Tidligere deler av serien "Introduksjon til SSD" fortalte leseren om historien til fremveksten av SSD-stasjoner, grensesnitt for samhandling med dem og populære formfaktorer. Den fjerde delen vil snakke om lagring av data inne i stasjoner.
I tidligere artikler i serien:
Datalagring i solid-state-stasjoner kan deles inn i to logiske deler: lagring av informasjon i en enkelt celle og organisering av cellelagring.
Hver celle i en solid state-stasjon lagrer en eller flere informasjonsbiter. Ulike typer informasjon brukes til å lagre informasjon. fysiske prosesser. Ved utvikling av solid-state-stasjoner ble følgende fysiske størrelser vurdert for kodingsinformasjon:
- elektriske ladninger (inkludert Flash-minne);
- magnetiske øyeblikk (magnetoresistivt minne);
- fasetilstander (minne med endring i fasetilstand).
Minne basert på elektriske ladninger
Koding av informasjon ved hjelp av en negativ ladning ligger til grunn for flere løsninger:
- ultrafiolett slettbar ROM (EPROM);
- elektrisk slettbar ROM (EEPROM);
- Flashminne.
Hver minnecelle er flytende port MOSFET, som lagrer en negativ ladning. Forskjellen fra en konvensjonell MOS-transistor er tilstedeværelsen av en flytende port - en leder i det dielektriske laget.
Når det skapes en potensialforskjell mellom avløpet og kilden og det er et positivt potensial ved porten, vil strøm flyte fra kilde til avløp. Men hvis det er en tilstrekkelig stor potensialforskjell, "bryter noen elektroner gjennom" det dielektriske laget og havner i den flytende porten. Dette fenomenet kalles .
En negativt ladet flytende port skaper et elektrisk felt som hindrer strøm i å flyte fra kilde til avløp. Dessuten øker tilstedeværelsen av elektroner i den flytende porten terskelspenningen som transistoren slås på. Med hver "skriving" til den flytende porten til transistoren, blir det dielektriske laget litt skadet, noe som setter en grense for antall omskrivingssykluser for hver celle.
MOSFET-er med flytende port ble utviklet av Dawon Kahng og Simon Min Sze ved Bell Labs i 1967. Senere, når man studerte defekter i integrerte kretser, ble det lagt merke til at på grunn av ladningen i den flytende porten, endret terskelspenningen som åpner transistoren. Denne oppdagelsen fikk Dov Frohman til å begynne å jobbe med minne basert på dette fenomenet.
Ved å endre terskelspenningen kan du "programmere" transistorene. Flytende gate-transistorer vil ikke slå seg på når gatespenningen er større enn terskelspenningen for en transistor uten elektroner, men mindre enn terskelspenningen for en transistor med elektroner. La oss kalle denne verdien lesespenning.
Slettbart programmerbart skrivebeskyttet minne
I 1971 opprettet Intel-ansatt Dov Frohman et transistorbasert overskrivbart minne kalt Slettbart programmerbart skrivebeskyttet minne (EPROM). Opptak i minnet ble utført ved hjelp av en spesiell enhet - en programmerer. Programmereren tilfører en høyere spenning til brikken enn det som brukes i digitale kretser, og "skriver" dermed elektroner til de flytende portene til transistorene der det er nødvendig.
EPROM-minne var ikke ment å rense de flytende portene til transistorer elektrisk. I stedet ble det foreslått å utsette transistorene for sterkt ultrafiolett lys, hvis fotoner ville gi elektronene den energien som trengs for å unnslippe den flytende porten. For å la ultrafiolett lys trenge dypt inn i brikken, ble det tilsatt kvartsglass til huset.
Froman presenterte først sin EPROM-prototype i februar 1971 på en solid-state IC-konferanse i Philadelphia. Gordon Moore husket demonstrasjonen: «Dov demonstrerte bitmønsteret i EPROM-minnecellene. Når cellene ble utsatt for ultrafiolett lys, forsvant bitene én etter én til den ukjente Intel-logoen ble fullstendig slettet. … Beatene forsvant, og da den siste forsvant, brøt hele publikum ut i applaus. Dovs artikkel ble anerkjent som den beste på konferansen.» — Oversettelse av artikkelen
EPROM-minne er dyrere enn tidligere brukte "engangs"-skriveminne (ROM), men muligheten til å omprogrammere lar deg feilsøke kretser raskere og redusere tiden det tar å utvikle ny maskinvare.
Omprogrammering av ROM-er med ultrafiolett lys var et betydelig gjennombrudd, men ideen om elektrisk omskriving var allerede i luften.
Elektrisk slettbart programmerbart skrivebeskyttet minne
I 1972 introduserte tre japanere: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi og Kiyoko Nagai det første elektrisk slettbare skrivebeskyttede minnet (EEPROM eller E2PROM). Senere vil deres vitenskapelige forskning bli en del av patenter for kommersielle implementeringer av EEPROM-minne.
Hver EEPROM-minnecelle består av flere transistorer:
- flytende porttransistor for bitlagring;
- transistor for å kontrollere lese-skrivemodus.
Denne designen kompliserer ledningene til den elektriske kretsen i stor grad, så EEPROM-minne ble brukt i tilfeller der en liten mengde minne ikke var kritisk. EPROM ble fortsatt brukt til å lagre store mengder data.
Flashminne
Flash-minne, som kombinerer de beste egenskapene til EPROM og EEPROM, ble utviklet av den japanske professoren Fujio Masuoka, en ingeniør ved Toshiba, i 1980. Den første utviklingen ble kalt NOR Flash-minne og er i likhet med sine forgjengere basert på MOSFET-er med flytende port.
NOR-flashminne er en todimensjonal rekke transistorer. Portene til transistorene er koblet til ordlinjen, og avløpene er koblet til bitlinjen. Når spenning påføres ordlinjen, vil ikke transistorer som inneholder elektroner, det vil si lagring av "en", åpne seg og strømmen vil ikke flyte. Basert på tilstedeværelse eller fravær av strøm på bitlinjen, trekkes en konklusjon om verdien av biten.
Syv år senere utviklet Fujio Masuoka NAND Flash-minne. Denne typen minne er forskjellig i antall transistorer på bitlinjen. I NOR-minne er hver transistor direkte koblet til en bitlinje, mens i NAND-minne er transistorene koblet i serie.
Å lese fra minnet til denne konfigurasjonen er vanskeligere: spenningen som er nødvendig for lesing, påføres den nødvendige linjen i ordet, og spenning påføres alle andre linjer i ordet, som åpner transistoren uavhengig av ladenivået i den. Siden alle andre transistorer er garantert åpne, avhenger tilstedeværelsen av spenning på bitlinjen bare av en transistor som lesespenningen påføres.
Oppfinnelsen av NAND Flash-minne gjør det mulig å komprimere kretsen betydelig, og plassere mer minne i samme størrelse. Fram til 2007 ble minnekapasiteten økt ved å redusere produksjonsprosessen til brikken.
I 2007 introduserte Toshiba en ny versjon av NAND-minne: Vertikal NAND (V-NAND), også kjent som 3D NAND. Denne teknologien legger vekt på å plassere transistorer i flere lag, noe som igjen gir tettere kretsløp og økt minnekapasitet. Kretskomprimering kan imidlertid ikke gjentas i det uendelige, så andre metoder har blitt utforsket for å øke lagringskapasiteten.
Opprinnelig lagret hver transistor to ladningsnivåer: logisk null og logisk en. Denne tilnærmingen kalles Enkeltnivåcelle (SLC). Stasjoner med denne teknologien er svært pålitelige og har et maksimalt antall omskrivingssykluser.
Over tid ble det besluttet å øke lagringskapasiteten på bekostning av slitestyrken. Så antallet ladenivåer i en celle er opptil fire, og teknologien ble kalt Multi-Level Cell (MLC). Neste kom Trippelnivåcelle (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). Det vil komme et nytt nivå i fremtiden - Penta-Level Cell (PLC) med fem bits per celle. Jo flere bits som passer inn i én celle, jo større lagringskapasitet til samme pris, men jo mindre slitestyrke.
Komprimering av kretsen ved å redusere den tekniske prosessen og øke antall biter i en transistor påvirker de lagrede dataene negativt. Til tross for at EPROM og EEPROM bruker samme transistorer, kan EPROM og EEPROM lagre data uten strøm i ti år, mens moderne Flash-minne kan "glemme" alt etter et år.
Bruken av Flash-minne i romindustrien er vanskelig fordi stråling har en skadelig effekt på elektronene i de flytende portene.
Disse problemene hindrer Flash-minne i å bli den ubestridte lederen innen informasjonslagring. Til tross for at stasjoner basert på Flash-minne er utbredt, pågår det forskning på andre typer minne som ikke har disse ulempene, inkludert lagring av informasjon i magnetiske momenter og fasetilstander.
Magnetoresistivt minne
Kodingsinformasjon med magnetiske momenter dukket opp i 1955 i form av minne på magnetiske kjerner. Fram til midten av 1970-tallet var ferrittminne hovedtypen minne. Å lese litt fra denne typen minne førte til avmagnetisering av ringen og tap av informasjon. Etter å ha lest litt måtte den altså skrives tilbake.
I moderne utviklinger av magnetoresistivt minne, i stedet for ringer, brukes to lag av en ferromagnet, atskilt med et dielektrikum. Det ene laget er en permanent magnet, og det andre endrer magnetiseringsretningen. Å lese litt fra en slik celle kommer ned til å måle motstanden når den passerer strøm: hvis lagene magnetiseres i motsatte retninger, er motstanden større og dette tilsvarer verdien "1".
Ferrittminne krever ikke en konstant strømkilde for å opprettholde den registrerte informasjonen, men magnetfeltet til cellen kan påvirke "naboen", noe som pålegger en begrensning på kretskomprimeringen.
Ifølge SSD-stasjoner basert på Flash-minne uten strøm må beholde informasjon i minst tre måneder ved en omgivelsestemperatur på 40°C. Designet av Intel lover å lagre data i ti år ved 200°C.
Til tross for kompleksiteten i utviklingen, forringes ikke magnetoresistivt minne under bruk og har den beste ytelsen blant andre typer minne, som ikke tillater at denne typen minne avskrives.
Faseendringsminne
Den tredje lovende typen minne er minne basert på faseendring. Denne typen minne bruker egenskapene til kalkogenider for å bytte mellom krystallinske og amorfe tilstander når de varmes opp.
Kalkogenider — binære forbindelser av metaller med den 16. gruppen (6. gruppe av hovedundergruppen) i det periodiske systemet. For eksempel bruker CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM og Blu-ray-plater germanium telluride (GeTe) og antimon(III) tellurid (Sb2Te3).
Forskning på bruk av faseovergang for informasjonslagring ble utført i 1960-tallet år av Stanford Ovshinsky, men så kom det ikke til kommersiell implementering. På 2000-tallet ble det fornyet interesse for teknologien, Samsung patenterte teknologi som tillater bitsvitsjing på 5 ns, og Intel og STMicroelectronics økte antall stater til fire, og doblet dermed den mulige kapasiteten.
Når det varmes opp over smeltepunktet, mister kalkogenid sin krystallinske struktur og blir ved avkjøling til en amorf form preget av høy elektrisk motstand. I sin tur, når det varmes opp til en temperatur over krystalliseringspunktet, men under smeltepunktet, går kalkogenidet tilbake til en krystallinsk tilstand med lavt motstandsnivå.
Faseendringsminne krever ikke "lading" over tid, og er heller ikke utsatt for stråling, i motsetning til elektrisk ladet minne. Denne typen minne kan lagre informasjon i 300 år ved en temperatur på 85°C.
Det antas at utviklingen av Intel-teknologi 3D Crosspoint (3D XPoint) Den bruker faseoverganger for å lagre informasjon. 3D XPoint brukes i Intel® Optane™ Memory-stasjoner, som hevdes å ha større utholdenhet.
Konklusjon
Den fysiske utformingen av solid-state-stasjoner har gjennomgått mange endringer over mer enn et halvt århundres historie, men hver av løsningene har sine ulemper. Til tross for den ubestridelige populariteten til Flash-minne, utforsker flere selskaper, inkludert Samsung og Intel, muligheten for å lage minne basert på magnetiske øyeblikk.
Å redusere celleslitasje, komprimere dem og øke den totale kapasiteten til stasjonen er områder som for tiden er lovende for videreutvikling av solid-state stasjoner.
Du kan teste dagens kuleste NAND- og 3D XPoint-stasjoner akkurat nå i vår .
Tror du at teknologier for lagring av informasjon om elektriske ladninger vil bli erstattet av andre, for eksempel kvartsskiver eller optisk minne på saltnanokrystaller?
Kilde: www.habr.com