As partes anteriores da série “Introdução ao SSD” contaram ao leitor sobre a história do surgimento das unidades SSD, interfaces para interagir com elas e fatores de forma populares. A quarta parte falará sobre o armazenamento de dados dentro de drives.
Em artigos anteriores da série:
O armazenamento de dados em unidades de estado sólido pode ser dividido em duas partes lógicas: armazenamento de informações em uma única célula e organização do armazenamento em células.
Cada célula de uma unidade de estado sólido armazena um ou mais bits de informação. Vários tipos de informações são usados para armazenar informações. processos físicos. Ao desenvolver unidades de estado sólido, as seguintes quantidades físicas foram consideradas para codificação de informações:
- cargas eletricas (incluindo memória Flash);
- momentos magnéticos (memória magnetoresistiva);
- estados de fase (memória com mudança de estado de fase).
Memória baseada em cargas elétricas
A codificação de informações usando uma carga negativa está subjacente a várias soluções:
- ROM apagável por ultravioleta (EPROM);
- ROM apagável eletricamente (EEPROM);
- Memória flash.
Cada célula de memória é portão flutuante MOSFET, que armazena uma carga negativa. Sua diferença em relação a um transistor MOS convencional é a presença de uma porta flutuante - um condutor na camada dielétrica.
Quando uma diferença de potencial é criada entre o dreno e a fonte e há um potencial positivo na porta, a corrente fluirá da fonte para o dreno. No entanto, se houver uma diferença de potencial suficientemente grande, alguns elétrons “rompem” a camada dielétrica e acabam na porta flutuante. Este fenômeno é chamado .
Uma porta flutuante carregada negativamente cria um campo elétrico que impede que a corrente flua da fonte para o dreno. Além disso, a presença de elétrons na porta flutuante aumenta a tensão limite na qual o transistor é ligado. A cada “escrita” na porta flutuante do transistor, a camada dielétrica é levemente danificada, o que impõe um limite no número de ciclos de reescrita de cada célula.
Os MOSFETs de porta flutuante foram desenvolvidos por Dawon Kahng e Simon Min Sze no Bell Labs em 1967. Posteriormente, ao estudar defeitos em circuitos integrados, percebeu-se que devido à carga na porta flutuante, a tensão limite que abre o transistor mudou. Esta descoberta levou Dov Frohman a começar a trabalhar na memória com base neste fenômeno.
Alterar a tensão limite permite “programar” os transistores. Os transistores de porta flutuante não ligarão quando a tensão de porta for maior que a tensão limite para um transistor sem elétrons, mas menor que a tensão limite para um transistor com elétrons. Vamos chamar esse valor tensão de leitura.
Memória somente leitura programável apagável
Em 1971, o funcionário da Intel Dov Frohman criou uma memória regravável baseada em transistor chamada Memória somente leitura programável apagável (EPROM). A gravação na memória foi realizada por meio de um dispositivo especial - um programador. O programador aplica ao chip uma tensão mais alta do que a usada em circuitos digitais, “escrevendo” elétrons nas portas flutuantes dos transistores quando necessário.
A memória EPROM não foi projetada para limpar eletricamente as portas flutuantes dos transistores. Em vez disso, foi proposto expor os transistores a uma forte radiação ultravioleta, cujos fótons dariam aos elétrons a energia necessária para escapar da porta flutuante. Para permitir que a luz ultravioleta penetrasse profundamente no chip, foi adicionado vidro de quartzo ao invólucro.
Froman apresentou pela primeira vez seu protótipo EPROM em fevereiro de 1971 em uma conferência de IC de estado sólido na Filadélfia. Gordon Moore relembrou a demonstração: “Dov demonstrou o padrão de bits nas células de memória EPROM. Quando as células foram expostas à luz ultravioleta, os bits desapareceram um por um até que o logotipo desconhecido da Intel fosse completamente apagado. … As batidas desapareceram e, quando a última desapareceu, todo o público explodiu em aplausos. 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 somente leitura (ROM) “descartáveis” usados anteriormente, mas a capacidade de reprogramar permite depurar circuitos mais rapidamente e reduzir o tempo necessário para desenvolver novo hardware.
A reprogramação de ROMs com luz ultravioleta foi um avanço significativo, porém, a ideia da reescrita elétrica já estava no ar.
Memória somente leitura programável apagável eletricamente
Em 1972, três japoneses: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi e Kiyoko Nagai introduziram a primeira memória somente leitura apagável eletricamente (EEPROM ou E2PROM). Mais tarde, suas pesquisas científicas farão parte de patentes para implementações comerciais de memória EEPROM.
Cada célula de memória EEPROM consiste em vários transistores:
- transistor de porta flutuante para armazenamento de bits;
- transistor para controlar o modo leitura-gravação.
Esse projeto complica muito a fiação do circuito elétrico, portanto a memória EEPROM foi usada nos casos em que uma pequena quantidade de memória não era crítica. A EPROM ainda era usada para armazenar grandes quantidades de dados.
Memória flash
A memória flash, combinando os melhores recursos de EPROM e EEPROM, foi desenvolvida pelo professor japonês Fujio Masuoka, engenheiro da Toshiba, em 1980. O primeiro desenvolvimento foi denominado memória Flash NOR e, como seus antecessores, é baseado em MOSFETs de porta flutuante.
A memória flash NOR é uma matriz bidimensional de transistores. As portas dos transistores são conectadas à linha de palavra e os drenos são conectados à linha de bits. Quando a tensão é aplicada à palavra linha, os transistores contendo elétrons, ou seja, armazenando “um”, não abrirão e a corrente não fluirá. Com base na presença ou ausência de corrente na linha do bit, chega-se a uma conclusão sobre o valor do bit.
Sete anos depois, Fujio Masuoka desenvolveu a memória NAND Flash. Este tipo de memória difere no número de transistores na linha de bits. Na memória NOR, cada transistor está conectado diretamente a uma linha de bits, enquanto na memória NAND, os transistores estão conectados em série.
A leitura desta configuração da memória é mais difícil: a tensão necessária para a leitura é aplicada à linha necessária da palavra, e a tensão é aplicada a todas as outras linhas da palavra, o que abre o transistor independentemente do nível de carga nele. Como é garantido que todos os outros transistores estejam abertos, a presença de tensão na linha de bits depende apenas de um transistor, ao qual a tensão de leitura é aplicada.
A invenção da memória NAND Flash permite comprimir significativamente o circuito, colocando mais memória no mesmo tamanho. Até 2007, a capacidade de memória foi aumentada através da redução do processo de fabricação do chip.
Em 2007, a Toshiba lançou uma nova versão de memória NAND: NAND vertical (V-NAND), também conhecido como 3D NAND. Essa tecnologia enfatiza a colocação de transistores em múltiplas camadas, o que novamente permite circuitos mais densos e maior capacidade de memória. Contudo, a compactação do circuito não pode ser repetida indefinidamente, por isso outros métodos têm sido explorados para aumentar a capacidade de armazenamento.
Inicialmente, cada transistor armazenava dois níveis de carga: zero lógico e um lógico. Essa abordagem é chamada Célula de nível único (SLC). Drives com esta tecnologia são altamente confiáveis e possuem um número máximo de ciclos de reescrita.
Com o tempo, decidiu-se aumentar a capacidade de armazenamento em detrimento da resistência ao desgaste. Portanto, o número de níveis de carga numa célula é de até quatro, e a tecnologia foi chamada Célula Multinível (MLC). Em seguida veio Célula de nível triplo (TLC) и Célula de nível quádruplo (QLC). Haverá um novo nível no futuro - Célula Penta-Nível (PLC) com cinco bits em uma célula. Quanto mais bits cabem em uma célula, maior será a capacidade de armazenamento com o mesmo custo, mas menor será a resistência ao desgaste.
A compactação do circuito, reduzindo o processo técnico e aumentando o número de bits em um transistor, afeta negativamente os dados armazenados. Apesar de a EPROM e a EEPROM usarem os mesmos transistores, a EPROM e a EEPROM podem armazenar dados sem energia por dez anos, enquanto a memória Flash moderna pode “esquecer” tudo depois de um ano.
O uso de memória Flash na indústria espacial é difícil porque a radiação tem um efeito prejudicial sobre os elétrons nas portas flutuantes.
Esses problemas impedem que a memória Flash se torne líder indiscutível na área de armazenamento de informações. Apesar de os drives baseados em memória Flash serem difundidos, estão em andamento pesquisas sobre outros tipos de memória que não apresentam essas desvantagens, incluindo o armazenamento de informações em momentos magnéticos e estados de fase.
Memória magnetorresistiva
A codificação de informações com momentos magnéticos apareceu em 1955 na forma de memória em núcleos magnéticos. Até meados da década de 1970, a memória de ferrite era o principal tipo de memória. Ler um pouco desse tipo de memória levou à desmagnetização do anel e à perda de informações. Assim, depois de ler um pouco, teve que ser escrito de volta.
Nos desenvolvimentos modernos de memória magnetorresistiva, em vez de anéis, são utilizadas duas camadas de ferromagneto, separadas por um dielétrico. Uma camada é um ímã permanente e a segunda muda a direção da magnetização. Ler um bit dessa célula se resume a medir a resistência ao passar a corrente: se as camadas são magnetizadas em direções opostas, então a resistência é maior e isso equivale ao valor “1”.
A memória de ferrite não necessita de fonte de energia constante para manter as informações registradas, porém, o campo magnético da célula pode influenciar o “vizinho”, o que impõe uma limitação na compactação do circuito.
Conforme Unidades SSD baseadas em memória Flash sem energia devem reter informações por pelo menos três meses a uma temperatura ambiente de 40°C. Projetado pela Intel promete armazenar dados por dez anos a 200°C.
Apesar da complexidade de desenvolvimento, a memória magnetorresistiva não se degrada durante o uso e possui o melhor desempenho entre outros tipos de memória, o que não permite a baixa desse tipo de memória.
Memória de mudança de fase
O terceiro tipo promissor de memória é a memória baseada na mudança de fase. Este tipo de memória utiliza as propriedades dos calcogenetos para alternar entre os estados cristalino e amorfo quando aquecido.
Calcogenetos — compostos binários de metais com o 16º grupo (6º grupo do subgrupo principal) da tabela periódica. Por exemplo, discos CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM e Blu-ray usam telureto de germânio (GeTe) e telureto de antimônio (III) (Sb2Te3).
A pesquisa sobre o uso da transição de fase para armazenamento de informações foi realizada em década de 1960 ano por Stanford Ovshinsky, mas não chegou à implementação comercial. Na década de 2000, houve um interesse renovado na tecnologia, a Samsung patenteou a tecnologia que permite a comutação de bits em 5 ns, e a Intel e a STMicroelectronics aumentaram o número de estados para quatro, duplicando assim a capacidade possível.
Quando aquecido acima do ponto de fusão, o calcogeneto perde sua estrutura cristalina e, ao esfriar, assume uma forma amorfa caracterizada por alta resistência elétrica. Por sua vez, quando aquecido a uma temperatura acima do ponto de cristalização, mas abaixo do ponto de fusão, o calcogeneto retorna ao estado cristalino com baixo nível de resistência.
A memória de mudança de fase não requer “recarregamento” ao longo do tempo e também não é suscetível à radiação, ao contrário da memória carregada eletricamente. Esse tipo de memória pode reter informações por 300 anos a uma temperatura de 85°C.
Acredita-se que o desenvolvimento da tecnologia Intel Ponto cruzado 3D (3D XPoint) Ele usa transições de fase para armazenar informações. O 3D XPoint é usado em unidades de memória Intel® Optane™, que supostamente têm maior resistência.
Conclusão
O design físico das unidades de estado sólido passou por muitas mudanças ao longo de mais de meio século de história, mas cada uma das soluções tem suas desvantagens. Apesar da inegável popularidade da memória Flash, diversas empresas, incluindo Samsung e Intel, estão explorando a possibilidade de criar memória baseada em momentos magnéticos.
Reduzir o desgaste das células, compactá-las e aumentar a capacidade geral da unidade são áreas atualmente promissoras para o desenvolvimento de unidades de estado sólido.
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Você acha que as tecnologias de armazenamento de informações sobre cargas elétricas serão substituídas por outras, por exemplo, discos de quartzo ou memória óptica em nanocristais de sal?
Fonte: habr.com