Pjesët e mëparshme të serisë "Hyrje në SSD" i treguan lexuesit për historinë e shfaqjes së disqeve SSD, ndërfaqet për ndërveprim me ta dhe faktorët e formës popullore. Pjesa e katërt do të flasë për ruajtjen e të dhënave brenda disqeve.
Në artikujt e mëparshëm të serisë:
Ruajtja e të dhënave në disqet e gjendjes së ngurtë mund të ndahet në dy pjesë logjike: ruajtja e informacionit në një qelizë të vetme dhe organizimi i ruajtjes së qelizave.
Çdo qelizë e një disku në gjendje të ngurtë ruan një ose më shumë pjesë të informacionit. Lloje të ndryshme informacioni përdoren për të ruajtur informacionin. proceset fizike. Gjatë zhvillimit të disqeve në gjendje të ngurtë, sasitë fizike të mëposhtme u morën parasysh për kodimin e informacionit:
- ngarkesat elektrike (përfshirë memorien Flash);
- momentet magnetike (memorie magnetorezistuese);
- gjendjet fazore (memorie me një ndryshim në gjendjen fazore).
Kujtesa e bazuar në ngarkesat elektrike
Kodimi i informacionit duke përdorur një ngarkesë negative qëndron në themel të disa zgjidhjeve:
- ROM i fshirë me rreze ultraviolet (EPROM);
- ROM e fshirë elektrike (EEPROM);
- Flash memorie.
Çdo qelizë memorie është porta lundruese MOSFET, e cila ruan një ngarkesë negative. Dallimi i tij nga një transistor konvencional MOS është prania e një porte lundruese - një përcjellës në shtresën dielektrike.
Kur krijohet një ndryshim potencial midis kullimit dhe burimit dhe ka një potencial pozitiv në portë, rryma do të rrjedhë nga burimi në kullim. Sidoqoftë, nëse ka një ndryshim mjaftueshëm të madh potencial, disa elektrone "depërtojnë" shtresën dielektrike dhe përfundojnë në portën lundruese. Ky fenomen quhet .
Një portë lundruese e ngarkuar negativisht krijon një fushë elektrike që parandalon që rryma të rrjedhë nga burimi në kullim. Për më tepër, prania e elektroneve në portën lundruese rrit tensionin e pragut në të cilin ndizet transistori. Me çdo "shkrim" në portën lundruese të transistorit, shtresa dielektrike dëmtohet pak, gjë që vendos një kufi në numrin e cikleve të rishkrimit të secilës qelizë.
MOSFET me portë lundruese u zhvilluan nga Dawon Kahng dhe Simon Min Sze në Bell Labs në 1967. Më vonë, gjatë studimit të defekteve në qarqet e integruara, u vu re se për shkak të ngarkesës në portën lundruese, tensioni i pragut që hap transistorin ndryshoi. Ky zbulim bëri që Dov Frohman të fillonte të punonte me kujtesën bazuar në këtë fenomen.
Ndryshimi i tensionit të pragut ju lejon të "programoni" transistorët. Transistorët e portës lundruese nuk do të ndizen kur voltazhi i portës është më i madh se voltazhi i pragut për një transistor pa elektrone, por më i vogël se voltazhi i pragut për një tranzitor me elektrone. Le ta quajmë këtë vlerë tensioni i leximit.
Memorie e programueshme e fshishme vetëm për lexim
Në vitin 1971, punonjësi i Intel, Dov Frohman krijoi një memorie të rishkueshme të bazuar në tranzistor të quajtur Memorie e programueshme e fshishme vetëm për lexim (EPROM). Regjistrimi në memorie u krye duke përdorur një pajisje të veçantë - një programues. Programuesi aplikon një tension më të lartë në çip sesa përdoret në qarqet dixhitale, duke "shkruar" elektrone në portat lundruese të transistorëve aty ku është e nevojshme.
Memoria EPROM nuk kishte për qëllim pastrimin elektrik të portave lundruese të transistorëve. Në vend të kësaj, u propozua ekspozimi i tranzistorëve ndaj dritës së fortë ultravjollcë, fotonet e së cilës do t'u jepnin elektroneve energjinë e nevojshme për të ikur nga porta lundruese. Për të lejuar që drita ultravjollcë të depërtojë thellë në çip, qelqi kuarci u shtua në strehim.
Froman prezantoi për herë të parë prototipin e tij EPROM në shkurt 1971 në një konferencë IC të gjendjes së ngurtë në Filadelfia. Gordon Moore kujtoi demonstrimin: “Dov demonstroi modelin e bitit në qelizat e kujtesës EPROM. Kur qelizat u ekspozuan ndaj dritës ultravjollcë, pjesët u zhdukën një nga një derisa logoja e panjohur e Intel u fshi plotësisht. … Rrahjet u zhdukën dhe kur u zhduk i fundit, i gjithë publiku shpërtheu në duartrokitje. Artikulli i Dov u njoh si më i miri në konferencë." - Përkthimi i artikullit
Kujtesa EPROM është më e shtrenjtë se pajisjet e përdorura më parë me memorie "të disponueshme" vetëm për lexim (ROM), por aftësia për të riprogramuar ju lejon të korrigjoni më shpejt qarqet dhe të zvogëloni kohën që duhet për të zhvilluar një pajisje të re.
Riprogramimi i ROM-ve me dritë ultravjollcë ishte një zbulim i rëndësishëm, megjithatë, ideja e rishkrimit elektrik ishte tashmë në ajër.
Memorie e programueshme vetëm për lexim e fshirë elektrike
Në vitin 1972, tre japonezë: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi dhe Kiyoko Nagai prezantuan memorien e parë vetëm për lexim të fshirë elektrike (EEPROM ose E2PROM). Më vonë, kërkimi i tyre shkencor do të bëhet pjesë e patentave për implementimet komerciale të memories EEPROM.
Çdo qelizë memorie EEPROM përbëhet nga disa transistorë:
- tranzistor i portës lundruese për ruajtjen e biteve;
- transistor për kontrollin e mënyrës lexim-shkrim.
Ky dizajn e ndërlikon shumë instalimin e qarkut elektrik, kështu që memoria EEPROM përdorej në rastet kur një sasi e vogël memorie nuk ishte kritike. EPROM u përdor ende për të ruajtur sasi të mëdha të dhënash.
Flash memorie
Memoria flash, duke kombinuar tiparet më të mira të EPROM dhe EEPROM, u zhvillua nga profesori japonez Fujio Masuoka, një inxhinier në Toshiba, në vitin 1980. Zhvillimi i parë u quajt memorie NOR Flash dhe, si paraardhësit e tij, bazohet në MOSFET me portë lundruese.
NOR flash memoria është një grup dy-dimensional i tranzistorëve. Portat e tranzistorëve janë të lidhura me linjën e fjalës, dhe kullimet janë të lidhura me linjën e bitit. Kur aplikohet tension në vijën e fjalës, transistorët që përmbajnë elektrone, domethënë që ruajnë "një", nuk do të hapen dhe rryma nuk do të rrjedhë. Bazuar në praninë ose mungesën e rrymës në vijën e bitit, nxirret një përfundim për vlerën e bitit.
Shtatë vjet më vonë, Fujio Masuoka zhvilloi memorien NAND Flash. Ky lloj memorie ndryshon në numrin e transistorëve në linjën e bitit. Në memorien NOR, çdo transistor lidhet drejtpërdrejt me një linjë bit, ndërsa në memorien NAND, transistorët janë të lidhur në seri.
Leximi nga memoria e këtij konfigurimi është më i vështirë: voltazhi i kërkuar për lexim aplikohet në vijën e nevojshme të fjalës, dhe voltazhi aplikohet në të gjitha linjat e tjera të fjalës, gjë që hap transistorin pavarësisht nga niveli i ngarkesës në të. Meqenëse të gjithë transistorët e tjerë garantohen të jenë të hapur, prania e tensionit në linjën e bitit varet vetëm nga një transistor, në të cilin aplikohet tensioni i lexuar.
Shpikja e memories NAND Flash bën të mundur ngjeshjen e konsiderueshme të qarkut, duke vendosur më shumë memorie në të njëjtën madhësi. Deri në vitin 2007, kapaciteti i memories u rrit duke reduktuar procesin e prodhimit të çipit.
Në vitin 2007, Toshiba prezantoi një version të ri të memories NAND: NAND vertikale (V-NAND), i njohur edhe si 3D NAND. Kjo teknologji vë një theks në vendosjen e transistorëve në shtresa të shumta, gjë që përsëri lejon qarkun më të dendur dhe kapacitetin e rritur të memories. Megjithatë, ngjeshja e qarkut nuk mund të përsëritet pafundësisht, kështu që janë eksploruar metoda të tjera për të rritur kapacitetin e ruajtjes.
Fillimisht, çdo transistor ruante dy nivele ngarkimi: zero logjike dhe një logjike. Kjo qasje quhet Qelizë me një nivel (SLC). Disqet me këtë teknologji janë shumë të besueshme dhe kanë një numër maksimal ciklesh rishkrimi.
Me kalimin e kohës, u vendos të rritet kapaciteti i ruajtjes në kurriz të rezistencës ndaj konsumit. Pra, numri i niveleve të ngarkimit në një qelizë është deri në katër, dhe teknologjia u thirr Qeliza me shumë nivele (MLC). Tjetra erdhi Qeliza e nivelit të trefishtë (TLC) и Qeliza me katër nivele (QLC). Do të ketë një nivel të ri në të ardhmen - Qeliza e nivelit Penta (PLC) me pesë bit për qelizë. Sa më shumë pjesë të futen në një qelizë, aq më i madh është kapaciteti i ruajtjes me të njëjtën kosto, por aq më pak rezistencë ndaj konsumit.
Ngjeshja e qarkut duke reduktuar procesin teknik dhe duke rritur numrin e biteve në një transistor ndikon negativisht në të dhënat e ruajtura. Përkundër faktit se EPROM dhe EEPROM përdorin të njëjtat transistorë, EPROM dhe EEPROM mund të ruajnë të dhëna pa energji për dhjetë vjet, ndërsa memoria moderne Flash mund të "harrojë" gjithçka pas një viti.
Përdorimi i memories Flash në industrinë hapësinore është i vështirë sepse rrezatimi ka një efekt të dëmshëm në elektronet në portat lundruese.
Këto probleme pengojnë që memoria Flash të bëhet lider i padiskutueshëm në fushën e ruajtjes së informacionit. Përkundër faktit se disqet e bazuara në memorie Flash janë të përhapura, kërkimet janë duke u zhvilluar për lloje të tjera memorie që nuk i kanë këto disavantazhe, duke përfshirë ruajtjen e informacionit në momentet magnetike dhe gjendjet fazore.
Kujtesa magnetorezistuese
Kodimi i informacionit me momente magnetike u shfaq në vitin 1955 në formën e memories në bërthamat magnetike. Deri në mesin e viteve 1970, memoria ferrit ishte lloji kryesor i memories. Leximi pak nga ky lloj memorie çoi në demagnetizimin e unazës dhe humbjen e informacionit. Kështu, pasi u lexua pak, duhej të shkruhej përsëri.
Në zhvillimet moderne të kujtesës magnetorezistente, në vend të unazave, përdoren dy shtresa të një ferromagneti, të ndara nga një dielektrik. Një shtresë është një magnet i përhershëm, dhe e dyta ndryshon drejtimin e magnetizimit. Leximi pak nga një qelizë e tillë zbret në matjen e rezistencës kur kalon rrymë: nëse shtresat magnetizohen në drejtime të kundërta, atëherë rezistenca është më e madhe dhe kjo është ekuivalente me vlerën "1".
Kujtesa e ferritit nuk kërkon një burim të vazhdueshëm energjie për të ruajtur informacionin e regjistruar, megjithatë, fusha magnetike e qelizës mund të ndikojë në "fqinjën", gjë që imponon një kufizim në ngjeshjen e qarkut.
Sipas Disqet SSD të bazuara në memorie flash pa energji duhet të ruajnë informacionin për të paktën tre muaj në një temperaturë ambienti prej 40°C. Projektuar nga Intel premton të ruajë të dhënat për dhjetë vjet në 200°C.
Megjithë kompleksitetin e zhvillimit, memoria magnetorezistuese nuk degradohet gjatë përdorimit dhe ka performancën më të mirë midis llojeve të tjera të memories, gjë që nuk lejon që kjo lloj memorie të fshihet.
Kujtesa e ndryshimit të fazës
Lloji i tretë premtues i memories është kujtesa e bazuar në ndryshimin e fazës. Ky lloj memorie përdor vetitë e kalkogjenideve për të kaluar midis gjendjeve kristalore dhe amorfe kur nxehet.
Kalkogjenidet — komponimet binare të metaleve me grupin e 16-të (grupi i 6-të i nëngrupit kryesor) të tabelës periodike. Për shembull, disqet CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM dhe Blu-ray përdorin telurid germanium (GeTe) dhe telurid antimon (III) (Sb2Te3).
Hulumtimi mbi përdorimin e tranzicionit fazor për ruajtjen e informacionit u krye në vitet 1960 vit nga Stanford Ovshinsky, por më pas nuk erdhi në zbatim komercial. Në vitet 2000, pati një interes të ri për teknologjinë, Samsung patentoi teknologjinë që lejon ndërrimin e biteve në 5 ns, dhe Intel dhe STMicroelectronics rritën numrin e shteteve në katër, duke dyfishuar kështu kapacitetin e mundshëm.
Kur nxehet mbi pikën e shkrirjes, kalkogjenidi humbet strukturën e tij kristalore dhe, pas ftohjes, kthehet në një formë amorfe të karakterizuar nga rezistencë e lartë elektrike. Nga ana tjetër, kur nxehet në një temperaturë mbi pikën e kristalizimit, por nën pikën e shkrirjes, kalkogjenidi kthehet në një gjendje kristalore me një nivel të ulët të rezistencës.
Kujtesa e ndryshimit të fazës nuk kërkon "rimbushje" me kalimin e kohës dhe gjithashtu nuk është e ndjeshme ndaj rrezatimit, ndryshe nga kujtesa e ngarkuar elektrike. Ky lloj memorie mund të ruajë informacionin për 300 vjet në një temperaturë prej 85°C.
Besohet se zhvillimi i teknologjisë Intel Kryqëzimi 3D (3D XPoint) Ai përdor kalimet fazore për të ruajtur informacionin. 3D XPoint përdoret në disqet Intel® Optane™ Memory, të cilat pretendohet se kanë qëndrueshmëri më të madhe.
Përfundim
Dizajni fizik i disqeve në gjendje të ngurtë ka pësuar shumë ndryshime gjatë më shumë se gjysmë shekulli histori, megjithatë, secila prej zgjidhjeve ka të metat e veta. Pavarësisht nga popullariteti i pamohueshëm i memories Flash, disa kompani, duke përfshirë Samsung dhe Intel, po eksplorojnë mundësinë e krijimit të memories bazuar në momentet magnetike.
Reduktimi i konsumit të qelizave, ngjeshja e tyre dhe rritja e kapacitetit të përgjithshëm të diskut janë fusha që janë aktualisht premtuese për zhvillimin e mëtejshëm të disqeve në gjendje të ngurtë.
Ju mund të testoni disqet më të bukur NAND dhe 3D XPoint të sotëm në faqen tonë .
A mendoni se teknologjitë për ruajtjen e informacionit mbi ngarkesat elektrike do të zëvendësohen nga të tjera, për shembull, disqe kuarci ose memorie optike në nanokristalet e kripës?
Burimi: www.habr.com