Tidigare delar av serien "Introduktion till SSD" berättade för läsaren om historien om uppkomsten av SSD-enheter, gränssnitt för att interagera med dem och populära formfaktorer. Den fjärde delen kommer att tala om att lagra data inuti enheter.
I tidigare artiklar i serien:
Datalagring i solid-state-enheter kan delas in i två logiska delar: lagring av information i en enda cell och organisering av celllagring.
Varje cell i en solid state-enhet lagrar en eller flera informationsbitar. Olika typer av information används för att lagra information. fysiska processer. Vid utveckling av solid-state-enheter togs följande fysiska storheter i beaktande för kodningsinformation:
- elektriska laddningar (inklusive Flash-minne);
- magnetiska moment (magnetoresistivt minne);
- fastillstånd (minne med en förändring i fastillstånd).
Minne baserat på elektriska laddningar
Att koda information med en negativ laddning ligger bakom flera lösningar:
- ultraviolett raderbar ROM (EPROM);
- elektriskt raderbart ROM (EEPROM);
- Flashminne.
Varje minnescell är flytande grind MOSFET, som lagrar en negativ laddning. Dess skillnad från en konventionell MOS-transistor är närvaron av en flytande grind - en ledare i det dielektriska lagret.
När en potentialskillnad skapas mellan drain och source och det finns en positiv potential vid grinden, kommer ström att flyta från source till drain. Men om det finns en tillräckligt stor potentialskillnad "bryter" en del elektroner igenom det dielektriska skiktet och hamnar i den flytande grinden. Detta fenomen kallas .
En negativt laddad flytande grind skapar ett elektriskt fält som förhindrar ström från att flöda från källa till avlopp. Dessutom ökar närvaron av elektroner i den flytande grinden tröskelspänningen vid vilken transistorn slås på. Med varje "skrivning" till transistorns flytande grind skadas det dielektriska lagret något, vilket sätter en gräns för antalet omskrivningscykler för varje cell.
Floating-gate MOSFETs utvecklades av Dawon Kahng och Simon Min Sze på Bell Labs 1967. Senare, när man studerade defekter i integrerade kretsar, märktes det att på grund av laddningen i den flytande grinden ändrades tröskelspänningen som öppnar transistorn. Denna upptäckt fick Dov Frohman att börja arbeta med minne baserat på detta fenomen.
Genom att ändra tröskelspänningen kan du "programmera" transistorerna. Floating-gate transistorer kommer inte att slås på när gate-spänningen är större än tröskelspänningen för en transistor utan elektroner, men lägre än tröskelspänningen för en transistor med elektroner. Låt oss kalla detta värde avläsning av spänning.
Raderbart programmerbart skrivskyddat minne
1971 skapade Intel-anställde Dov Frohman ett transistorbaserat omskrivbart minne som heter Raderbart programmerbart läsminne (EPROM). Inspelning i minnet utfördes med en speciell enhet - en programmerare. Programmeraren lägger på en högre spänning till chippet än vad som används i digitala kretsar, och "skriver" därigenom elektroner till transistorernas flytande grindar där det behövs.
EPROM-minnet var inte avsett att rengöra transistorernas flytande grindar elektriskt. Istället föreslogs det att exponera transistorerna för starkt ultraviolett ljus, vars fotoner skulle ge elektronerna den energi som behövs för att fly den flytande grinden. För att tillåta ultraviolett ljus att tränga djupt in i chipet sattes kvartsglas till huset.
Froman presenterade först sin EPROM-prototyp i februari 1971 vid en solid-state IC-konferens i Philadelphia. Gordon Moore påminde om demonstrationen: "Dov demonstrerade bitmönstret i EPROM-minnescellerna. När cellerna exponerades för ultraviolett ljus försvann bitarna en efter en tills den obekanta Intel-logotypen var helt raderad. … Beatsen försvann, och när den sista försvann brast hela publiken ut i applåder. Dovs artikel erkändes som den bästa på konferensen." — Översättning av artikeln
EPROM-minne är dyrare än tidigare använda "engångsminnen" (ROM), men möjligheten att programmera om gör att du kan felsöka kretsar snabbare och minska tiden det tar att utveckla ny hårdvara.
Omprogrammering av ROM med ultraviolett ljus var ett betydande genombrott, men idén om elektrisk omskrivning fanns redan i luften.
Elektriskt raderbart programmerbart läsminne
1972 introducerade tre japaner: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi och Kiyoko Nagai det första elektriskt raderbara läsminnet (EEPROM eller E2PROM). Senare kommer deras vetenskapliga forskning att bli en del av patent för kommersiella implementeringar av EEPROM-minne.
Varje EEPROM-minnescell består av flera transistorer:
- flytande grindtransistor för bitlagring;
- transistor för styrning av läs-skrivläge.
Denna design komplicerar kraftigt ledningsdragningen av den elektriska kretsen, så EEPROM-minne användes i fall där en liten mängd minne inte var kritisk. EPROM användes fortfarande för att lagra stora mängder data.
Flashminne
Flash-minne, som kombinerar de bästa egenskaperna hos EPROM och EEPROM, utvecklades av den japanske professorn Fujio Masuoka, ingenjör vid Toshiba, 1980. Den första utvecklingen kallades NOR Flash-minne och är, liksom sina föregångare, baserad på MOSFET:er med flytande grind.
NOR-flashminne är en tvådimensionell uppsättning av transistorer. Transistorernas grindar är anslutna till ordlinjen och avloppen är anslutna till bitledningen. När spänning appliceras på ordlinjen öppnas inte transistorer som innehåller elektroner, det vill säga lagring av "en", och ström kommer inte att flyta. Baserat på närvaron eller frånvaron av ström på bitlinjen dras en slutsats om bitens värde.
Sju år senare utvecklade Fujio Masuoka NAND Flash-minne. Denna typ av minne skiljer sig i antalet transistorer på bitlinjen. I NOR-minnet är varje transistor direkt ansluten till en bitlinje, medan i NAND-minnet är transistorerna seriekopplade.
Att läsa från minnet av denna konfiguration är svårare: spänningen som krävs för att läsa läggs på den nödvändiga linjen i ordet, och spänning läggs på alla andra linjer i ordet, vilket öppnar transistorn oavsett laddningsnivån i den. Eftersom alla andra transistorer garanterat är öppna, beror närvaron av spänning på bitledningen endast på en transistor, till vilken lässpänningen appliceras.
Uppfinningen av NAND Flash-minne gör det möjligt att avsevärt komprimera kretsen och placera mer minne i samma storlek. Fram till 2007 utökades minneskapaciteten genom att minska tillverkningsprocessen av chippet.
2007 introducerade Toshiba en ny version av NAND-minne: Vertikal NAND (V-NAND), också känd som 3D NAND. Denna teknik lägger tonvikt på att placera transistorer i flera lager, vilket återigen möjliggör tätare kretsar och ökad minneskapacitet. Kretskomprimering kan dock inte upprepas i det oändliga, så andra metoder har undersökts för att öka lagringskapaciteten.
Inledningsvis lagrade varje transistor två laddningsnivåer: logisk noll och logisk en. Detta tillvägagångssätt kallas Single-Level Cell (SLC). Drivsystem med denna teknik är mycket tillförlitliga och har ett maximalt antal omskrivningscykler.
Med tiden beslutades det att öka lagringskapaciteten på bekostnad av slitstyrkan. Så antalet laddningsnivåer i en cell är upp till fyra, och tekniken kallades Multi-Level Cell (MLC). Nästa kom Trippelnivåcell (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). Det kommer att finnas en ny nivå i framtiden - Penta-Level Cell (PLC) med fem bitar per cell. Ju fler bitar som passar in i en cell, desto större lagringskapacitet till samma kostnad, men desto mindre slitstyrka.
Kompaktering av kretsen genom att minska den tekniska processen och öka antalet bitar i en transistor påverkar den lagrade datan negativt. Trots att EPROM och EEPROM använder samma transistorer kan EPROM och EEPROM lagra data utan ström i tio år, medan modernt flashminne kan "glömma" allt efter ett år.
Användningen av flashminne inom rymdindustrin är svår eftersom strålning har en skadlig effekt på elektronerna i de flytande grindarna.
Dessa problem hindrar Flash-minnet från att bli den obestridda ledaren inom området informationslagring. Trots att enheter baserade på Flash-minne är utbredda pågår forskning kring andra typer av minne som inte har dessa nackdelar, inklusive lagring av information i magnetiska moment och fastillstånd.
Magnetoresistivt minne
Kodningsinformation med magnetiska moment dök upp 1955 i form av minne på magnetiska kärnor. Fram till mitten av 1970-talet var ferritminne huvudtypen av minne. Att läsa lite från den här typen av minne ledde till avmagnetisering av ringen och förlust av information. Efter att ha läst lite fick den alltså skrivas tillbaka.
I moderna utvecklingar av magnetoresistivt minne, istället för ringar, används två lager av en ferromagnet, åtskilda av ett dielektrikum. Ett lager är en permanent magnet, och det andra ändrar magnetiseringsriktningen. Att läsa lite från en sådan cell handlar om att mäta resistansen när ström passerar: om skikten magnetiseras i motsatta riktningar är motståndet större och detta motsvarar värdet "1".
Ferritminne kräver inte en konstant strömkälla för att upprätthålla den registrerade informationen, men cellens magnetfält kan påverka "grannen", vilket innebär en begränsning av kretskomprimeringen.
Enligt SSD-enheter baserade på Flash-minne utan ström måste behålla information i minst tre månader vid en omgivningstemperatur på 40°C. Designad av Intel lovar att lagra data i tio år vid 200°C.
Trots komplexiteten i utvecklingen försämras inte magnetoresistivt minne under användning och har den bästa prestandan bland andra typer av minne, vilket inte tillåter att denna typ av minne skrivs av.
Fasändringsminne
Den tredje lovande typen av minne är minne baserat på fasförändring. Denna typ av minne använder egenskaperna hos kalkogenider för att växla mellan kristallina och amorfa tillstånd när de värms upp.
Kalkogenider — Binära föreningar av metaller med den 16:e gruppen (6:e gruppen i huvudundergruppen) i det periodiska systemet. Till exempel använder CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM och Blu-ray-skivor germaniumtellurid (GeTe) och antimon(III)tellurid (Sb2Te3).
Forskning om användningen av fasövergång för informationslagring utfördes i 1960-talet år av Stanford Ovshinsky, men då kom det inte till kommersiell implementering. På 2000-talet fanns det ett förnyat intresse för tekniken, Samsung patenterade teknologi som tillåter bitväxling på 5 ns, och Intel och STMicroelectronics ökade antalet tillstånd till fyra och fördubblade därmed den möjliga kapaciteten.
Vid upphettning över smältpunkten förlorar kalkogenid sin kristallina struktur och övergår vid kylning till en amorf form som kännetecknas av hög elektrisk resistans. I sin tur, när den upphettas till en temperatur över kristallisationspunkten, men under smältpunkten, återgår kalkogeniden till ett kristallint tillstånd med en låg nivå av motstånd.
Fasändringsminne kräver inte "uppladdning" över tid, och är inte heller mottagligt för strålning, till skillnad från elektriskt laddat minne. Denna typ av minne kan lagra information i 300 år vid en temperatur på 85°C.
Man tror att utvecklingen av Intel-teknik 3D Crosspoint (3D XPoint) Den använder fasövergångar för att lagra information. 3D XPoint används i Intel® Optane™ Memory-enheter, som påstås ha större uthållighet.
Slutsats
Den fysiska designen av solid-state-enheter har genomgått många förändringar under mer än ett halvt sekels historia, men var och en av lösningarna har sina nackdelar. Trots flashminnets obestridliga popularitet undersöker flera företag, inklusive Samsung och Intel, möjligheten att skapa minne baserat på magnetiska ögonblick.
Att minska cellslitage, komprimera dem och öka den totala kapaciteten hos frekvensomriktaren är områden som för närvarande är lovande för vidareutveckling av solid-state frekvensomriktare.
Du kan testa dagens coolaste NAND- och 3D XPoint-enheter just nu i vår .
Tror du att tekniker för att lagra information om elektriska laddningar kommer att ersättas av andra, till exempel kvartsskivor eller optiskt minne på saltnanokristaller?
Källa: will.com