Predchádzajúce časti cyklu «Úvod do SSD» čitateľa oboznámili s históriou vzniku SSD diskov, rozhraním na ich interakciu a populárnymi formátmi. Štvrtá časť sa zameriava na ukladanie dát vo vnútri diskov.
V predchádzajúcich článkoch cyklu:
Ukladanie dát v pevných diskoch môžeme rozdeliť do dvoch logických častí: ukladanie informácií v jednej bunke a organizáciu ukladania buniek.
Každá bunka pevného disku uchováva jeden alebo niekoľko bitov informácií. Na ukladanie informácií sa používajú rôzne fyzikálne procesy. Pri vývoji pevných diskov sa zohľadnili nasledujúce fyzikálne veličiny na kódovanie informácií:
- elektrické náboje (vrátane Flash pamäte);
- magnetické momenty (magnetorezistívna pamäť);
- fázové stavy (pamäť so zmenou fázového stavu).
Pamäť založená na elektrických nábojoch
Kódovanie informácií pomocou záporného náboja je základom niekoľkých riešení:
- mazateľné ultrafialovým žiarením EPROM;
- elektricky mazateľné EPROM;
- Flash pamäť.
Každá pamäťová bunka je pole MOSFET tranzistoru s plávajúcim gátom, v ktorom je uložený záporný náboj. Jeho odlišnosť od bežného MOSFET tranzistoru spočíva v prítomnosti plávajúceho gátu — vodiča v dielektrickej vrstve.
Pri vytváraní rozdielu potenciálov medzi zdrojom a odtokom a prítomnosti kladného potenciálu na gate prúdi elektrický prúd zo zdroja do odtoku. Avšak pri dostatočne veľkom rozdiele potenciálov niektoré elektróny „prenikajú“ dielektrickou vrstvou a končia v plávajúcom gate. Tento jav sa nazýva .
Záporné nabité plávajúce gate vytvára elektrické pole, ktoré bráni prúdeniu prúdu zo zdroja do odtoku. Navyše, prítomnosť elektrónov v plávajúcom gate zvyšuje prahové napätie, pri ktorom sa tranzistor otvorí. Pri každom „zápise“ do plávajúceho gátu tranzistora sa dielektrická vrstva mierne poškodzuje, čo obmedzuje počet prepisovacích cyklov každej bunky.
Polní MOS tranzistory s plovoucí bránou byly vyvinuty Davonem Kahngem a Simonem Min Ziem z Bell Labs v roce 1967. Později, při zkoumání vad integrovaných obvodů, bylo zjištěno, že v důsledku náboje v plovoucí bráně došlo ke změně prahového napětí, které otevře tranzistor. Tento objev přiměl Dova Frohmana zahájit práci na paměti založené na tomto fenoménu.
Změna prahového napětí umožňuje „programování“ tranzistorů. Tranzistory s nábojem v plovoucí bráně se neotevřou při aplikaci napětí na bránu vyššího než prahové napětí pro tranzistor bez elektronů, ale nižší než prahové napětí pro tranzistor s elektrony. Označme tuto hodnotu napětím čtení.
Erasable Programmable Read-Only Memory
V roce 1971 zaměstnanec společnosti Intel, Dov Frohman, vytvořil přepisovatelnou paměť na tranzistorech, nazvanou Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Zápis do paměti probíhal pomocí speciálního zařízení — programátoru. Programátor na čip aplikuje vyšší napětí, než se používá v digitálních obvodech, a tím „zapíše“ elektrony do plovoucích bran tranzistorů, kde je to potřeba.
V paměti EPROM nebylo plánováno elektrické vymazání plovoucích bran tranzistorů. Místo toho se navrhovalo vystavit tranzistory silnému ultrafialovému záření, jehož fotony dodávají elektronům energii potřebnou k opuštění plovoucí brány. Pro umožnění průniku ultrafialového světla do hloubky čipu bylo na skříňku přidáno křemenné sklo.
Frohman poprvé představil svůj prototyp EPROM v únoru 1971 na konferenci o pevných integrovaných obvodech ve Filadelfii. Gordon Moore vzpomínal na demonstraci: „Dov předvedl bitový vzor v paměťových buňkách EPROM. Když na buňky působilo ultrafialové světlo, bity mizely jeden po druhém, dokud se nevymazalo neznámé logo Intelu. ... Bity zmizely, a když poslední zmizel, celé publikum propuklo v potlesk. Dova článku byla uznána za nejlepší na konferenci.“ — Překlad článku
EPROM pamäť je drahšia než predtým používané jednorazové pamäťové zariadenia (PZM), avšak možnosť preprogramovania umožňuje rýchlejšiu ladenie obvodov a skrátenie času potrebného na vývoj nového hardvéru.
Preprogramovanie PZM ultrafialovým svetlom bolo významným pokrokom, avšak myšlienka elektrického prepísania už „veštila“ vo vzduchu.
Elektricky vymazateľná programovateľná pamäť iba na čítanie
V roku 1972 predstavili traja Japonci: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi a Kiyoko Nagai prvé elektricky vymazateľné pamäťové zariadenie (Elektricky vymazateľná programovateľná pamäť iba na čítanie, EEPROM alebo E2PROM). Následne sa ich vedecké výskumy stali súčasťou patentov na komerčné realizácie EEPROM pamäte.
Každá bunka EEPROM pamäte sa skladá z niekoľkých tranzistorov:
- tranzistor s plávajúcou bránou na uloženie bitu;
- tranzistor na riadenie režimu čítania a zápisu.
Táto konštrukcia značne komplikuje zapojenie elektrických obvodov, preto sa EEPROM pamäť používala v prípadoch, keď nebol minimálny objem pamäte kritický. Na ukladanie veľkého objemu dát sa naďalej používala EPROM.
Flash pamäť
Flash pamäť, kombinuje najlepšie vlastnosti EPROM a EEPROM, bola vyvinutá japonským profesorom Fujio Masuokou, inžinierom spoločnosti Toshiba, v roku 1980. Prvý návrh dostal názov Flash pamäť typu NOR a, rovnako ako jej predchodcovia, je založená na poľných MOS tranzistoroch s plávajúcou bránou.
Flash pamäť typu NOR je dvojrozsahová mriežka tranzistorov. Brány tranzistorov sú pripojené k línii slov, a zdroje sú pripojené k línii bitov. Pri privedení napätia na líniu slov sa tranzistory, ktoré obsahujú elektróny, teda uchovávajúce „jednotku“, neotvoria a prúd nebude tiecť. Na základe prítomnosti alebo neprítomnosti prúdu na línii bitov sa určuje hodnota bitu.
Po siedmich rokoch Fujio Masuoka vyvinul Flash pamäť typu NAND. Tento typ pamäte sa líši počtom tranzistorov na bitovej línii. V pamäti typu NOR je každý tranzistor priamo pripojený k bitovej línii, zatiaľ čo v NAND pamäti sú tranzistory pripojené sériovo.
Čítanie z pamäte takejto konfigurácie je zložitejšie: na potrebnú linku slova je aplikované napätie potrebné na čítanie, a na všetky ostatné linky slova je aplikované napätie, ktoré otvára tranzistor bez ohľadu na úroveň náboja v ňom. Keďže všetky ostatné tranzistory sú zaručene otvorené, prítomnosť napätia na bitovej linke závisí len od jediného tranzistora, na ktorý je aplikované čítacie napätie.
Vynález Flash pamäte typu NAND umožňuje výrazne zhušťovať schému, pričom sa umiestňuje väčší objem pamäte pri tých istých rozmeroch. Až do roku 2007 bol objem pamäte zvyšovaný zmenšovaním výrobného technologického procesu čipu.
V roku 2007 spoločnosť Toshiba predstavila novú verziu NAND pamäte: Vertikálna NAND (V-NAND), tiež známa ako 3D NAND. V tejto technológii sa kladie dôraz na umiestnenie tranzistorov do viacerých vrstiev, čo opäť umožňuje zhušťovanie schémy a zvyšovanie objemu pamäte. Napriek tomu zhušťovanie schémy nemôže pokračovať do nekonečna, preto sa skúmali aj iné metódy na zvyšovanie uloženého objemu pamäte.
Pôvodne každý tranzistor uchovával dve úrovne náboja: logickú nulu a logickú jednotku. Tento prístup sa nazýva Single-Level Cell (SLC). Úložiská s touto technológiou sa vyznačujú vysokou spoľahlivosťou a maximálnym počtom cyklov prepisu.
V priebehu času sa prijalo rozhodnutie zvýšiť objem úložísk na úkor odolnosti voči opotrebovaniu. Tak sa počet úrovní náboja v bunke zvýšil na štyri a technológia bola nazvaná Multi-Level Cell (MLC). Následne sa objavili Triple-Level Cell (TLC) a Quad-Level Cell (QLC). V budúcnosti sa objaví nový úroveň — Penta-Level Cell (PLC) s piatimi bitmi v jednej bunke. Čím viac bitov sa zmestí do jednej bunky, tým väčší objem úložiska pri tej istej cene, ale menšia odolnosť voči opotrebovaniu.
Zhušťovanie schémy zmenšovaním technologického procesu a zvyšovaním počtu bitov v jednom tranzistore negatívne ovplyvňuje uchovávané dáta. Napriek tomu, že v EPROM a EEPROM sa používajú tie isté tranzistory, EPROM a EEPROM dokážu uchovávať dáta bez napájania desať rokov, zatiaľ čo moderná Flash pamäť môže všetko "zabudnúť" už po roku.
Použitie Flash pamäte v kozmickom priemysle je problematické, pretože radiácia má neblahý vplyv na elektróny v plávajúcich zátkach.
Uvedené problémy bránia Flash pamäti stať sa nepopierateľným lídrom v oblasti ukladania informácií. Hoci sú zariadenia založené na Flash pamäti široko rozšírené, prebiehajú výskumy iných typov pamätí, ktoré nemajú tieto nevýhody, medzi ktoré patrí ukladanie informácií v magnetických momentoch a fázových stavoch.
Magnetorezistívna pamäť
Kódovanie informácií magnetickými momentmi sa objavilo v roku 1955 v podobe pamäte na magnetických jadrách. Do polovice 70. rokov 20. storočia bola feritová pamäť hlavnou formou pamäti. Čítanie bitu z tejto pamäte viedlo k demagnetizácii prstenca a strate informácií. Takže po prečítaní bitu bolo potrebné ho zapísať späť.
V moderných vývojoch magnetorezistívnej pamäte sa namiesto prstencov používajú dva vrstvy ferromagnetika, oddelené dielektrikom. Jedna vrstva je trvalý magnet a druhá mení smer magnetizácie. Čítanie bitu z takejto bunky sa znižuje na meranie odporu pri prechode prúdu: ak sú vrstvy magnetizované v opačných smeroch, odpor je väčší a to je ekvivalentné hodnote „1“.
Feritová pamäť si nevyžaduje trvalý zdroj energie na udržanie zapísaných informácií, avšak magnetické pole bunky môže ovplyvniť „suseda“, čo kladie obmedzenie na zhušťovanie schémy.
Podľa SSD disky založené na Flash pamäti by mali uchovávať informácie minimálne tri mesiace pri teplote 40 °C bez napájania. Chippa navrhnutá spoločnosťou Intel sľubuje zachovať dáta desať rokov pri teplote 200 °C.
Napriek složitosti vývoja magnetorezistívna pamäť sa počas používania nedegeneruje a má lepší výkon medzi ostatnými typmi pamätí, takže tento typ pamäte nemožno podceniť.
Pamäť s fázovou zmenou
Tretí perspektívny typ pamäte — pamäť na báze fázového prechodu. Tento typ pamäte využíva vlastnosti chalogenidov prepnúť medzi kryštalickým a amorfným stavom pri zahriatí.
Chalogenidy — binárne spojenia kovov so 16. skupinou (6. skupinou hlavnej podskupiny) periodickej tabuľky Mendelejeva. Napríklad, v CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM a Blu-ray diskoch sa používajú telurid germánia (GeTe) a telurid antimonu (III) (Sb2Te3).
Výskumy aplikácií fázového prechodu na uchovávanie informácií sa uskutočnili v 1960-tych rokoch Stanforom Ovshinským (Stanford Ovshinsky), ale dovtedy sa komerčná realizácia nedosiahla. V 2000-ých sa opäť obnovil záujem o technológiu, Samsung patentoval technológiu umožňujúcu prepínať bit za 5 ns, zatiaľ čo Intel a STMicroelectronics zvýšili počet stavov na štyri, čím zdvojnásobili možný objem.
Pri ohreve nad bodom tavenia chalcogenid stráca kryštalickú štruktúru a pri ochladzovaní sa mení na amorfnú formu, ktorá sa vyznačuje vysokým elektrickým odporom. Na druhej strane, pri ohreve na teplotu nad bodom kryštalizácie, ale pod bodom tavenia, sa chalcogenid vracia do kryštalického stavu s nízkou úrovňou odporu.
Pamäť s fázovým prechodom nevyžaduje 'dobíjanie' priebežne, ako aj nie je citlivá na radiáciu, na rozdiel od pamäte na elektrických nábojoch. Tento typ pamäte môže uchovávať informácie počas 300 rokov pri teplote 85 °C.
Považuje sa, že vývoj spoločnosti Intel, technológia 3D Crosspoint (3D XPoint) používa práve fázové prechody na uchovávanie informácií. 3D XPoint sa používa v úložiskách Intel® Optane™ Memory, pre ktoré je deklarovaná vysoká odolnosť proti opotrebovaniu.
Záver
Fyzické zariadenie solid-state diskov prešlo mnohými zmenami za viac než polstoročnú históriu, no každé z riešení má svoje nevýhody. Napriek nepopierateľnej popularite Flash pamäte niekoľko spoločností, medzi ktorými sa nachádzajú Samsung a Intel, pracuje na možnosti vytvorenia pamäte na magnetických momentoch.
Zníženie opotrebovania buniek, ich zhutnenie a zvýšenie celkovej kapacity úložiska — to sú smery, ktoré sú teraz perspektívne pre ďalší rozvoj solid-state diskov.
Môžete už teraz otestovať tie najlepšie aktuálne úložiská NAND a 3D XPoint v našej .
Ako si myslíte, vystriedajú technológie ukladania informácií na elektrických nábojoch iné, napríklad kremenné disky alebo optická pamäť na nanokryštáloch soli?
Zdroj: habr.com
