Părțile anterioare ale seriei „Introducere în SSD” au spus cititorului despre istoria apariției unităților SSD, interfețe pentru interacțiunea cu acestea și factori de formă populari. A patra parte va vorbi despre stocarea datelor în interiorul unităților.
În articolele anterioare din serie:
Stocarea datelor în unitățile SSD poate fi împărțită în două părți logice: stocarea informațiilor într-o singură celulă și organizarea stocării celulei.
Fiecare celulă a unei unități SSD stochează unul sau mai multe biți de informații. Pentru stocarea informațiilor sunt folosite diferite tipuri de informații. procese fizice. La dezvoltarea unităților SSD, au fost luate în considerare următoarele cantități fizice pentru codificarea informațiilor:
- sarcini electrice (inclusiv memorie flash);
- momente magnetice (memorie magnetorezistivă);
- stări de fază (memorie cu schimbarea stării de fază).
Memorie bazată pe sarcini electrice
Codificarea informațiilor folosind o sarcină negativă stă la baza mai multor soluții:
- ROM cu ștergere ultravioletă (EPROM);
- ROM sters electric (EEPROM);
- Memorie flash.
Fiecare celulă de memorie este MOSFET cu poarta plutitoare, care stochează o sarcină negativă. Diferența sa față de un tranzistor MOS convențional este prezența unei porți plutitoare - un conductor în stratul dielectric.
Când se creează o diferență de potențial între dren și sursă și există un potențial pozitiv la poartă, curentul va curge de la sursă la dren. Cu toate acestea, dacă există o diferență de potențial suficient de mare, unii electroni „sparge” stratul dielectric și ajung în poarta plutitoare. Acest fenomen se numește .
O poartă plutitoare încărcată negativ creează un câmp electric care împiedică trecerea curentului de la sursă la scurgere. Mai mult, prezența electronilor în poarta plutitoare crește tensiunea de prag la care pornește tranzistorul. Cu fiecare „scriere” la poarta plutitoare a tranzistorului, stratul dielectric este ușor deteriorat, ceea ce impune o limită a numărului de cicluri de rescriere ale fiecărei celule.
MOSFET-urile cu poartă plutitoare au fost dezvoltate de Dawon Kahng și Simon Min Sze la Bell Labs în 1967. Ulterior, la studierea defectelor în circuitele integrate, s-a observat că din cauza încărcării din poarta flotantă, tensiunea de prag care deschide tranzistorul s-a schimbat. Această descoperire l-a determinat pe Dov Frohman să înceapă să lucreze la memorie pe baza acestui fenomen.
Schimbarea tensiunii de prag vă permite să „programați” tranzistoarele. Tranzistoarele cu poartă flotantă nu se vor porni atunci când tensiunea pe poartă este mai mare decât tensiunea de prag pentru un tranzistor fără electroni, dar mai mică decât tensiunea de prag pentru un tranzistor cu electroni. Să numim această valoare citirea tensiunii.
Memorie ștearsă programabilă doar pentru citire
În 1971, angajatul Intel Dov Frohman a creat o memorie reinscriptabilă pe bază de tranzistori numită Memorie ștearsă și programabilă doar pentru citire (EPROM). Înregistrarea în memorie a fost efectuată folosind un dispozitiv special - un programator. Programatorul aplică cipului o tensiune mai mare decât cea utilizată în circuitele digitale, „scriind” astfel electroni pe porțile plutitoare ale tranzistorilor acolo unde este necesar.
Memoria EPROM nu a fost concepută pentru a curăța electric porțile plutitoare ale tranzistorilor. În schimb, s-a propus să se expună tranzistoarele la lumină ultravioletă puternică, ai cărei fotoni ar da electronilor energia necesară pentru a scăpa de poarta plutitoare. Pentru a permite luminii ultraviolete să pătrundă adânc în cip, sticlă de cuarț a fost adăugată la carcasă.
Froman și-a prezentat pentru prima dată prototipul EPROM în februarie 1971 la o conferință IC în stare solidă din Philadelphia. Gordon Moore și-a amintit demonstrația: „Dov a demonstrat modelul de biți în celulele de memorie EPROM. Când celulele au fost expuse la lumină ultravioletă, bucățile au dispărut unul câte unul până când sigla Intel necunoscută a fost ștearsă complet. … Beat-urile au dispărut, iar când ultima a dispărut, întregul public a izbucnit în aplauze. Articolul lui Dov a fost recunoscut ca fiind cel mai bun la conferință.” — Traducerea articolului
Memoria EPROM este mai costisitoare decât dispozitivele de memorie „de unică folosință” utilizate anterior, dar numai pentru citire (ROM), abilitatea de a reprograma vă permite să depanați mai rapid circuitele și să reduceți timpul necesar pentru dezvoltarea noului hardware.
Reprogramarea ROM-urilor cu lumină ultravioletă a fost o descoperire semnificativă, cu toate acestea, ideea de rescriere electrică era deja în aer.
Memorie programabilă doar pentru citire ștergabilă electric
În 1972, trei japonezi: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi și Kiyoko Nagai au introdus prima memorie doar pentru citire care poate fi ștersă electric (EEPROM sau E2PROM). Mai târziu, cercetarea lor științifică va deveni parte a brevetelor pentru implementări comerciale ale memoriei EEPROM.
Fiecare celulă de memorie EEPROM constă din mai mulți tranzistori:
- tranzistor cu poartă plutitoare pentru stocarea biților;
- tranzistor pentru controlul modului citire-scriere.
Acest design complică foarte mult cablajul circuitului electric, astfel încât memoria EEPROM a fost folosită în cazurile în care o cantitate mică de memorie nu era critică. EPROM era încă folosită pentru a stoca cantități mari de date.
Memorie flash
Memoria flash, care combină cele mai bune caracteristici ale EPROM și EEPROM, a fost dezvoltată de profesorul japonez Fujio Masuoka, inginer la Toshiba, în 1980. Prima dezvoltare a fost numită memorie NOR Flash și, ca și predecesorii săi, se bazează pe MOSFET-uri cu poartă flotantă.
Memoria flash NOR este o matrice bidimensională de tranzistori. Porțile tranzistoarelor sunt conectate la linia de cuvinte, iar drenurile sunt conectate la linia de biți. Când se aplică tensiune pe linia cuvântului, tranzistoarele care conțin electroni, adică care stochează „unul”, nu se vor deschide și curentul nu va curge. Pe baza prezenței sau absenței curentului pe linia de biți, se trage o concluzie despre valoarea bitului.
Șapte ani mai târziu, Fujio Masuoka a dezvoltat memoria flash NAND. Acest tip de memorie diferă prin numărul de tranzistori pe linia de biți. În memoria NOR, fiecare tranzistor este conectat direct la o linie de biți, în timp ce în memoria NAND, tranzistoarele sunt conectate în serie.
Citirea din memorie a acestei configurații este mai dificilă: tensiunea necesară pentru citire este aplicată liniei necesare a cuvântului, iar tensiunea este aplicată tuturor celorlalte linii ale cuvântului, ceea ce deschide tranzistorul indiferent de nivelul de încărcare din acesta. Deoarece toate celelalte tranzistoare sunt garantate a fi deschise, prezența tensiunii pe linia de biți depinde doar de un singur tranzistor, căruia i se aplică tensiunea de citire.
Invenția memoriei flash NAND face posibilă comprimarea semnificativă a circuitului, plasând mai multă memorie la aceeași dimensiune. Până în 2007, capacitatea de memorie a fost mărită prin reducerea procesului de fabricație a cipului.
În 2007, Toshiba a introdus o nouă versiune de memorie NAND: NAND vertical (V-NAND), de asemenea cunoscut ca si 3D NAND. Această tehnologie pune accent pe plasarea tranzistorilor în mai multe straturi, ceea ce permite din nou circuite mai dense și capacitate de memorie crescută. Cu toate acestea, compactarea circuitului nu poate fi repetată la infinit, așa că au fost explorate și alte metode pentru a crește capacitatea de stocare.
Inițial, fiecare tranzistor a stocat două niveluri de încărcare: zero logic și unul logic. Această abordare se numește Celulă cu un singur nivel (SLC). Unitățile cu această tehnologie sunt foarte fiabile și au un număr maxim de cicluri de rescriere.
În timp, s-a decis creșterea capacității de stocare în detrimentul rezistenței la uzură. Deci, numărul de niveluri de încărcare dintr-o celulă este de până la patru și tehnologia a fost numită Celulă cu mai multe niveluri (MLC). A urmat Celulă cu trei niveluri (TLC) и Celulă cu patru niveluri (QLC). Va fi un nou nivel în viitor - Celulă penta-nivel (PLC) cu cinci biți pe celulă. Cu cât se potrivesc mai mulți biți într-o singură celulă, cu atât este mai mare capacitatea de stocare la același cost, dar cu atât rezistența la uzură este mai mică.
Compactarea circuitului prin reducerea procesului tehnic și creșterea numărului de biți dintr-un tranzistor afectează negativ datele stocate. În ciuda faptului că EPROM și EEPROM folosesc aceiași tranzistori, EPROM și EEPROM pot stoca date fără alimentare timp de zece ani, în timp ce memoria flash modernă poate „uita” totul după un an.
Utilizarea memoriei flash în industria spațială este dificilă deoarece radiațiile au un efect dăunător asupra electronilor din porțile plutitoare.
Aceste probleme împiedică memoria Flash să devină lider incontestabil în domeniul stocării de informații. În ciuda faptului că unitățile bazate pe memorie Flash sunt larg răspândite, cercetările sunt în desfășurare în alte tipuri de memorie care nu prezintă aceste dezavantaje, inclusiv stocarea informațiilor în momente magnetice și stări de fază.
Memoria magnetorezistivă
Codificarea informațiilor cu momente magnetice a apărut în 1955 sub formă de memorie pe nuclee magnetice. Până la mijlocul anilor 1970, memoria cu ferită a fost principalul tip de memorie. Citirea un pic din acest tip de memorie a dus la demagnetizarea inelului și pierderea de informații. Astfel, după ce am citit puțin, a trebuit să fie scris înapoi.
În dezvoltările moderne ale memoriei magnetorezistive, în loc de inele, se folosesc două straturi ale unui feromagnet, separate de un dielectric. Un strat este un magnet permanent, iar al doilea schimbă direcția de magnetizare. A citi puțin dintr-o astfel de celulă se reduce la măsurarea rezistenței la trecerea curentului: dacă straturile sunt magnetizate în direcții opuse, atunci rezistența este mai mare și aceasta este echivalentă cu valoarea „1”.
Memoria de ferită nu necesită o sursă de energie constantă pentru a menține informațiile înregistrate, cu toate acestea, câmpul magnetic al celulei poate influența „vecinul”, ceea ce impune o limitare a compactării circuitului.
În conformitate cu Unitățile SSD bazate pe memorie Flash fără alimentare trebuie să păstreze informații timp de cel puțin trei luni la o temperatură ambientală de 40°C. Proiectat de Intel promite să păstreze datele timp de zece ani la 200°C.
În ciuda complexității dezvoltării, memoria magnetorezistivă nu se degradează în timpul utilizării și are cele mai bune performanțe dintre celelalte tipuri de memorie, ceea ce nu permite ștergerea acestui tip de memorie.
Memoria de schimbare de fază
Al treilea tip promițător de memorie este memoria bazată pe schimbarea de fază. Acest tip de memorie folosește proprietățile calcogenurilor pentru a comuta între starea cristalină și amorfă atunci când este încălzită.
Calcogenuri — compuși binari ai metalelor cu grupa a 16-a (grupa a 6-a a subgrupului principal) din tabelul periodic. De exemplu, discurile CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM și Blu-ray folosesc telurura de germaniu (GeTe) și telurura de antimoniu (III) (Sb2Te3).
Cercetările privind utilizarea tranziției de fază pentru stocarea informațiilor au fost efectuate în anii 1960 an de către Stanford Ovshinsky, dar apoi nu a ajuns la implementarea comercială. În anii 2000, a existat un interes reînnoit pentru tehnologie, tehnologia patentată Samsung care permite comutarea biților în 5 ns, iar Intel și STMicroelectronics au crescut numărul de stări la patru, dublând astfel capacitatea posibilă.
Când este încălzită peste punctul de topire, calcogenura își pierde structura cristalină și, la răcire, se transformă într-o formă amorfă caracterizată prin rezistență electrică ridicată. La rândul său, atunci când este încălzită la o temperatură peste punctul de cristalizare, dar sub punctul de topire, calcogenura revine la o stare cristalină cu un nivel scăzut de rezistență.
Memoria cu schimbare de fază nu necesită „reîncărcare” în timp și, de asemenea, nu este susceptibilă la radiații, spre deosebire de memoria încărcată electric. Acest tip de memorie poate reține informații timp de 300 de ani la o temperatură de 85°C.
Se crede că dezvoltarea tehnologiei Intel Punct de încrucișare 3D (3D XPoint) Utilizează tranziții de fază pentru a stoca informații. 3D XPoint este utilizat în unitățile de memorie Intel® Optane™, despre care se spune că au o rezistență mai mare.
Concluzie
Designul fizic al unităților cu stare solidă a suferit multe modificări de-a lungul a peste o jumătate de secol de istorie, cu toate acestea, fiecare dintre soluții are dezavantajele sale. În ciuda popularității incontestabile a memoriei Flash, mai multe companii, inclusiv Samsung și Intel, explorează posibilitatea de a crea memorie bazată pe momente magnetice.
Reducerea uzurii celulelor, compactarea acestora și creșterea capacității generale a unității sunt domenii care sunt în prezent promițătoare pentru dezvoltarea în continuare a unităților SSD.
Puteți testa cele mai tari unități NAND și 3D XPoint din ziua de azi chiar acum în sistemul nostru .
Credeți că tehnologiile de stocare a informațiilor despre sarcinile electrice vor fi înlocuite cu altele, de exemplu, discuri de cuarț sau memorie optică pe nanocristale de sare?
Sursa: www.habr.com