Poprzednie części cyklu „Wprowadzenie do SSD” opowiedziały czytelnikowi o historii powstawania dysków SSD, interfejsach komunikacyjnych oraz popularnych formatach. Czwarta część opowie o przechowywaniu danych wewnątrz dysków.
W poprzednich artykułach cyklu:
Przechowywanie danych w dyskach półprzewodnikowych można podzielić na dwie logiczne części: przechowywanie informacji w jednej komórce oraz organizacja przechowywania komórek.
Każda komórka dysku półprzewodnikowego przechowuje jeden lub kilka bitów informacji. Do przechowywania informacji wykorzystywane są różne procesy fizyczne. Podczas projektowania dysków półprzewodnikowych brano pod uwagę następujące wielkości fizyczne do kodowania informacji:
- ładunki elektryczne (w tym pamięć Flash);
- momenty magnetyczne (pamięć magnetorezystywna);
- stany fazowe (pamięć zmieniająca stan fazowy).
Pamięć oparta na ładunkach elektrycznych
Kodowanie informacji za pomocą naładowania ujemnego leży u podstaw kilku rozwiązań:
- erasowalnych ultrafioletowo EEPROM (EPROM);
- elektrycznie kasowalnych EEPROM (EEPROM);
- pamięci Flash.
Każda komórka pamięci to wielokanałowy tranzystor MOSFET z pływającą bramką, w którym przechowywany jest ładunek ujemny. Jego różnica względem zwykłego tranzystora MOSFET polega na obecności pływającej bramki — przewodnika w warstwie dielektryka.
Tworząc różnicę potencjałów między drenem a źródłem oraz mając dodatni potencjał na bramce, od źródła do drenu popłynie prąd. Jednak przy odpowiednio dużej różnicy potencjałów niektóre elektrony „przebijają” warstwę dielektryka i trafiają na pływającą bramkę. To zjawisko nazywa się .
Ujemnie naładowana pływająca bramka tworzy pole elektryczne, które utrudnia przepływ prądu od źródła do drenu. Co więcej, obecność elektronów w pływającej bramce zwiększa napięcie progowe, przy którym tranzystor się otwiera. Przy każdej „operacji zapisu” w pływającą bramkę tranzystora warstwa dielektryka jest nieznacznie uszkadzana, co narzuca ograniczenie na liczbę cykli zapisów każdej komórki.
Polowe tranzystory MOSFET z pływającym bramką zostały opracowane przez Dawona Kahnga i Simona Mina Zię z Bell Labs w 1967 roku. Później, podczas badania defektów w układach scalonych, zauważono, że z powodu ładunku w pływającej bramce zmienił się próg napięcia, które otwiera tranzystor. Odkrycie to skłoniło Dova Frohmana do rozpoczęcia prac nad pamięcią opartą na tym zjawisku.
Zmiana progu napięcia umożliwia "programowanie" tranzystorów. Tranzystory z ładunkiem w pływającej bramce nie otworzą się, gdy na bramkę nałożone zostanie napięcie wyższe od progu napięcia dla tranzystora bez elektronów, ale niższe od progu napięcia dla tranzystora z elektronami. Nazwijmy tę wartość napięciem odczytu.
Erasable Programmable Read-Only Memory
W 1971 roku pracownik firmy Intel, Dov Frohman, stworzył programowalną pamięć na tranzystorach, nazwaną Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Zapis pamięci realizowano za pomocą specjalnego urządzenia – programatora. Programator podaje na układ wyższe napięcie niż to stosowane w układach cyfrowych, tym samym "zapisując" elektrony w pływających bramkach tranzystorów tam, gdzie to konieczne.
W pamięci EPROM nie przewidywano usuwania ładunku w pływających bramkach tranzystorów w sposób elektryczny. Zamiast tego proponowano oddziaływanie na tranzystory silnym promieniowaniem ultrafioletowym, którego fotony dostarczają elektronowi energię niezbędną do opuszczenia pływającej bramki. Aby umożliwić dostęp ultrafioletu do wnętrza układu, na obudowę dodano szkło kwarcowe.
Frohman po raz pierwszy zaprezentował swój prototyp EPROM w lutym 1971 roku na konferencji dotyczącej układów półprzewodnikowych w Filadelfii. Gordon Moore wspominał demonstrację: „Dov zaprezentował układ bitów w komórkach pamięci EPROM. Gdy na komórki działało światło ultrafioletowe, bity znikały jeden po drugim, aż znany logo Intel całkowicie zniknęło. … Bity znikały, a kiedy ostatni zniknął, cała sala wybuchła brawami. Artykuł Dova został uznany za najlepszy na konferencji.” — Tłumaczenie artykułu
Pamięć EPROM jest droższa niż wcześniej stosowane "jednorazowe" urządzenia do przechowywania danych (ROM), jednak możliwość ich ponownego programowania pozwala na szybsze debugowanie układów i skrócenie czasu opracowywania nowego sprzętu.
Reprogramowanie ROM za pomocą światła ultrafioletowego było znaczącym przełomem, jednak pomysł dotyczący elektrycznego ponownego zapisu już "unosił się" w powietrzu.
Elektrycznie wymazywalna programowalna pamięć tylko do odczytu
W 1972 roku trzech Japończyków: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi i Kiyoko Nagai zaprezentowało pierwsze elektrycznie wymazywalne urządzenie pamięci (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM lub E2PROM). Ich badania stały się później częścią patentów na komercyjne realizacje pamięci EEPROM.
Każda komórka pamięci EEPROM składa się z kilku tranzystorów:
- tranzystora z pływającą bramką do przechowywania bitu;
- tranzystora do zarządzania trybem odczytu i zapisu.
Taka konstrukcja znacznie komplikuje układ elektryczny, dlatego pamięć EEPROM była używana w przypadkach, gdy niewielka ilość pamięci nie była krytyczna. Do przechowywania dużych ilości danych wciąż używano EPROM.
Pamięć Flash
Pamięć Flash, łącząca najlepsze cechy EPROM i EEPROM, została opracowana przez japońskiego profesora Fujio Masuokę, inżyniera firmy Toshiba, w 1980 roku. Pierwsza wersja została nazwana pamięcią Flash typu NOR i, podobnie jak jej poprzednicy, opiera się na polowych tranzystorach MOSFET z pływającą bramką.
Pamięć Flash typu NOR to dwuwymiarowa matryca tranzystorów. Bramki tranzystorów są podłączone do linii słów, a kolektory - do linii bitów. Gdy napięcie jest podawane na linię słów, tranzystory zawierające elektrony, czyli przechowujące "jeden", się nie otwierają, a prąd nie płynie. Na podstawie obecności lub braku prądu na linii bitu można określić wartość bitu.
Siedem lat później Fujio Masuoka opracował pamięć Flash typu NAND. Ten rodzaj pamięci różni się ilością tranzystorów w linii bitów. W pamięci typu NOR każdy tranzystor jest bezpośrednio podłączony do linii bitów, podczas gdy w pamięci NAND tranzystory są połączone szeregowo.
Odczyt z pamięci takiej konfiguracji jest trudniejszy: na odpowiednią linię słowa dostarczane jest napięcie niezbędne do odczytu, a na wszystkie pozostałe linie słowa dostarczane jest napięcie, które otwiera tranzystor niezależnie od poziomu ładunku w nim. Ponieważ wszystkie inne tranzystory są gwarantowanie otwarte, to obecność napięcia na linii bitowej zależy tylko od jednego tranzystora, na które podano napięcie odczytu.
Wynalazek pamięci Flash typu NAND pozwala znacznie zagęścić schemat, umieszczając większą objętość pamięci w tych samych rozmiarach. Do 2007 roku objętość pamięci zwiększano poprzez zmniejszenie procesu technologicznego produkcji chipów.
W 2007 roku firma Toshiba zaprezentowała nową wersję pamięci NAND: Vertical NAND (V-NAND), znaną również jako 3D NAND. W tej technologii skupiono się na umieszczeniu tranzystorów w kilku warstwach, co ponownie pozwala na zagęszczenie schematu i zwiększenie objętości pamięci. Niemniej jednak, zagęszczenie schematu nie może następować w nieskończoność, dlatego badano inne metody zwiększenia przechowywanej objętości pamięci.
Początkowo każdy tranzystor przechowywał dwa poziomy ładunku: logiczne zero i logiczną jedynkę. Takie podejście nazywa się Single-Level Cell (SLC). Nośniki z tą technologią charakteryzują się wysoką niezawodnością i maksymalną liczbą cykli zapisu.
Z czasem podjęto decyzję o zwiększeniu objętości nośników kosztem wytrzymałości. Tak liczba poziomów ładunku w komórce wzrosła do czterech, a technologię nazwano Multi-Level Cell (MLC). Następnie pojawiły się Triple-Level Cell (TLC) i Quad-Level Cell (QLC). W przyszłości pojawi się nowy poziom — Penta-Level Cell (PLC) z pięcioma bitami w jednej komórce. Im więcej bitów jest umieszczonych w jednej komórce, tym większa objętość nośnika przy tej samej cenie, ale mniejsza wytrzymałość.
Zagęszczenie schematu poprzez zmniejszenie procesu technologicznego i zwiększenie liczby bitów w jednym tranzystorze negatywnie wpływa na przechowywane dane. Mimo że w EPROM i EEPROM używane są te same tranzystory, EPROM i EEPROM mogą przechowywać dane bez zasilania przez dziesięć lat, podczas gdy nowoczesna pamięć Flash może wszystko "zapomnieć" już po roku.
Wykorzystanie pamięci Flash w przemyśle kosmicznym jest utrudnione, ponieważ promieniowanie ma szkodliwy wpływ na elektrony w pływających bramkach.
Wymienione problemy uniemożliwiają pamięci flash zdobycie absolutnego prowadzenia w zakresie przechowywania informacji. Mimo że nośniki oparte na pamięci flash są szeroko rozpowszechnione, prowadzone są badania nad innymi rodzajami pamięci, które nie mają tych wad, w tym nad przechowywaniem informacji w momentach magnetycznych i stanach fazowych.
Pamięć magnetorezystywna
Kodowanie informacji w momentach magnetycznych pojawiło się w 1955 roku w postaci pamięci na rdzeniach magnetycznych. Do połowy lat 70. XX wieku pamięć ferrytowa była głównym rodzajem pamięci. Odczyt bitu z takiego typu pamięci prowadził do rozmagnesowania rdzenia i utraty informacji. W związku z tym po odczycie bitu należało go ponownie zapisać.
W nowoczesnych rozwinięciach pamięci magnetorezystywnej zamiast rdzeni używane są dwie warstwy ferromagnetyka, oddzielone dielektrykiem. Jedna warstwa jest stałym magnesem, a druga zmienia kierunek namagnesowania. Odczyt bitu z takiej komórki sprowadza się do pomiaru oporu podczas przepuszczania prądu: jeśli warstwy są namagnesowane w przeciwnych kierunkach, to opór jest większy, co odpowiada wartości „1”.
Pamięć ferrytowa nie wymaga stałego źródła zasilania do utrzymania zapisanych informacji, jednak pole magnetyczne komórki może wpływać na 'sąsiada', co nakłada ograniczenia na gęstość układu.
Zgodnie z Dyski SSD oparte na pamięci flash muszą przechowywać informacje bez zasilania przez co najmniej trzy miesiące w temperaturze otoczenia 40°C. Opracowany przez Intel obiecuje zachować dane przez dziesięć lat w temperaturze 200°C.
Mimo trudności w rozwoju, pamięć magnetorezystywna nie degraduje się w trakcie użytkowania i charakteryzuje się lepszą wydajnością w porównaniu do innych rodzajów pamięci, co sprawia, że nie można skreślić tego typu pamięci.
Pamięć zmieniająca stan fazowy
Trzeci obiecujący typ pamięci — pamięć oparta na przejściu fazowym. Ten rodzaj pamięci wykorzystuje właściwości chalcogenków do przełączania się między stanem krystalicznym a amorficznym pod wpływem ciepła.
Chalcogenki — połączenia metali z grupy 16 (6. grupy podgrupy głównej) okresu układu okresowego Mendelejewa. Na przykład, w dyskach CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM i Blu-ray używa się tellurku germanowego (GeTe) i tellurku antymonu (III) (Sb2Te3).
Badania nad zastosowaniem przejścia fazowego do przechowywania informacji były prowadzone w latach 60-tych XX wieku przez Stanforda Ovshinsky'ego, ale wtedy nie doszło do komercyjnej realizacji. W latach 2000 znowu wzrosło zainteresowanie tą technologią, Samsung opatentował technologię umożliwiającą przełączanie bitu w czasie 5 ns, a Intel i STMicroelectronics zwiększyli liczbę stanów do czterech, tym samym podwajając potencjalną pojemność.
Podgrzewanie powyżej punktu topnienia powoduje, że chalcogenid traci strukturę krystaliczną i, chłodząc się, zamienia się w formę amorficzną, charakteryzującą się wysokim oporem elektrycznym. Natomiast przy ogrzewaniu do temperatury powyżej punktu krystalizacji, ale poniżej punktu topnienia, chalcogenid powraca do stanu krystalicznego o niskim poziomie oporu.
Pamięć z przejściem fazowym nie wymaga 'doładowania' w czasie, a także nie jest wrażliwa na promieniowanie, w przeciwieństwie do pamięci opartej na ładunkach elektrycznych. Tego typu pamięć może przechowywać informacje przez 300 lat w temperaturze 85°C.
Uważa się, że opracowanie firmy Intel, technologia 3D Crosspoint (3D XPoint) używa właśnie przejść fazowych do przechowywania informacji. 3D XPoint jest stosowane w pamięciach Intel® Optane™ Memory, dla których zadeklarowano dużą odporność na zużycie.
Podsumowanie
Fizyczne urządzenie dysków półprzewodnikowych przeszło wiele zmian przez ponad półwieczną historię, jednak każde z rozwiązań ma swoje wady. Pomimo niezaprzeczalnej popularności pamięci Flash, kilka firm, w tym Samsung i Intel, bada możliwości stworzenia pamięci na zasadzie momentów magnetycznych.
Zmniejszenie zużycia komórek, ich zagęszczenie oraz zwiększenie ogólnej pojemności nośnika — to kierunki, które obecnie są obiecujące dla dalszego rozwoju dysków półprzewodnikowych.
Możesz już teraz przetestować najnowocześniejsze nośniki NAND i 3D XPoint w naszym .
Jak myślisz, czy technologia przechowywania informacji na ładunkach elektrycznych zostanie wyparta przez inne, na przykład przez dyski kwarcowe lub pamięć optyczną na nanokrystalach soli?
Źródło: habr.com
