Poprzednie części serii „Wprowadzenie do dysków SSD” przybliżyły czytelnikowi historię pojawienia się dysków SSD, interfejsy do interakcji z nimi oraz popularne formy. W czwartej części omówione zostanie przechowywanie danych na dyskach.
W poprzednich artykułach z serii:
Przechowywanie danych na dyskach półprzewodnikowych można podzielić na dwie logiczne części: przechowywanie informacji w pojedynczej komórce i organizowanie przechowywania w komórce.
Każda komórka dysku SSD przechowuje dane jeden lub więcej fragmentów informacji. Do przechowywania informacji wykorzystywane są różne rodzaje informacji. procesy fizyczne. Podczas opracowywania dysków półprzewodnikowych do kodowania informacji wzięto pod uwagę następujące wielkości fizyczne:
- ładunki elektryczne (w tym pamięć Flash);
- momenty magnetyczne (pamięć magnetorezystancyjna);
- stany fazowe (pamięć ze zmianą stanu fazowego).
Pamięć oparta na ładunkach elektrycznych
Kodowanie informacji przy użyciu ładunku ujemnego leży u podstaw kilku rozwiązań:
- ROM kasowalny w ultrafiolecie (EPROM);
- ROM kasowalna elektrycznie (EEPROM);
- Pamięć flash.
Każda komórka pamięci jest pływająca bramka MOSFET, który przechowuje ładunek ujemny. Różni się od konwencjonalnego tranzystora MOS obecnością pływającej bramki - przewodnika w warstwie dielektrycznej.
Kiedy między drenem a źródłem powstaje różnica potencjałów, a na bramce występuje dodatni potencjał, prąd będzie płynął od źródła do drenu. Jeśli jednak różnica potencjałów jest wystarczająco duża, część elektronów „przebija się” przez warstwę dielektryka i trafia do bramki pływającej. Zjawisko to nazywa się .
Ujemnie naładowana bramka pływająca wytwarza pole elektryczne, które zapobiega przepływowi prądu ze źródła do drenu. Ponadto obecność elektronów w bramce pływającej zwiększa napięcie progowe, przy którym tranzystor się włącza. Przy każdym „zapisie” do pływającej bramki tranzystora warstwa dielektryczna ulega lekkiemu uszkodzeniu, co narzuca ograniczenie liczby cykli ponownego zapisu każdego ogniwa.
Tranzystory MOSFET z bramką pływającą zostały opracowane przez Dawona Kahnga i Simona Min Sze w Bell Labs w 1967 roku. Później, badając wady układów scalonych, zauważono, że pod wpływem ładunku w bramce pływającej zmieniło się napięcie progowe otwierające tranzystor. Odkrycie to skłoniło Dova Frohmana do rozpoczęcia pracy nad pamięcią opartą na tym zjawisku.
Zmiana napięcia progowego pozwala „zaprogramować” tranzystory. Tranzystory z bramką pływającą nie włączą się, gdy napięcie bramki będzie większe niż napięcie progowe dla tranzystora bez elektronów, ale mniejsze niż napięcie progowe dla tranzystora z elektronami. Nazwijmy tę wartość odczyt napięcia.
Wymazywalna programowalna pamięć tylko do odczytu
W 1971 roku pracownik Intela Dov Frohman stworzył tranzystorową pamięć wielokrotnego zapisu zwaną Wymazywalna programowalna pamięć tylko do odczytu (EPROM). Zapis do pamięci odbywał się za pomocą specjalnego urządzenia – programatora. Programista przykłada do chipa wyższe napięcie niż jest to stosowane w obwodach cyfrowych, „zapisując” w ten sposób elektrony do pływających bramek tranzystorów, tam gdzie to konieczne.
Pamięć EPROM nie była przeznaczona do elektrycznego czyszczenia bramek pływających tranzystorów. Zamiast tego zaproponowano wystawienie tranzystorów na działanie silnego światła ultrafioletowego, którego fotony zapewniłyby elektronom energię potrzebną do ucieczki przez pływającą bramkę. Aby światło ultrafioletowe mogło wniknąć głęboko w chip, do obudowy dodano szkło kwarcowe.
Froman po raz pierwszy zaprezentował swój prototyp EPROM w lutym 1971 roku na konferencji dotyczącej półprzewodnikowych układów scalonych w Filadelfii. Gordon Moore tak wspomina demonstrację: „Dov zademonstrował wzór bitowy w komórkach pamięci EPROM. Kiedy ogniwa wystawiono na działanie światła ultrafioletowego, bity znikały jeden po drugim, aż do całkowitego usunięcia nieznanego logo Intela. … Takty zniknęły, a kiedy zniknęło ostatnie, cała publiczność wybuchła brawami. Artykuł Dova został uznany na konferencji za najlepszy.” — Tłumaczenie artykułu
Pamięć EPROM jest droższa niż dotychczas używane „jednorazowe” urządzenia pamięci tylko do odczytu (ROM), ale możliwość przeprogramowania pozwala na szybsze debugowanie obwodów i skrócenie czasu potrzebnego na opracowanie nowego sprzętu.
Przeprogramowanie ROMów za pomocą światła ultrafioletowego było znaczącym przełomem, jednak pomysł przepisania elektrycznego wisiał już w powietrzu.
elektrycznie kasowana programowalna pamięć tylko do odczytu
W 1972 roku trzech Japończyków: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi i Kiyoko Nagai wprowadziło pierwszą elektrycznie kasowalną pamięć tylko do odczytu (EEPROM lub E2PROM). Później ich badania naukowe staną się częścią patentów na komercyjne wdrożenia pamięci EEPROM.
Każda komórka pamięci EEPROM składa się z kilku tranzystorów:
- tranzystor z bramką pływającą do przechowywania bitów;
- tranzystor do sterowania trybem odczytu i zapisu.
Taka konstrukcja znacznie komplikuje okablowanie obwodu elektrycznego, dlatego pamięć EEPROM została zastosowana w przypadkach, gdy niewielka ilość pamięci nie była krytyczna. EPROM był nadal używany do przechowywania dużych ilości danych.
Pamięć flash
Pamięć flash, łącząca najlepsze cechy EPROM i EEPROM, została opracowana przez japońskiego profesora Fujio Masuokę, inżyniera w firmie Toshiba, w 1980 roku. Pierwsze rozwiązanie nosiło nazwę pamięci NOR Flash i, podobnie jak jego poprzednicy, opiera się na tranzystorach MOSFET z ruchomą bramką.
Pamięć flash NOR to dwuwymiarowy układ tranzystorów. Bramki tranzystorów są podłączone do linii słów, a dreny do linii bitów. Po przyłożeniu napięcia do linii słowa tranzystory zawierające elektrony, czyli przechowujące „jeden”, nie otworzą się i prąd nie będzie płynął. Na podstawie obecności lub braku prądu na linii bitowej wyciąga się wniosek na temat wartości bitu.
Siedem lat później Fujio Masuoka opracował pamięć NAND Flash. Ten typ pamięci różni się liczbą tranzystorów na linii bitowej. W pamięci NOR każdy tranzystor jest bezpośrednio podłączony do linii bitowej, natomiast w pamięci NAND tranzystory są połączone szeregowo.
Odczyt z pamięci tej konfiguracji jest trudniejszy: napięcie niezbędne do odczytu jest przykładane do niezbędnej linii słowa, a napięcie jest przykładane do wszystkich pozostałych linii słowa, co otwiera tranzystor niezależnie od poziomu naładowania. Ponieważ wszystkie pozostałe tranzystory są otwarte, obecność napięcia na linii bitowej zależy tylko od jednego tranzystora, do którego przyłożone jest odczytane napięcie.
Wynalezienie pamięci NAND Flash umożliwia znaczną kompresję obwodu, umieszczając więcej pamięci w tym samym rozmiarze. Do 2007 roku zwiększano pojemność pamięci poprzez skrócenie procesu produkcyjnego chipa.
W 2007 roku Toshiba wprowadziła nową wersję pamięci NAND: Pionowy NAND (V-NAND), znany również jako 3D NAND. Technologia ta kładzie nacisk na umieszczenie tranzystorów w wielu warstwach, co ponownie pozwala na gęstsze obwody i większą pojemność pamięci. Jednak zagęszczania obwodu nie można powtarzać w nieskończoność, dlatego zbadano inne metody zwiększenia pojemności pamięci.
Początkowo każdy tranzystor zapamiętywał dwa poziomy naładowania: logiczne zero i logiczną jedynkę. To podejście nazywa się Komórka jednopoziomowa (SLC). Dyski wyposażone w tę technologię są wysoce niezawodne i charakteryzują się maksymalną liczbą cykli ponownego zapisu.
Z biegiem czasu zdecydowano się zwiększyć pojemność magazynowania kosztem odporności na zużycie. Zatem liczba poziomów naładowania w ogniwie dochodzi do czterech i tę technologię nazwano Komórka wielopoziomowa (MLC). Następny przyszedł Komórka potrójnego poziomu (TLC) и Komórka czteropoziomowa (QLC). W przyszłości pojawi się nowy poziom - Komórka pięciopoziomowa (PLC) z pięcioma bitami na komórkę. Im więcej bitów mieści się w jednym ogniwie, tym większa jest pojemność przechowywania przy tym samym koszcie, ale mniejsza odporność na zużycie.
Zagęszczenie obwodu poprzez ograniczenie procesu technicznego i zwiększenie liczby bitów w jednym tranzystorze niekorzystnie wpływa na przechowywane dane. Pomimo tego, że EPROM i EEPROM wykorzystują te same tranzystory, EPROM i EEPROM mogą przechowywać dane bez zasilania przez dziesięć lat, podczas gdy nowoczesna pamięć Flash może „zapomnieć” wszystko po roku.
Zastosowanie pamięci Flash w przemyśle kosmicznym jest trudne, ponieważ promieniowanie ma szkodliwy wpływ na elektrony w bramkach pływających.
Problemy te sprawiają, że pamięć Flash nie może stać się niekwestionowanym liderem w dziedzinie przechowywania informacji. Pomimo tego, że dyski oparte na pamięci Flash są powszechne, trwają badania nad innymi rodzajami pamięci, które nie mają tych wad, m.in. przechowują informacje w momentach magnetycznych i stanach fazowych.
Pamięć magnetorezystancyjna
Kodowanie informacji za pomocą momentów magnetycznych pojawiło się w 1955 roku w postaci pamięci na rdzeniach magnetycznych. Do połowy lat 1970. XX wieku głównym rodzajem pamięci była pamięć ferrytowa. Odczytanie kawałka z tego typu pamięci doprowadziło do rozmagnesowania pierścienia i utraty informacji. Dlatego po krótkim przeczytaniu trzeba było to napisać ponownie.
We współczesnych rozwiązaniach pamięci magnetorezystancyjnej zamiast pierścieni stosuje się dwie warstwy ferromagnesu oddzielone dielektrykiem. Jedna warstwa to magnes trwały, a druga zmienia kierunek namagnesowania. Odczytanie kawałka z takiego ogniwa sprowadza się do pomiaru rezystancji podczas przepływu prądu: jeśli warstwy są namagnesowane w przeciwnych kierunkach, to rezystancja jest większa i jest to równoważne wartości „1”.
Pamięć ferrytowa nie wymaga stałego źródła zasilania do podtrzymania zapisanych informacji, jednakże pole magnetyczne ogniwa może oddziaływać na „sąsiada”, co narzuca ograniczenie zagęszczenia obwodu.
Według Dyski SSD oparte na pamięci Flash bez zasilania muszą przechowywać informacje przez co najmniej trzy miesiące w temperaturze otoczenia 40°C. Zaprojektowany przez firmę Intel obiecuje przechowywać dane przez dziesięć lat w temperaturze 200°C.
Pomimo złożoności rozwoju pamięć magnetorezystancyjna nie ulega degradacji podczas użytkowania i ma najlepszą wydajność wśród innych typów pamięci, co nie pozwala na spisanie tego typu pamięci.
Pamięć zmiany fazy
Trzecim obiecującym typem pamięci jest pamięć oparta na zmianie fazy. Ten typ pamięci wykorzystuje właściwości chalkogenków do przełączania stanu krystalicznego i amorficznego po podgrzaniu.
Chalkogenki — binarne związki metali z 16. grupą (6. grupą podgrupy głównej) układu okresowego. Na przykład dyski CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM i Blu-ray wykorzystują tellurek germanu (GeTe) i tellurek antymonu(III) (Sb2Te3).
Badania nad wykorzystaniem przejścia fazowego do przechowywania informacji przeprowadzono w 1960s rok przez Stanforda Ovshinsky'ego, ale wtedy nie doszło do komercyjnego wdrożenia. W pierwszej dekadzie XXI wieku ponownie wzrosło zainteresowanie tą technologią, Samsung opatentował technologię umożliwiającą przełączanie bitów w czasie 2000 ns, a Intel i STMicroelectronics zwiększyły liczbę stanów do czterech, podwajając w ten sposób możliwą pojemność.
Chalkogenek po podgrzaniu powyżej temperatury topnienia traci swoją strukturę krystaliczną, a po ochłodzeniu przechodzi w postać amorficzną charakteryzującą się dużą rezystancją elektryczną. Z kolei po podgrzaniu do temperatury powyżej temperatury krystalizacji, ale poniżej temperatury topnienia, chalkogenek powraca do stanu krystalicznego o niskim poziomie oporu.
Pamięć zmiany fazy nie wymaga „ładowania” z biegiem czasu, a także nie jest podatna na promieniowanie, w przeciwieństwie do pamięci naładowanej elektrycznie. Ten typ pamięci może przechowywać informacje przez 300 lat w temperaturze 85°C.
Uważa się, że rozwój technologii Intel Punkt przecięcia 3D (punkt 3D XPoint) Wykorzystuje przejścia fazowe do przechowywania informacji. 3D XPoint jest używany w dyskach pamięci Intel® Optane™, które mają zapewniać większą wytrzymałość.
wniosek
Fizyczna konstrukcja dysków półprzewodnikowych na przestrzeni ponad pół wieku historii ulegała wielu zmianom, jednak każde z rozwiązań ma swoje wady. Pomimo niezaprzeczalnej popularności pamięci Flash, kilka firm, w tym Samsung i Intel, bada możliwość tworzenia pamięci w oparciu o momenty magnetyczne.
Zmniejszenie zużycia ogniw, ich zagęszczenie i zwiększenie całkowitej pojemności dysku to obszary obecnie obiecujące dla dalszego rozwoju dysków półprzewodnikowych.
Już teraz możesz przetestować najfajniejsze dyski NAND i 3D XPoint w naszym serwisie .
Czy sądzi Pan, że technologie przechowywania informacji o ładunkach elektrycznych zostaną zastąpione innymi, np. dyskami kwarcowymi czy pamięcią optyczną na nanokryształach soli?
Źródło: www.habr.com