen op magnetische kernen. Tot halverwege de jaren zeventig was ferrietgeheugen het belangrijkste type geheugen. Het lezen van een stukje uit dit type geheugen leidde tot demagnetisering van de ring en verlies van informatie. Na een stukje gelezen te hebben, moest het dus teruggeschreven worden.
In moderne ontwikkelingen van magnetoresistief geheugen worden in plaats van ringen twee lagen van een ferromagneet gebruikt, gescheiden door een diëlektricum. Eén laag is een permanente magneet en de tweede verandert de magnetisatierichting. Een stukje uit zo’n cel aflezen komt neer op het meten van de weerstand bij het doorlaten van stroom: als de lagen in tegengestelde richtingen gemagnetiseerd zijn, dan is de weerstand groter en deze komt overeen met de waarde “1”.
Ferrietgeheugen vereist geen constante stroombron om de geregistreerde informatie te behouden, maar het magnetische veld van de cel kan de “buurman” beïnvloeden, wat een beperking oplegt aan de circuitverdichting.
Volgens SSD-schijven op basis van Flash-geheugen zonder stroom moeten bij een omgevingstemperatuur van 40°C informatie minimaal drie maanden bewaren. Ontworpen door Intel belooft gegevens tien jaar lang op te slaan bij 200°C.
Ondanks de complexiteit van de ontwikkeling verslechtert het magnetoresistieve geheugen niet tijdens gebruik en presteert het de beste van andere soorten geheugen, waardoor dit type geheugen niet kan worden afgeschreven.
Faseveranderingsgeheugen
Het derde veelbelovende type geheugen is geheugen gebaseerd op faseverandering. Dit type geheugen gebruikt de eigenschappen van chalcogeniden om bij verhitting te schakelen tussen kristallijne en amorfe toestanden.
Chalcogeniden — binaire verbindingen van metalen met de 16e groep (6e groep van de hoofdsubgroep) van het periodiek systeem. CD-RW-, DVD-RW-, DVD-RAM- en Blu-ray-schijven gebruiken bijvoorbeeld germaniumtelluride (GeTe) en antimoon (III) telluride (Sb2Te3).
Onderzoek naar het gebruik van faseovergang voor informatieopslag werd uitgevoerd in Jaren 1960 jaar door Stanford Ovshinsky, maar toen kwam het niet tot commerciële implementatie. In de jaren 2000 was er hernieuwde belangstelling voor de technologie, patenteerde Samsung technologie die bit-switching in 5 ns mogelijk maakt, en Intel en STMicroelectronics verhoogden het aantal staten tot vier, waardoor de mogelijke capaciteit werd verdubbeld.
Bij verhitting boven het smeltpunt verliest chalcogenide zijn kristallijne structuur en verandert het bij afkoeling in een amorfe vorm die wordt gekenmerkt door een hoge elektrische weerstand. Wanneer het op zijn beurt wordt verwarmd tot een temperatuur boven het kristallisatiepunt, maar onder het smeltpunt, keert het chalcogenide terug naar een kristallijne toestand met een laag weerstandsniveau.
Faseveranderingsgeheugen hoeft in de loop van de tijd niet te worden “opgeladen” en is ook niet gevoelig voor straling, in tegenstelling tot elektrisch geladen geheugen. Dit type geheugen kan informatie 300 jaar vasthouden bij een temperatuur van 85°C.
Er wordt aangenomen dat de ontwikkeling van Intel-technologie 3D kruispunt (3D XPoint) Het maakt gebruik van faseovergangen om informatie op te slaan. 3D XPoint wordt gebruikt in Intel® Optane™-geheugenschijven, waarvan wordt beweerd dat ze een groter uithoudingsvermogen hebben.
Conclusie
Het fysieke ontwerp van solid-state drives heeft in de ruim een halve eeuw geschiedenis veel veranderingen ondergaan, maar elk van deze oplossingen heeft zijn nadelen. Ondanks de onmiskenbare populariteit van Flash-geheugen onderzoeken verschillende bedrijven, waaronder Samsung en Intel, de mogelijkheid om geheugen te creëren op basis van magnetische momenten.
Het verminderen van celslijtage, het compacter maken ervan en het vergroten van de algehele capaciteit van de schijf zijn momenteel veelbelovende gebieden voor de verdere ontwikkeling van solid-state drives.
U kunt nu de coolste NAND- en 3D XPoint-schijven van dit moment testen in onze .
Denkt u dat technologieën voor het opslaan van informatie over elektrische ladingen zullen worden vervangen door andere, bijvoorbeeld kwartsschijven of optisch geheugen op zoute nanokristallen?
Bron: www.habr.com