Părțile anterioare ale ciclului „Introducere în SSD” le-au povestit cititorilor despre istoria apariției SSD-urilor, interfețele de interacțiune cu acestea și factorii de formă populari. Partea a patra va vorbi despre stocarea datelor în interiorul dispozitivelor de stocare.
În articolele anterioare ale ciclului:
Stocarea datelor în SSD-uri poate fi împărțită în două părți logice: stocarea informației într-o singură celulă și organizarea stocării celulelor.
Fiecare celulă a unui SSD stochează unul sau mai mulți biți de informație. Pentru stocarea informației sunt utilizate diverse procese fizice. Când au fost dezvoltate SSD-urile, au fost luate în considerare următoarele mărimi fizice pentru codificarea informației:
- încărcături electrice (inclusiv memoria Flash);
- momente magnetice (memoria magnetoresistivă);
- stări de fază (memoria cu schimbare de stare de fază).
Memoria bazată pe încărcături electrice
Codificarea informației prin intermediul încărcăturii negative stă la baza mai multor soluții:
- memorie EPROM (programabilă și ștearsă cu ultraviolete);
- memorie EEPROM (ștearsă electric);
- memoria Flash.
Fiecare celulă de memorie este un MOSFET cu electrozi flotanți, în care se stochează o încărcătură negativă. Diferența față de un MOSFET obișnuit constă în existența unui electroz flotant - un conductor în stratul de dielectric.
La crearea unei diferențe de potențial între sursă și drenaj și cu un potențial pozitiv pe electroz, curentul va curge de la sursă la drenaj. Totuși, în prezența unei diferențe de potențial suficient de mari, unii electroni „sparg” stratul de dielectric și ajung în electrozul flotant. Acest fenomen se numește .
Electrozul flotant negativ generat creează un câmp electric care împiedică curgerea curentului de la sursă la drenaj. Mai mult, prezența electronilor în electrozul flotant crește tensiunea de prag la care se deschide tranzistorul. La fiecare „scriere” în electrozul flotant al tranzistorului, stratul de dielectric este ușor deteriorat, ceea ce impune o limitare asupra numărului de cicluri de rescriere ale fiecărei celule.
Tranzistoriile MOSFET cu poartă flotantă au fost dezvoltate de Dawon Kahng și Simon Min Sze de la Bell Labs în 1967. Ulterior, în timpul cercetării defectelor circuitelor integrate, s-a observat că, din cauza sarcinii din poarta flotantă, a fost modificată tensiunea de prag care deschide tranzistorul. Această descoperire l-a determinat pe Dov Frohman să înceapă lucrul la o memorie bazată pe acest fenomen.
Modificarea tensiunii de prag permite „programarea” tranzistorilor. Tranzistori cu sarcină în poarta flotantă nu se vor deschide atunci când tensiunea aplicată pe poartă depășește tensiunea de prag pentru tranzistorul fără electroni, dar este mai mică decât tensiunea de prag pentru tranzistorul cu electroni. Să numim această valoare tensiunea de citire.
Memorie Programabilă Ștearsă (EPROM)
În 1971, angajatul Intel, Dov Frohman, a creat o memorie rescrieră pe tranzistori, numită Memorie Programabilă Ștearsă (EPROM). Scrierea în memorie se făcea printr-un dispozitiv special - programator. Programatorul aplică pe cip o tensiune mai mare decât cea utilizată în circuitele digitale, «înregistrând» electroni în porțile flotante ale tranzistorilor acolo unde este necesar.
În memoria EPROM nu era prevăzută ștergerea porților flotante ale tranzistorilor prin metode electrice. În schimb, se propunea utilizarea radiației ultraviolete puternice pentru a influența tranzistorii, fotonii acesteia oferind electronilor energia necesară pentru a părăsi poarta flotantă. Pentru a permite accesul ultravioletului în profunzimea cipului, pe carcasă s-a adăugat sticlă de quartz.
Frohman și-a prezentat pentru prima dată prototipul EPROM în februarie 1971 la o conferință despre circuite solide în Philadelphia. Gordon Moore își amintește de demonstrație: «Dov a demonstrat un model de biți în celulele de memorie EPROM. Când celulele erau expuse luminii ultraviolete, biții dispăreau unul câte unul, până când logo-ul Intel, cunoscut anterior, a dispărut complet. ... Biții dispăreau, iar când ultimul a dispărut, întreaga audiență a aplaudat. Articolul lui Dov a fost recunoscut ca fiind cel mai bun la conferință.» — Traducerea articolului
Memoria EPROM este mai scumpă decât dispozitivele de memorie permanentă „de unică folosință” (PROM) utilizate anterior, însă posibilitatea de reprogramare permite debugarea circuitelor mai rapid și reduce timpul de dezvoltare a noului hardware.
Reprogramarea PROM-ului cu lumină ultravioletă a fost o realizare semnificativă, totuși, ideea reprogramării electrice deja „plutea” în aer.
Memorie Programmable Read-Only Electrically Erasable
În 1972, trei japonezi: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi și Kiyoko Nagai au prezentat primul dispozitiv de memorie permanentă reprogramabilă electric (EEPROM sau E2PROM). Ulterior, cercetările lor științifice vor deveni parte din brevetele pentru implementările comerciale ale memoriei EEPROM.
Fiecare celulă de memorie EEPROM este alcătuită din mai multe tranzistori:
- un tranzistor cu porți flotante pentru stocarea unei biți;
- un tranzistor pentru controlul modului de citire-scriere.
Această construcție complică semnificativ circuitele electrice, astfel încât memoria EEPROM a fost utilizată în cazurile în care dimensiunea mică a memoriei nu era critică. Pentru stocarea unor cantități mari de date, EPROM rămânea în continuare utilizat.
Memoria Flash
Memoria Flash, care combină cele mai bune caracteristici ale EPROM și EEPROM, a fost dezvoltată de profesorul japonez Fujio Masuoka, inginer al companiei Toshiba, în 1980. Prima dezvoltare a fost denumită memorie Flash de tip NOR și, ca și predecesoarele sale, este bazată pe tranzistori MOS cu porți flotante.
Memoria Flash de tip NOR este un array bidimensional de tranzistori. Porțile tranzistorilor sunt conectate la linia de cuvinte, iar drenele la linia de biți. Când se aplică o tensiune pe linia de cuvinte, tranzistorii care conțin electroni, adică cei care stochează „1”, nu se vor deschide și curentul nu va curge. Pe baza prezenței sau absenței curentului pe linia de biți se trage concluzia despre valoarea bitului.
După șapte ani, Fujio Masuoka a dezvoltat memorie Flash de tip NAND. Acest tip de memorie se distinge prin numărul de tranzistori pe linia de biți. În memoria de tip NOR, fiecare tranzistor este conectat direct la linia de biți, în timp ce în memoria NAND, tranzistorii sunt conectați în serie.
Citirea din memorie într-o astfel de configurație este mai complicată: pe linia de bit necesară este aplicată tensiunea necesară pentru citire, iar pe toate celelalte linii de bit se aplică o tensiune care deschide tranzistorul, indiferent de nivelul de încărcare din acesta. Deoarece toate celelalte tranzistori sunt garantat deschiși, prezența tensiunii pe linia de bit depinde doar de un singur tranzistor, pe care s-a aplicat tensiunea de citire.
Invenția memoriei Flash de tip NAND permite o densitate semnificativ mai mare a circuitului, plasând un volum mai mare de memorie în aceeași dimensiune. Până în 2007, volumul de memorie a fost crescut prin reducerea procesului tehnologic de fabricare a cipului.
În 2007, compania Toshiba a prezentat o nouă versiune a memoriei NAND: Vertical NAND (V-NAND), cunoscută de asemenea ca 3D NAND. În această tehnologie, accentul se pune pe plasarea tranzistorilor în mai multe straturi, ceea ce permite din nou densificarea circuitului și creșterea volumului de memorie. Cu toate acestea, densificarea circuitului nu poate fi repetată la nesfârșit, astfel că au fost investigate alte metode de creștere a volumului de memorie stocată.
Inițial, fiecare tranzistor stoca două niveluri de încărcare: zero logic și unu logic. Această abordare se numește Single-Level Cell (SLC). Dispozitivele cu această tehnologie se remarcă prin fiabilitate ridicată și un număr maxim de ciclo de scriere.
În timp, s-a luat decizia de a crește volumul dispozitivelor în detrimentul durabilității. Astfel, numărul de niveluri de încărcare în celulă a crescut până la patru, iar tehnologia a fost numită Multi-Level Cell (MLC). Apoi au apărut Triple-Level Cell (TLC) și Quad-Level Cell (QLC). În viitor va apărea un nou nivel — Penta-Level Cell (PLC) care va avea cinci biți într-o singură celulă. Cu cât mai mulți biți sunt stocați într-o singură celulă, cu atât mai mare este volumul dispozitivului pentru aceeași cost, dar durabilitatea este mai mică.
Densificarea circuitului prin reducerea procesului tehnologic și creșterea numărului de biți într-un singur tranzistor afectează negativ datele stocate. Deși EPROM și EEPROM utilizează aceiași tranzistori, acestea pot stoca date fără alimentare timp de zece ani, în timp ce memoria Flash modernă poate „uita” totul deja după un an.
Utilizarea memoriei Flash în industria aerospațială este problematică, deoarece radiația afectează negativ electronii din porțile flotante.
Problemele menționate împiedică memoria flash să devină liderul incontestabil în domeniul stocării informațiilor. Deși unitățile bazate pe memoria flash sunt larg răspândite, se desfășoară cercetări asupra altor tipuri de memorie care nu au aceste defecte, printre care stocarea informațiilor în momente magnetice și stări de fază.
Memorie magnetorezistivă
Codificarea informației prin momente magnetice a apărut în 1955 sub formă de memorie pe miezuri magnetice. Până la mijlocul anilor 1970, memoria pe ferită a fost principalul tip de memorie. Citirea unui bit dintr-un astfel de tip de memorie ducea la dezmagnetizarea inelului și pierderea informației. Astfel, după citirea unui bit, acesta trebuia să fie scris din nou.
În dezvoltările moderne ale memoriei magnetorezistive, în locul inelelor se folosesc două straturi de ferromagnetice, separate printr-un dielectric. Un strat este un magnet permanent, iar celălalt își schimbă direcția magnetizării. Citirea unui bit 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 pe ferită nu necesită o sursă de alimentare constantă pentru a menține informația înregistrată, totuși câmpul magnetic al celulei poate influența „vecinul”, ceea ce impune o limitare asupra densității circuitului.
Conform Unitățile SSD bazate pe memorie flash ar trebui să păstreze informația fără alimentare timp de cel puțin trei luni la o temperatură ambientală de 40°C. Dezvoltat de Intel promite să mențină datele timp de zece ani la o temperatură de 200°C.
În ciuda complexității dezvoltării, memoria magnetorezistivă nu se degradează în timpul utilizării și are cele mai bune performanțe dintre toate tipurile de memorie, ceea ce nu permite să fie neglijată această formă de memorie.
Memorie cu schimbare de stare pha
Al treilea tip promițător de memorie este memorie bazată pe tranziția de fază. Acest tip de memorie folosește proprietățile chalcogenidelor de a trece între starea cristalizată și cea amorfă la încălzire.
Chalcogenide — conexiuni binare ale metalelor cu grupul 16 (grupul 6 al subgrupului principal) din tabelul periodic al lui Mendeleev. De exemplu, în CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM și discurile Blu-ray se folosesc tellururi de germaniu (GeTe) și tellururi de antimoniu (III) (Sb2Te3).
Cercetările privind aplicarea tranziției de fază pentru stocarea informației au fost realizate în anul 1960 de Stanford Ovshinsky, însă atunci nu s-a ajuns la realizarea comercială. În anii 2000, interesul pentru tehnologie a reapărut, Samsung a brevetat o tehnologie care permite comutarea unui bit în 5 ns, iar Intel și STMicroelectronics au crescut numărul de stări la patru, astfel dublând capacitatea posibilă. La încălzirea peste punctul de topire, chalcogenidul își pierde structura cristalină și, răcindu-se, se transformă într-o formă amorfă, caracterizată printr-o rezistență electrică mare. La rândul său, la încălzirea la o temperatură superioară punctului de cristalizare, dar inferioară punctului de topire, chalcogenidul revine la starea cristalină cu un nivel scăzut de rezistență.
Memoria cu tranziție de fază nu necesită „reîncărcare” în timp, de asemenea, nu este sensibilă la radiațiile de radiație, spre deosebire de memoria bazată pe sarcini electrice. Acest tip de memorie poate păstra informațiile timp de 300 de ani la o temperatură de 85°C.
Se consideră că dezvoltarea Intel, tehnologia
3D Crosspoint (3D XPoint) folosește exact tranzițiile de fază pentru stocarea informației. 3D XPoint este utilizat în memorii Intel® Optane™ Memory, pentru care se declară o durabilitate mai mare. Dispozitivul fizic al unităților de stocare solide a suferit numeroase modificări în mai bine de jumătate de secol de istorie, cu toate acestea, fiecare dintre soluții are propriile dezavantaje. În ciuda popularității indiscutabile a memoriei Flash, mai multe companii, inclusiv Samsung și Intel, lucrează la posibilitatea de a crea memorie bazată pe momente magnetice.
Concluzie
Reducerea uzurii celulelor, compactarea acestora și creșterea capacității totale a unității de stocare - acestea sunt direcțiile care sunt în prezent promițătoare pentru dezvoltarea ulterioară a unităților de stocare solide.
Puteți testa cele mai avansate unități NAND și 3D XPoint deja acum în
Selectel LAB .
Credeți că tehnologia de stocare a informațiilor pe sarcini electrice va fi înlocuită de altele, cum ar fi discurile din cuarț sau memoriile optice pe nanocristale de sare?
Sursa: habr.com
