As partes anteriores do ciclo "Introdução aos SSDs" contaram ao leitor sobre a história do surgimento dos SSDs, as interfaces de interação com eles e os formatos populares. A quarta parte falará sobre o armazenamento de dados dentro dos dispositivos.
Nos artigos anteriores do ciclo:
O armazenamento de dados em unidades de estado sólido pode ser dividido em duas partes lógicas: o armazenamento de informações em uma célula e a organização do armazenamento das células.
Cada célula de um SSD armazena um ou mais bits de informação. Para o armazenamento de informações, são utilizados diversos processos físicos. No desenvolvimento dos SSDs, foram analisadas as seguintes grandezas físicas para a codificação da informação:
- cargas elétricas (incluindo memória Flash);
- momentos magnéticos (memória magnética);
- estados de fase (memória com mudança de estado).
Memória baseada em cargas elétricas
A codificação de informações utilizando carga negativa está na base de várias soluções:
- PROMs apagáveis por ultravioleta (EPROM);
- PROMs eletricamente apagáveis (EEPROM);
- Memória Flash.
Cada célula de memória é um transistor MOSFET de efeito de campo com porta flutuante, onde a carga negativa é armazenada. Sua diferença em relação a um transistor MOSFET comum está na presença da porta flutuante — um condutor na camada de dielétrico.
Ao criar uma diferença de potencial entre o dreno e a fonte e haver um potencial positivo na porta, a corrente fluirá da fonte para o dreno. No entanto, quando há uma diferença de potencial suficientemente grande, alguns elétrons "vazam" pela camada dielétrica e acabam na porta flutuante. Esse fenômeno é chamado de .
A porta flutuante carregada negativamente cria um campo elétrico que impede o fluxo de corrente da fonte para o dreno. Além disso, a presença de elétrons na porta flutuante aumenta a tensão de limiar em que o transistor se abre. A cada "gravação" na porta flutuante do transistor, a camada dielétrica é ligeiramente danificada, o que impõe uma limitação ao número de ciclos de regravação de cada célula.
Transistores MOFs de porta flutuante foram desenvolvidos por Dawon Kahng e Simon Min Sze, do Bell Labs, em 1967. Mais tarde, ao investigar defeitos em circuitos integrados, foi observado que a carga no porta flutuante alterava a tensão de limiar que abria o transistor. Essa descoberta levou Dov Frohman a começar a trabalhar em uma memória baseada nesse fenômeno.
A alteração da tensão de limiar permite "programar" transistores. Transistores com carga no porta flutuante não se abrirão com uma tensão de porta superior à tensão de limiar para o transistor sem elétrons, mas inferior à tensão de limiar para o transistor com elétrons. Chamaremos esse valor tensão de leitura.
Memória Programável e Apagável Somente para Leitura
Em 1971, o funcionário da Intel, Dov Frohman, criou uma memória regravável em transistores, chamada Memória Programável e Apagável Somente para Leitura (EPROM). A gravação na memória era feita com a ajuda de um dispositivo especial - programador. O programador aplica ao chip uma tensão mais alta do que a utilizada em circuitos digitais, "gravando" assim os elétrons nos portões flutuantes dos transistores, onde necessário.
Na memória EPROM, não se previa a limpeza dos portões flutuantes dos transistores de forma elétrica. Em vez disso, propôs-se afetar os transistores com radiação ultravioleta intensa, cujos fótons fornecem aos elétrons a energia necessária para deixar o porta flutuante. Para permitir que a luz ultravioleta penetrasse no chip, foi adicionado vidro de quartzo ao invólucro.
Frohman apresentou pela primeira vez seu protótipo de EPROM em fevereiro de 1971 em uma conferência sobre circuitos integrados sólidos na Filadélfia. Gordon Moore lembrou-se da demonstração: "Dov demonstrou um padrão de bits nas células de memória EPROM. Quando a luz ultravioleta incidia nas células, os bits desapareciam um a um, até que o logo da Intel, antes conhecido, desapareceu completamente. ... Os bits sumiam, e quando o último desapareceu, toda a audiência começou a aplaudir. O artigo de Dov foi reconhecido como o melhor da conferência." — Tradução do artigo
A memória EPROM é mais cara do que os dispositivos de memória permanente "descartáveis" (ROM) usados anteriormente, mas a possibilidade de reprogramação permite depurar esquemas mais rapidamente e reduzir o tempo de desenvolvimento de novo hardware.
A reprogramação da ROM por luz ultravioleta foi um grande avanço, no entanto, a ideia da reescrita elétrica já estava "no ar".
Memória somente leitura programável eletricamente apagável
Em 1972, três japoneses: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi e Kiyoko Nagai apresentaram o primeiro dispositivo de memória permanente apagável eletricamente (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM ou E2PROM). Posteriormente, suas pesquisas se tornariam parte das patentes para implementações comerciais da memória EEPROM.
Cada célula da memória EEPROM consiste em vários transistores:
- um transistor com porta flutuante para armazenar um bit;
- um transistor para controlar o modo de leitura/gravação.
Essa construção complica bastante a fiação do circuito elétrico, portanto, a memória EEPROM foi utilizada em casos em que um pequeno volume de memória não era crítico. Para armazenamento de grandes volumes de dados, a EPROM ainda era utilizada.
Memória Flash
A memória Flash, que combina o melhor da EPROM e EEPROM, foi desenvolvida pelo professor japonês Fujio Masuoka, engenheiro da Toshiba, em 1980. O primeiro desenvolvimento foi nomeado Flash do tipo NOR e, assim como seus predecessores, é baseada em transistores MOSFET de porta flutuante.
A memória Flash do tipo NOR é uma matriz bidimensional de transistores. As portas dos transistores estão conectadas a linhas de palavras e os drenos a linhas de bits. Quando a tensão é aplicada à linha de palavras, os transistores que contêm elétrons, ou seja, que armazenam "um", não se abrirão e a corrente não fluirá. A partir da presença ou ausência de corrente na linha de bits, é feita a dedução sobre o valor do bit.
Sete anos depois, Fujio Masuoka desenvolveu a memória Flash do tipo NAND. Este tipo de memória se diferencia pela quantidade de transistores na linha de bits. Na memória do tipo NOR, cada transistor está conectado diretamente à linha de bits, enquanto na memória NAND os transistores estão conectados em série.
A leitura da memória dessa configuração é mais complexa: a tensão necessária para a leitura é aplicada à linha de palavra necessária, enquanto todas as outras linhas de palavra recebem uma tensão que abre o transistor independentemente do nível de carga nele. Como todos os outros transistores estão garantidamente abertos, a presença de tensão na linha de bit depende apenas de um único transistor, ao qual foi aplicada a tensão de leitura.
A invenção da memória Flash do tipo NAND permite uma compactação significativa do circuito, alocando um maior volume de memória nas mesmas dimensões. Até 2007, o volume da memória foi aumentado pela redução do processo de fabricação do chip.
Em 2007, a empresa Toshiba apresentou uma nova versão da memória NAND: Vertical NAND (V-NAND), também conhecida como 3D NAND. Nesta tecnologia, o foco é na colocação de transistores em várias camadas, o que permite novamente a compactação do circuito e o aumento da capacidade de memória. No entanto, essa compactação não pode ser repetida indefinidamente, por isso foram pesquisados outros métodos de aumento da capacidade de armazenamento.
Inicialmente, cada transistor armazenava dois níveis de carga: zero lógico e um lógico. Essa abordagem é chamada de Single-Level Cell (SLC). Os dispositivos com essa tecnologia se destacam pela alta confiabilidade e pelo máximo número de ciclos de regravação.
Com o tempo, foi decidido aumentar a capacidade dos dispositivos em troca da resistência ao desgaste. Assim, o número de níveis de carga na célula aumentou para quatro, e a tecnologia foi chamada de Multi-Level Cell (MLC). Em seguida, surgiram Triple-Level Cell (TLC) e Quad-Level Cell (QLC). No futuro, haverá um novo nível — Penta-Level Cell (PLC) com cinco bits em uma célula. Quanto mais bits forem colocados em uma célula, maior será a capacidade do dispositivo pelo mesmo custo, mas menor será a resistência ao desgaste.
A compactação do circuito reduzindo o processo tecnológico e aumentando o número de bits em um único transistor afeta negativamente os dados armazenados. Embora EPROM e EEPROM utilizem os mesmos transistores, EPROM e EEPROM conseguem armazenar dados sem alimentação por dez anos, enquanto a memória Flash moderna pode 'esquecer' tudo em apenas um ano.
O uso de memória Flash na indústria espacial é difícil, pois a radiação afeta negativamente os elétrons nos portões flutuantes.
Os problemas mencionados impedem a memória flash de se tornar a líder indiscutível no armazenamento de informações. Embora os dispositivos baseados em memória flash sejam amplamente utilizados, pesquisas estão em andamento sobre outros tipos de memória que não sofrem dessas desvantagens, entre os quais está o armazenamento de informações em momentos magnéticos e estados de fase.
Memória magnetorresistiva
A codificação de informações em momentos magnéticos surgiu em 1955 na forma de memória em núcleos magnéticos. Até meados da década de 1970, a memória ferrítica era o tipo principal de memória. A leitura de um bit desse tipo de memória resultava na desmagnetização do anel e perda de informações. Assim, após a leitura de um bit, era necessário reescrevê-lo.
Nos desenvolvimentos modernos de memória magnetorresistiva, em vez de anéis, são utilizados dois camadas de ferromagneto, separadas por um dielétrico. Uma camada é um ímã permanente, enquanto a outra altera a direção da magnetização. A leitura de um bit dessa célula se resume à medição da resistência ao passar a corrente: se as camadas estão magnetizadas em direções opostas, a resistência é maior, o que é equivalente ao valor "1".
A memória ferrítica não requer uma fonte de alimentação constante para manter as informações gravadas, no entanto, o campo magnético da célula pode influenciar o "vizinho", o que impõe uma limitação à compactação do circuito.
De acordo com Os discos SSD baseados em memória flash devem manter informações sem energia por pelo menos três meses a uma temperatura ambiente de 40°C. O chip desenvolvido pela Intel promete preservar os dados por dez anos a uma temperatura de 200°C.
Apesar da complexidade do desenvolvimento, a memória magnetorresistiva não se degrada durante o uso e tem melhor desempenho em relação a outros tipos de memória, o que impede que esse tipo de memória seja descartado.
Memória de mudança de fase
O terceiro tipo promissor de memória é baseado em transições de fase. Esse tipo de memória utiliza as propriedades dos calcogênios para alternar entre estados cristalinos e amorfos quando aquecido.
Calcogênios — ligações binárias de metais com o grupo 16 (grupo 6 da subgrupo principal) da tabela periódica de Mendeleev. Por exemplo, em discos CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM e Blu-ray, são utilizados teluretos de germânio (GeTe) e telureto de antimonio (III) (Sb2Te3).
Pesquisas sobre a aplicação da transição de fase para armazenamento de informações foram realizadas em anos 1960 , por Stanford Ovshinsky, mas na época a comercialização não se concretizou. Nos anos 2000, houve novamente interesse pela tecnologia, a Samsung patenteara uma tecnologia que permite alternar bits em 5 ns, enquanto a Intel e a STMicroelectronics aumentaram o número de estados para quatro, duplicando assim o volume possível.
Quando aquecido acima do ponto de fusão, o calco-genídeo perde a estrutura cristalina e, ao esfriar, se transforma em uma forma amorfa, caracterizada por alta resistência elétrica. Por sua vez, ao ser aquecido a uma temperatura acima do ponto de cristalização, mas abaixo do ponto de fusão, o calco-genídeo retorna ao estado cristalino com baixo nível de resistência.
A memória com transição de fase não requer "recarga" com o passar do tempo e também não é suscetível à radiação, ao contrário da memória baseada em cargas elétricas. Este tipo de memória pode armazenar informações por até 300 anos a uma temperatura de 85°C.
Acredita-se que o desenvolvimento da Intel, a tecnologia 3D Crosspoint (3D XPoint) utiliza precisamente transições de fase para armazenar informações. O 3D XPoint é utilizado em dispositivos de memória Intel® Optane™ Memory, que são anunciados como muito duráveis.
Conclusão
O dispositivo físico dos discos de estado sólido passou por muitas mudanças ao longo de sua história de mais de cinquenta anos, no entanto, cada solução tem suas desvantagens. Apesar da indiscutível popularidade da memória Flash, várias empresas, incluindo Samsung e Intel, estão explorando a possibilidade de criar memória baseada em momentos magnéticos.
A redução do desgaste das células, sua compactação e o aumento da capacidade total do dispositivo são direções que atualmente são promissoras para o desenvolvimento futuro dos discos de estado sólido.
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Na sua opinião, a tecnologia de armazenamento de informações em cargas elétricas será substituída por outras, como discos de quartzo ou memória óptica em nanocristais de sal?
Fonte: habr.com
