Prejšnje dele cikla »Uvod v SSD« so bralcu predstavili zgodovino nastanka SSD-jev, vmesnike za njihovo delovanje in priljubljene oblikovne faktorje. Četrti del bo govoril o shranjevanju podatkov znotraj pomnilnikov.
V prejšnjih člankih cikla:
Shranjevanje podatkov v trdnih disku je možno razdeliti na dva logična dela: shranjevanje informacij v eni celici in organizacija shranjevanja celic.
Vsaka celica trdnega diska shranjuje eno ali več bitov informacije. Za shranjevanje informacij se uporabljajo različni fizični procesi. Pri razvoju trdih diskov so bili obravnavani naslednji fizični pojavi za kodiranje informacij:
- električni naboji (vključno s Flash pomnilnikom);
- magnetni momenti (magnetorezistivno pomnilništvo);
- fazi stanja (pomnilnik s spremembo faznega stanja).
Pomnilnik na osnovi električnih nabojov
Kodiranje informacij s pomočjo negativnega naboja je osnova za več rešitev:
- brisljiva ultravioleto EEPROM (EPROM);
- električno brisljiva EEPROM (EEPROM);
- Flash pomnilnik.
Vsaka celica pomnilnika je MOSFET poljski tranzistor s floating gate, v katerem je shranjen negativen naboj. Njegova razlika od običajnega MOSFET-a je v prisotnosti floating gate – prevodnika v dielektričnem sloju.
Ob ustvarjanju potencialne razlike med drenažo in virom ter prisotnosti pozitivnega potenciala na gate-u bo med virom in drenažo tekla tok. Vendar pa, ko je prisotna dovolj velika potencialna razlika, nekateri elektroni »prebijajo« dielektrični sloj in se znajdejo na floating gate. To pojav imenujemo .
Negativno nabit floating gate ustvarja električno polje, ki preprečuje tok od vira do drenaže. Poleg tega prisotnost elektronov na floating gate povečuje pragovno napetost, pri kateri se tranzistor odpre. Pri vsakem »zapisu« na floating gate tranzistorja se dielektrični sloj rahlo poškoduje, kar omejuje število prepisovalnih ciklov za vsako celico.
Poljski MOSFET-ji s plavajučim vratom so bili razviti s strani Davona Kanga in Simona Mina Zija iz Bell Labs leta 1967. Kasneje, med raziskovanjem napak v integriranih vezjih, so opazili, da se je zaradi naboja v plavajočem vratcu spremenilo napetostno pragovno napetost, ki odpira tranzistor. To odkritje je spodbudilo Dova Frohmana, da je začel delati na pomnilniku, ki temelji na fenomeni.
Sprememba pragovne napetosti omogoča "programiranje" tranzistorjev. Tranzistorji z nabojem v plavajočem vratcu se ne bodo odprli, ko na vratce nanesemo napetost, ki je višja od pragovne napetosti tranzistorja brez elektronov, vendar nižja od pragovne napetosti tranzistorja z elektroni. Imenujmo to vrednost napetost branja.
Erasable Programmable Read-Only Memory
Leta 1971 je zaposlen v Intelu, Dov Frohman, ustvaril ponovno programabilni pomnilnik na tranzistorjih, imenovan Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Zapis v pomnilnik je potekal s pomočjo posebne naprave – programatorja. Programator na čip nanese višjo napetost, kot se uporablja v digitalnih vezjih, s tem "zapiše" elektrone v plavajoča vrata tranzistorjev, kjer je to potrebno.
Pri EPROM pomnilniku ni bila predvidena električna odstranitev nabojev iz plavajočih vrat tranzistorjev. Namesto tega so predlagali, da na tranzistorje delujejo z močnim ultravijoličnim sevanjem, katerih fotoni dajo energijo elektronov, potrebno za zapustitev plavajočega vrata. Da bi omogočili dostop ultravijolične svetlobe do globine čipa, je bilo na ohišje dodano kvarčno steklo.
Frohman je prvič predstavil svoj prototip EPROM februarja 1971 na konferenci o trdnih mikročipih v Philadelphiji. Gordon Moore se je spominjal demonstracije: "Dov je pokazal bitno sliko v pomnilniških celicah EPROM. Ko je ultravijolična svetloba delovala na celice, so bitni izginili enega za drugim, dokler se ni popolnoma izbrisal znan logotip Intela. ... Biti so izginili, in ko je zadnji izginil, je celotna publika bučno zaploskala. Dovova naloga je bila razglašena za najboljšo na konferenci." — Prevod članka
EPROM pomnilnik je dražji od prej uporabljenih "enkratnih" neizbrisnih pomnilniških naprav (PZP), toda možnost ponastavitve omogoča hitrejše odpravljanje napak in krajši čas razvoja nove strojne opreme.
Ponastavitev PZP-ja z ultravijolično svetlobo je bila velik korak naprej, toda ideja električne ponastavitve je že 'lebdel' v zraku.
Električno ponastavljiva programabilna bralna pomnilnika
Leta 1972 so trije Japonci: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi in Kiyoko Nagai predstavili prvo električno ponastavljivo neizbrisno pomnilniško napravo (Električno ponastavljiva programabilna bralna pomnilnika, EEPROM ali E2PROM). Kasneje so raziskave postale del patentov za komercialne realizacije EEPROM-pomnilnika.
Vsaka celica EEPROM pomnilnika je sestavljena iz več tranzistorjev:
- tranzistor s plavajočo elektrodo za shranjevanje bita;
- tranzistor za upravljanje režima branja-in-izračunavanja.
Takšna konstrukcija močno otežuje vezavo električnih vezij, zato je bila EEPROM pomnilnika uporabljena v primerih, ko majhna količina pomnilnika ni bila kritična. Za shranjevanje večjih količin podatkov je še vedno bil uporabljen EPROM.
Flash pomnilnik
Flash pomnilnik, ki združuje najboljše lastnosti EPROM in EEPROM, je razvil japonski profesor Fujio Masuoka, inženir podjetja Toshiba, leta 1980. Prva različica se je imenovala Flash pomnilnik tipa NOR in je, kot njeni predhodniki, temeljila na poljih MOP tranzistorjev s plavajočo elektrodo.
Flash pomnilnik tipa NOR je dvodimenzionalna mreža tranzistorjev. Elektrodi tranzistorjev sta povezani z vodom besed, stranki pa na vod bitov. Ko je napetost podana na vod besed, se tranzistorji, ki vsebujejo elektrone, torej hranijo 'enico', ne odprejo in tok ne teče. Na podlagi prisotnosti ali odsotnosti toka na vodu bitov se ugotovi vrednost bita.
Po sedmih letih je Fujio Masuoka razvil Flash pomnilnik tipa NAND. Ta vrsta pomnilnika se razlikuje po številu tranzistorjev na bitni črti. V pomnilniku tipa NOR je vsak tranzistor neposredno povezan z bitno črto, medtem ko so v NAND pomnilniku tranzistorji povezani zaporedno.
Branje iz pomnilnika te konfiguracije je zahtevnejše: na potrebno linijo besede se dovaja napetost, potrebna za branje, ostalim linijam besed pa se dovaja napetost, ki odpre tranzistor ne glede na raven naboja v njem. Ker so vsi drugi tranzistorji zagotovo odprti, je prisotnost napetosti na bitni liniji odvisna samo od enega tranzistorja, na katerega je podana napetost za branje.
Izum Flash-pomnilnika tipa NAND omogoča znatno stiskanje sheme, kar omogoča večje količine pomnilnika pri istih dimenzijah. Do leta 2007 so povečali kapaciteto pomnilnika z zmanjšanjem proizvodnega tehnološkega postopka čipa.
Leta 2007 je podjetje Toshiba predstavilo novo različico NAND-pomnilnika: Vertical NAND (V-NAND), znan tudi kot 3D NAND. V tej tehnologiji je poudarek na postavitvi tranzistorjev v več plasteh, kar znova omogoča stiskanje sheme in povečanje kapacitete pomnilnika. Vendar pa stiskanje sheme ne more potekati neskončno, zato so bile raziskane druge metode za povečanje shranjene kapacitete pomnilnika.
Sprva je vsak tranzistor shranjeval dva nivoja naboja: logično nič in logično enico. Tak pristop se imenuje Single-Level Cell (SLC). Shranjevalniki s to tehnologijo se odlikujejo po visoki zanesljivosti in največjem številu ciklov prepisovanja.
Sčasoma je bilo odločeno, da se poveča kapaciteta shranjevalnikov na račun trajnosti. Tako se je število nivojev naboja v celici povečalo na štiri, tehnologijo pa so poimenovali Multi-Level Cell (MLC). Sledili so Triple-Level Cell (TLC) in Quad-Level Cell (QLC). V prihodnosti bo uveden nov nivo — Penta-Level Cell (PLC) s petimi biti v eni celici. Več bitov, ki jih je mogoče shraniti v eno celico, večja je kapaciteta shranjevalnika pri isti ceni, vendar je manjša trajnost.
Stiskanje sheme z zmanjšanjem tehnološkega postopka in povečanjem števila bitov v enem tranzistorju negativno vpliva na shranjene podatke. Kljub temu da se v EPROM in EEPROM uporabljajo isti tranzistorji, EPROM in EEPROM lahko hranita podatke brez napajanja do deset let, medtem ko lahko sodobni Flash-pomnilnik vse 'pozabi' že po enem letu.
Uporaba Flash-pomnilnika v vesoljski industriji je otežena, saj radiacija negativno vpliva na elektrone v plavajočih zaporih.
Omejene težave preprečujejo, da bi Flash pomnilnik postal nedvomni vodja na področju shranjevanja podatkov. Kljub široki uporabi Flash pomnilniških naprav se raziskujejo druge vrste pomnilnika, ki nimajo teh pomanjkljivosti, med katerimi sta shranjevanje podatkov v magnetskih momentih in faznih stanjih.
Magnetorezistivni pomnilnik
Kodiranje informacij v magnetskih momentih se je prvič pojavilo leta 1955 v obliki pomnilnika na magnetskih jedrih. Do sredine 70. let prejšnjega stoletja je bila feritna pomnilnik osrednja vrsta pomnilnika. Branje bita iz tovrstnega pomnilnika je privedlo do demagnetizacije obroča in izgube informacij. Tako je bilo po branju bita treba zapisati nazaj.
V sodobnih rešitvah magnetorezistivnega pomnilnika namesto obročev uporabljata dva sloja feromagnetika, ločena z dielektrikom. En sloj je trajni magnet, drugi pa spreminja smer magnetizacije. Branje bita iz takšne celice se zmanjšuje na merjenje upornosti ob prehodu toka: če sta sloja magnetizirana v nasprotni smeri, je upornost večja in to ustreza vrednosti '1'.
Feritni pomnilnik ne zahteva stalnega napajanja za ohranjanje zapisanih informacij, vendar lahko magnetsko polje celice vpliva na 'soseda', kar postavlja omejitve na zgoščenost vezja.
Po SSD diski na osnovi Flash pomnilnika brez napajanja morajo ohranjati informacije vsaj tri mesece pri ambientni temperaturi 40 °C. Razvit s strani Intela obljublja ohranjanje podatkov deset let pri temperaturi 200 °C.
Kljub zapletenosti razvoja magnetorezistivni pomnilnik ne degradira med uporabo in ima najboljšo učinkovitost med drugimi vrstami pomnilnika, kar ne omogoča njegovega zanemarjanja.
Pomnilnik s spremembo faznega stanja
Tretja obetavna vrsta pomnilnika je pomnilnik na osnovi fazne prehoda. Ta vrsta pomnilnika izkorišča lastnosti halkogenidov, da preklopi med kristalinično in amorfno stanje pri segrevanju.
Halkogenidi — binarne povezave kovin s 16. skupino (6. skupino glavne podskupine) periodnega sistema elementov. Na primer, v CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM in Blu-ray diskih se uporabljata telurid germanija (GeTe) in telurid antimona (III) (Sb2Te3).
Raziskave o uporabi faznega prehoda za shranjevanje informacij so potekale v 1960-ih letih pod vodstvom Stanforda Ovshinskega, toda dotlej je zadeva ostala neuresničena. V 2000-ih se je zanimanje za tehnologijo ponovno pojavilo, Samsung je patentiral tehnologijo, ki omogoča preklapljanje bita v 5 ns, Intel in STMicroelectronics pa sta povečala število stanj na štiri, s čimer sta podvojila možni obseg.
Pri segrevanju nad točko taljenja halcogenid izgubi kristalno strukturo in, ko se ohladi, preide v amorfno obliko, ki jo odlikuje visoka električna odpornost. Po drugi strani pa se pri segrevanju do temperature, višje od točke kristalizacije, a nižje od točke taljenja, halcogenid vrne v kristalno stanje z nizkim nivojem odpornosti.
Pomnilnik s prehodom faze ne zahteva 'polnjenja' skozi čas in tudi ni občutljiv na radiacijsko sevanje, v nasprotju s pomnilnikom na električnih nabojih. Ta vrsta pomnilnika lahko shranjuje informacije do 300 let pri temperaturi 85 °C.
Menijo, da Intelova rešitev, tehnologija 3D Crosspoint (3D XPoint) prav tako uporablja fazne prehode za shranjevanje informacij. 3D XPoint se uporablja v pogonih Intel® Optane™ Memory, za katere je navedena večja odpornost na obrabo.
Zaključek
Fizična naprava trdih diskov je doživela številne spremembe v več kot pol stoletja dolgo zgodovino, vendar ima vsaka rešitev svoje pomanjkljivosti. Kljub nepreklicni priljubljenosti Flash pomnilnika več podjetij, med katerimi sta Samsung in Intel, raziskuje možnost ustvarjanja pomnilnika z magnetskimi momenti.
Zmanjšanje obrabe celic, njihovo stiskanje in povečanje skupne kapacitete diska so smeri, ki trenutno veljajo za obetavne za nadaljnji razvoj trdih diskov.
Najboljše trenutne NAND in 3D XPoint pogone lahko preizkusite že zdaj v našem .
Kako mislite, hoće li tehnologija pohrane informacija na električnim nabojima biti zamenjena drugima, poput kvarcnih diskova ili optičke memorije na nanokristalima soli?
Izvor: habr.com
