De tidigare delarna av serien "Introduktion till SSD" har berÀttat för lÀsarna om historien bakom SSD-enheter, grÀnssnittet för interaktion med dem och populÀra formfaktorer. Den fjÀrde delen kommer att handla om datahantering inuti enheterna.
I de föregÄende artiklarna i serien:
Datahantering i solid state-enheter kan delas in i tvÄ logiska delar: lagring av information i en cell och organisering av lagring av cellerna.
Varje cell i en solid state-enhet lagrar en eller flera bitar information. För att lagra information anvÀnds olika fysiska processer. Vid utvecklingen av solid state-enheter har följande fysiska storheter bearbetats för kodning av information:
- elektriska laddningar (inklusive Flash-minne);
- magnetiska moment (magnetoresistivt minne);
- faser av tillstÄnd (minne med förÀndrade fasstillstÄnd).
Minne baserat pÄ elektriska laddningar
Information kodas med hjÀlp av negativ laddning som ligger till grund för flera lösningar:
- UV-suddigt EEPROM (EPROM);
- elektriskt suddbart EEPROM (EEPROM);
- Flash-minne.
Varje minnescell Ă€r en FET-transistor med flytande gate, dĂ€r en negativ laddning lagras. Dess skillnad frĂ„n en vanlig FET-transistor Ă€r förekomsten av en flytande gate â en ledare i dielektrikskiktet.
Vid skapandet av en potentialskillnad mellan drÀnering och kÀlla och med en positiv potential pÄ gaten kommer ström att flyta frÄn kÀlla till drÀnering. Men vid en tillrÀckligt stor potentialskillnad "trÀnger" vissa elektroner igenom dielektrikskiktet och hamnar i den flytande gaten. Detta fenomen kallas .
Den negativt laddade flytande gaten skapar ett elektriskt fÀlt som motverkar strömflödet frÄn kÀlla till drÀnering. Dessutom ökar nÀrvaron av elektroner i den flytande gaten tröskelspÀnningen vid vilken transistorn öppnas. Vid varje "skrivning" till den flytande gaten skadas dielektrikskiktet nÄgot, vilket lÀgger en begrÀnsning pÄ antalet omskrivningscykler för varje cell.
FÀltsverks MOS-transistorer med svÀvande grind utvecklades av Dawon Kahng och Simon Min Sze vid Bell Labs 1967. Senare, under forskning kring defekter i integrerade kretsar, observerades det att tröskelspÀnningen, som öppnar transistorn, förÀndrades pÄ grund av laddningen i den svÀvande grinden. Denna upptÀckte ledde till att Dov Frohman började arbeta med minne baserat pÄ detta fenomen.
Ăndringen av tröskelspĂ€nningen möjliggör "programmering" av transistorer. Transistorer med laddning i den svĂ€vande grinden kommer inte att öppnas nĂ€r en spĂ€nning högre Ă€n tröskelspĂ€nningen för transistorn utan elektroner ges till grinden, men lĂ€gre Ă€n tröskelspĂ€nningen för transistorn med elektroner. Vi kallar ett sĂ„dant vĂ€rde lĂ€sningens spĂ€nning.
Erasable Programmable Read-Only Memory
1971 skapade Intel-anstĂ€lld Dov Frohman, det omskrivbara minnet baserat pĂ„ transistorer, kallat Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). In skrivningen till minnet anvĂ€ndes en speciell enhet â programmerare. Programmeraren tillförde kretsen en högre spĂ€nning Ă€n den som anvĂ€nds i digitala kretsar, vilket "skrev" elektroner i de svĂ€vande grindarna pĂ„ transistorerna dĂ€r det var nödvĂ€ndigt.
I EPROM-minnet var det inte tÀnkt att rensa de svÀvande grindarna av transistorer elektriskt. IstÀllet föreslogs det att pÄverka transistorerna med stark ultraviolett strÄlning, vars fotoner ger elektroner den energi som krÀvs för att lÀmna den svÀvande grinden. För att ultravioletten ska kunna penetrera djupt i chipet lades kvartsglas till höljet.
Frohman presenterade för första gĂ„ngen sin prototyp av EPROM i februari 1971 pĂ„ en konferens om fast state-kretsar i Philadelphia. Gordon Moore minns demonstrationen: "Dov visade bitmönster i EPROM-minnesceller. NĂ€r cellerna utsattes för ultraviolett ljus försvann bitarna en efter en, tills den kĂ€nda Intel-logotypen helt suddades ut. ... Bitarna försvann, och nĂ€r den sista försvann bröt hela publiken ut i applĂ„der. Dovs artikel erkĂ€ndes som den bĂ€sta pĂ„ konferensen." â ĂversĂ€ttning av artikeln
EPROM-minnet Àr dyrare Àn de tidigare anvÀnda "engÄngs" permanenta lagringsenheterna (ROM), men möjligheten till omprogrammering gör att man kan justera kretsar snabbare och förkorta utvecklingstiden för ny hÄrdvara.
Omprogrammering av ROM med ultraviolett ljus var ett betydande genombrott, men idĂ©n om elektrisk omskrivning hade redan âsvĂ€vatâ i luften.
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
à r 1972 presenterade tre japaner: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi och Kiyoko Nagai den första elektriskt raderbara permanenta lagringsenheten (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM). Senare kommer deras vetenskapliga forskning att bli en del av patenten för kommersiella tillÀmpningar av EEPROM-minnen.
Varje EEPROM-minnescell bestÄr av flera transistorer:
- en transistor med flytande gate för lagring av en bit;
- en transistor för att styra lÀs- och skrivlÀge.
Denna konstruktion komplicerar starkt ledningen av den elektriska kretsen, varför EEPROM-minnet anvÀndes i fall dÀr liten minneskapacitet inte var avgörande. För lagring av stora datamÀngder anvÀndes fortfarande EPROM.
Flash-minne
Flash-minnet, som kombinerar de bÀsta funktionerna hos EPROM och EEPROM, utvecklades av den japanska professorn Fujio Masuoka, ingenjör pÄ Toshiba, Är 1980. Den första utvecklingen fick namnet Flash-minne av typ NOR och, liksom dess föregÄngare, baseras den pÄ fÀlteffekttransistorer med flytande gate.
Flash-minne av typ NOR Àr en tvÄdimensionell array av transistorer. Transistorernas gates Àr anslutna till ordlinjen, medan drÀneringarna Àr kopplade till bitlinjen. NÀr spÀnning appliceras pÄ ordlinjen kommer transistorer som innehÄller elektroner, det vill sÀga som lagrar "ett", inte att öppna och ingen ström kommer att flyta. Baserat pÄ strömens nÀrvaro eller frÄnvaro pÄ bitlinjen dras slutsatsen om bitens vÀrde.
Sju Är senare utvecklade Fujio Masuoka Flash-minne av typ NAND. Denna typ av minne skiljer sig Ät i antalet transistorer pÄ bitlinjen. I NOR-minnet Àr varje transistor direkt kopplad till bitlinjen, medan i NAND-minnet Àr transistorerna kopplade i serie.
Att lÀsa frÄn minnet med en sÄdan konfiguration Àr svÄrare: spÀnningen som behövs för att lÀsa skickas till den aktuella linjen av ordet, medan spÀnningen som öppnar transistorn oavsett laddningsnivÄ skickas till alla andra linjer av ordet. Eftersom alla andra transistorer garanterat Àr öppna beror nÀrvaron av spÀnning pÄ bitlinjen endast pÄ en transistor som fÄr lÀspÀnningen.
Uppfinningen av NAND-flashminne gör det möjligt att komprimera schemat avsevÀrt, sÄ att fler minnen kan placeras i samma storlek. Fram till 2007 ökade man minneskapaciteten genom att minska chipets produktionsteknik.
à r 2007 introducerade Toshiba en ny version av NAND-minnet: Vertical NAND (V-NAND), Àven kÀnt som 3D NAND. I denna teknik betonas placeringen av transistorer i flera lager, vilket Äterigen möjliggör att komprimera schemat och öka minneskapaciteten. Det ska dock nÀmnas att komprimering av schemat inte kan upprepas oÀndligt, varför andra metoder för att öka det lagrade minnet har undersökts.
I början lagrade varje transistor tvÄ laddningsnivÄer: logisk noll och logisk etta. Denna metod kallas Single-Level Cell (SLC). Enheter med denna teknik sÀrskiljer sig genom hög tillförlitlighet och maximalt antal omprogrammeringscykler.
Med tiden togs beslutet att öka lagringskapaciteten pĂ„ bekostnad av slitstyrkan. SĂ„ antalet laddningsnivĂ„er i cellen ökades till fyra, och teknologin kallades Multi-Level Cell (MLC). DĂ€refter kom Triple-Level Cell (TLC) och Quad-Level Cell (QLC). I framtiden kommer en ny nivĂ„ att dyka upp â Penta-Level Cell (PLC) med fem bitar i en cell. Ju fler bitar som fĂ„r plats i en cell, desto större lagringskapacitet fĂ„r vi till samma kostnad, men slitstyrkan minskar.
Komprimering av schemat genom att minska tillverkningsprocessen och öka antalet bitar i en transistor pÄverkar lagrade data negativt. Trots att EPROM och EEPROM anvÀnder samma transistorer, kan EPROM och EEPROM lagra data utan ström i tio Är, medan modern flashminne kan "glömma" allt redan efter ett Är.
AnvÀndningen av flashminne inom rymdindustrin Àr problematisk, eftersom strÄlning har en skadlig effekt pÄ elektroner i flytande lÀgen.
De nÀmnda problemen hindrar flashminne frÄn att bli en ohotad ledare inom datalagring. Trots att flashminnen Àr utbredda pÄgÄr forskning inom andra typer av minnen som saknar dessa brister, sÄsom lagring av information i magnetiska moment och fasövergÄngar.
Magnetoresistivt minne
Kodning av information med magnetiska moment introducerades 1955 i form av minnen med magnetiska kÀrnor. Fram till mitten av 1970-talet var ferritminne den dominerande typen av minne. Att lÀsa en bit frÄn denna typ av minne ledde till avmagnetisering av ringen och förlust av information. DÀrför var det nödvÀndigt att skriva tillbaka biten efter lÀsningen.
I moderna utvecklingar av magnetoresistivt minne anvÀnds istÀllet för ringar tvÄ lager av ferromagnetiska material separerade av en dielektrisk komponent. Ett lager fungerar som en permanent magnet, medan det andra förÀndrar magnetiseringsriktning. Att lÀsa en bit frÄn en sÄdan cell innebÀr att mÀta resistansen nÀr ström flyter: om lagren Àr magnetiserade i motsatta riktningar Àr resistansen högre och detta motsvarar vÀrdet "1".
Ferritminne krÀver ingen konstant strömkÀlla för att behÄlla inspelad information, men magnetfÀltet i cellen kan pÄverka en "granne", vilket sÀtter begrÀnsningar för densiteten i kretsarna.
Enligt SSD-enheter baserade pÄ flashminne ska kunna behÄlla information i minst tre mÄnader utan ström vid en omgivningstemperatur pÄ 40 °C. Den utvecklade chipp frÄn Intel lovar att bevara data i tio Är vid en temperatur pÄ 200 °C.
Trots att utvecklingen Àr komplicerad, degraderas inte magnetoresistivt minne under anvÀndning och har en bÀttre prestanda Àn andra typer av minne, vilket gör att denna typ av minne inte kan avskrivas.
Minne med fasövergÄng
En tredje lovande typ av minne Àr fasÀndringsminne. Denna typ av minne utnyttjar egenskaperna hos kalsium- och selenföreningar för att vÀxla mellan kristallina och amorfa tillstÄnd vid upphettning.
Kalsium- och selenföreningar â binĂ€ra metallanslutningar med grupp 16 (6:e huvudgruppen) i Mendelejevs periodiska system. Till exempel anvĂ€nds tellurid av germanium (GeTe) och tellurid av antimon (III) (Sb2Te3) i CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM och Blu-ray-skivor.
Forskning om anvÀndningen av fasövergÄngar för informationslagring har genomförts i 1960-talet av Stanford Ovshinsky, men det ledde dÄ inte till kommersiell tillÀmpning. Under 2000-talet vÀcktes intresset för teknologin igen; Samsung patenterade en teknik som gör det möjligt att vÀxla bitar pÄ 5 ns, medan Intel och STMicroelectronics ökade antalet tillstÄnd till fyra, vilket dubblerade den möjliga kapaciteten.
Vid upphettning över smÀltpunkten förlorar chalcogeniden sin kristallina struktur och förvandlas vid avkylning till en amorf form, som kÀnnetecknas av hög elektrisk resistans. Vid upphettning till en temperatur över kristallisationspunkten men under smÀltpunkten ÄtergÄr chalcogeniden dÀremot till ett kristallin tillstÄnd med lÄg resistans.
Minnet med fasövergÄng krÀver ingen «laddning» över tid och Àr inte mottagligt för strÄlningsutslÀpp, till skillnad frÄn minnen som bygger pÄ elektriska laddningar. Denna typ av minne kan bevara information i upp till 300 Är vid en temperatur av 85 °C.
Det anses att Intels utveckling, teknologin 3D Crosspoint (3D XPoint) anvÀnder just fasövergÄngar för informationslagring. 3D XPoint anvÀnds i IntelŸ Optane⹠Memory-lagringsenheter, som anges ha hög slitstyrka.
Slutsats
Den fysiska enheten för solid state-enheter har genomgÄtt mÄnga förÀndringar under mer Àn ett halvt sekel, men varje lösning har sina nackdelar. Trots den obestridliga populariteten hos Flash-minne arbetar flera företag, inklusive Samsung och Intel, med möjligheten att skapa minnesteknik baserad pÄ magnetiska moment.
Minskning av cellernas slitage, deras komprimering och ökning av den totala kapaciteten för lagringsenheten Àr just nu perspektivrikt för den fortsatta utvecklingen av solid state-enheter.
Du kan redan nu testa de mest fantastiska NAND- och 3D XPoint-lagringsenheterna i vÄr .
Vad tror ni, kommer teknologin för informationslagring pÄ elektriska laddningar att ersÀttas av andra, som kvartsdiskar eller optiskt minne pÄ nanokristaller av salt?
KĂ€lla: habr.com
