ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ SSD ส่วนที่ 4 ทางกายภาพ

ส่วนก่อนหน้าของซีรีส์ "Introduction to SSD" บอกกับผู้อ่านเกี่ยวกับประวัติความเป็นมาของไดรฟ์ SSD อินเทอร์เฟซสำหรับการโต้ตอบกับไดรฟ์เหล่านั้น และฟอร์มแฟคเตอร์ยอดนิยม ส่วนที่สี่จะพูดถึงการจัดเก็บข้อมูลภายในไดรฟ์

ในบทความก่อนหน้านี้ในชุด:

1. ประวัติความเป็นมาของการสร้าง HDD และ SSD
2. การเกิดขึ้นของอินเทอร์เฟซการจัดเก็บข้อมูล
3. คุณสมบัติของฟอร์มแฟคเตอร์

การจัดเก็บข้อมูลในโซลิดสเตตไดรฟ์สามารถแบ่งออกเป็นสองส่วนเชิงตรรกะ: การจัดเก็บข้อมูลในเซลล์เดียวและการจัดระเบียบการจัดเก็บข้อมูลของเซลล์

แต่ละเซลล์ของโซลิดสเตตไดรฟ์จะจัดเก็บ ข้อมูลหนึ่งหรือหลายบิต. ข้อมูลประเภทต่างๆ ใช้ในการจัดเก็บข้อมูล กระบวนการทางกายภาพ. เมื่อพัฒนาโซลิดสเตตไดรฟ์ ปริมาณทางกายภาพต่อไปนี้จะได้รับการพิจารณาสำหรับการเข้ารหัสข้อมูล:

• ค่าไฟฟ้า (รวมถึงหน่วยความจำแฟลช);
• ช่วงเวลาแม่เหล็ก (หน่วยความจำแม่เหล็ก);
• สถานะเฟส (หน่วยความจำที่มีการเปลี่ยนแปลงสถานะเฟส)

หน่วยความจำขึ้นอยู่กับประจุไฟฟ้า

การเข้ารหัสข้อมูลโดยใช้ประจุลบรองรับวิธีแก้ปัญหาหลายประการ:

• ROM ที่สามารถลบล้างด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต (EPROM);
• ROM แบบลบข้อมูลด้วยไฟฟ้า (EEPROM);
• หน่วยความจำแฟลช

แต่ละเซลล์หน่วยความจำคือ MOSFET ประตูลอยซึ่งเก็บประจุลบไว้ ความแตกต่างจากทรานซิสเตอร์ MOS ทั่วไปคือการมีประตูลอยตัวซึ่งเป็นตัวนำในชั้นอิเล็กทริก

เมื่อเกิดความต่างศักย์ระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด และมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกที่ประตู กระแสจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำ อย่างไรก็ตาม หากมีความต่างศักย์มากเพียงพอ อิเล็กตรอนบางตัวจะ "ทะลุ" ชั้นอิเล็กทริกและไปจบลงที่ประตูลอย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า เอฟเฟกต์อุโมงค์.

ประตูลอยที่มีประจุลบจะสร้างสนามไฟฟ้าที่ป้องกันไม่ให้กระแสไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำ ยิ่งไปกว่านั้น การมีอยู่ของอิเล็กตรอนในประตูลอยจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ทรานซิสเตอร์เปิด ทุกครั้งที่ "เขียน" ไปที่ประตูลอยของทรานซิสเตอร์ ชั้นไดอิเล็กทริกจะเสียหายเล็กน้อย ซึ่งทำให้มีการจำกัดจำนวนรอบการเขียนใหม่ของแต่ละเซลล์

MOSFET ประตูลอยได้รับการพัฒนาโดย Dawon Kahng และ Simon Min Sze ที่ Bell Labs ในปี 1967 ต่อมาเมื่อศึกษาข้อบกพร่องในวงจรรวมพบว่าเนื่องจากประจุในประตูลอยตัว แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ที่เปิดทรานซิสเตอร์จึงเปลี่ยนไป การค้นพบนี้ทำให้ Dov Frohman เริ่มทำงานเกี่ยวกับหน่วยความจำตามปรากฏการณ์นี้

การเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ทำให้คุณสามารถ "ตั้งโปรแกรม" ทรานซิสเตอร์ได้ ทรานซิสเตอร์เกทแบบลอยตัวจะไม่เปิดเมื่อแรงดันเกทมากกว่าแรงดันเกทสำหรับทรานซิสเตอร์ที่ไม่มีอิเล็กตรอน แต่น้อยกว่าแรงดันเกทสำหรับทรานซิสเตอร์ที่มีอิเล็กตรอน ลองเรียกค่านี้ดู แรงดันการอ่าน.

หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวที่ตั้งโปรแกรมได้ที่สามารถลบได้

ในปี 1971 พนักงานของ Intel Dov Frohman ได้สร้างหน่วยความจำที่เขียนซ้ำได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์ที่เรียกว่า หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวที่ตั้งโปรแกรมได้ที่สามารถลบได้ (EPROM). การบันทึกลงในหน่วยความจำดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์พิเศษ - โปรแกรมเมอร์ โปรแกรมเมอร์ใช้แรงดันไฟฟ้ากับชิปที่สูงกว่าที่ใช้ในวงจรดิจิทัล ดังนั้นจึง "เขียน" อิเล็กตรอนไปที่ประตูลอยของทรานซิสเตอร์เมื่อจำเป็น

หน่วยความจำ EPROM ไม่ได้มีไว้เพื่อทำความสะอาดประตูลอยของทรานซิสเตอร์ด้วยระบบไฟฟ้า ในทางกลับกัน มีการเสนอให้นำทรานซิสเตอร์ไปสัมผัสกับแสงอัลตราไวโอเลตที่แรง ซึ่งโฟตอนที่จะให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนที่จำเป็นในการหลบหนีจากประตูลอยน้ำ เพื่อให้แสงอัลตราไวโอเลตสามารถทะลุเข้าไปในชิปได้ลึก จึงได้มีการเพิ่มแก้วควอตซ์เข้าไปในตัวเครื่อง

ฟรอมแมนนำเสนอต้นแบบ EPROM ของเขาครั้งแรกในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 1971 ที่การประชุม IC แบบโซลิดสเตตในฟิลาเดลเฟีย Gordon Moore เล่าถึงการสาธิตนี้ว่า "Dov สาธิตรูปแบบบิตในเซลล์หน่วยความจำ EPROM เมื่อเซลล์สัมผัสกับแสงอัลตราไวโอเลต บิตต่างๆ จะหายไปทีละเซลล์จนกว่าโลโก้ Intel ที่ไม่คุ้นเคยจะถูกลบออกจนหมด … จังหวะหายไป และเมื่อจังหวะสุดท้ายหายไป ผู้ชมทั้งหมดก็ปรบมือปรบมือ บทความของ Dov ได้รับการยอมรับว่าดีที่สุดในการประชุม” — การแปลบทความ ห้องข่าว.intel.com

หน่วยความจำ EPROM มีราคาแพงกว่าอุปกรณ์หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM) แบบ "ใช้แล้วทิ้ง" ที่ใช้ก่อนหน้านี้ แต่ความสามารถในการตั้งโปรแกรมใหม่ทำให้คุณสามารถดีบักวงจรได้เร็วขึ้น และลดเวลาที่ใช้ในการพัฒนาฮาร์ดแวร์ใหม่

การเขียนโปรแกรม ROM ใหม่ด้วยแสงอัลตราไวโอเลตเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญอย่างไรก็ตามแนวคิดในการเขียนใหม่ด้วยไฟฟ้าอยู่ในอากาศแล้ว

หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวที่ตั้งโปรแกรมได้แบบลบได้ด้วยไฟฟ้า

ในปี 1972 ชาวญี่ปุ่นสามคน ได้แก่ Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi และ Kiyoko Nagai ได้เปิดตัวหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวที่สามารถลบได้ด้วยไฟฟ้าตัวแรก (EEPROM หรือ E2PROM) ต่อมาการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของพวกเขาจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของสิทธิบัตรสำหรับการใช้งานหน่วยความจำ EEPROM ในเชิงพาณิชย์

เซลล์หน่วยความจำ EEPROM แต่ละเซลล์ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์หลายตัว:

• ทรานซิสเตอร์ประตูลอยสำหรับการจัดเก็บบิต
• ทรานซิสเตอร์สำหรับควบคุมโหมดอ่าน-เขียน

การออกแบบนี้ทำให้การเดินสายไฟของวงจรไฟฟ้ามีความซับซ้อนอย่างมาก ดังนั้นจึงใช้หน่วยความจำ EEPROM ในกรณีที่หน่วยความจำจำนวนเล็กน้อยไม่สำคัญ EPROM ยังคงใช้เพื่อจัดเก็บข้อมูลจำนวนมาก

หน่วยความจำแฟลช

หน่วยความจำแฟลชซึ่งรวมคุณสมบัติที่ดีที่สุดของ EPROM และ EEPROM ได้รับการพัฒนาโดยศาสตราจารย์ชาวญี่ปุ่น Fujio Masuoka วิศวกรของ Toshiba ในปี 1980 การพัฒนาครั้งแรกเรียกว่าหน่วยความจำแฟลช NOR และเหมือนกับรุ่นก่อนๆ ที่ใช้ MOSFET แบบเกทลอยตัว

หน่วยความจำแฟลช NOR เป็นอาร์เรย์สองมิติของทรานซิสเตอร์ ประตูของทรานซิสเตอร์เชื่อมต่อกับเส้นคำ และท่อระบายน้ำเชื่อมต่อกับเส้นบิต เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากับบรรทัดคำ ทรานซิสเตอร์ที่มีอิเล็กตรอนซึ่งก็คือการเก็บ "หนึ่ง" จะไม่เปิดและกระแสไฟฟ้าจะไม่ไหล ขึ้นอยู่กับการมีหรือไม่มีกระแสบนเส้นบิต ข้อสรุปจะถูกสรุปเกี่ยวกับค่าของบิต

เจ็ดปีต่อมา Fujio Masuoka ได้พัฒนาหน่วยความจำแฟลช NAND หน่วยความจำประเภทนี้จะแตกต่างกันไปตามจำนวนทรานซิสเตอร์บนเส้นบิต ในหน่วยความจำ NOR ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะเชื่อมต่อโดยตรงกับเส้นบิต ในขณะที่หน่วยความจำ NAND ทรานซิสเตอร์จะเชื่อมต่อแบบอนุกรม

การอ่านจากหน่วยความจำของการกำหนดค่านี้ยากกว่า: แรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการอ่านจะถูกนำไปใช้กับบรรทัดที่จำเป็นของคำและแรงดันไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้กับบรรทัดอื่น ๆ ทั้งหมดของคำซึ่งจะเปิดทรานซิสเตอร์โดยไม่คำนึงถึงระดับประจุในนั้น เนื่องจากรับประกันว่าทรานซิสเตอร์อื่นๆ ทั้งหมดจะเปิดได้ การมีอยู่ของแรงดันไฟฟ้าบนเส้นบิตจะขึ้นอยู่กับทรานซิสเตอร์ตัวเดียวเท่านั้นที่ใช้แรงดันไฟฟ้าในการอ่าน

การประดิษฐ์หน่วยความจำแฟลช NAND ทำให้สามารถบีบอัดวงจรได้อย่างมาก ทำให้หน่วยความจำมีขนาดเท่ากันมากขึ้น จนถึงปี 2007 ความจุหน่วยความจำเพิ่มขึ้นโดยการลดกระบวนการผลิตชิป

ในปี 2007 โตชิบาได้เปิดตัวหน่วยความจำ NAND เวอร์ชันใหม่: NAND แนวตั้ง (V-NAND)หรือเรียกอีกอย่างว่า 3D NAND. เทคโนโลยีนี้ให้ความสำคัญกับการวางทรานซิสเตอร์ในหลายชั้น ซึ่งช่วยให้วงจรหนาแน่นขึ้นและเพิ่มความจุหน่วยความจำอีกครั้ง อย่างไรก็ตาม การบดอัดวงจรไม่สามารถทำซ้ำได้อย่างไม่มีกำหนด ดังนั้นจึงมีการสำรวจวิธีการอื่นเพื่อเพิ่มความจุในการจัดเก็บ

ในตอนแรก ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะเก็บระดับประจุไว้สองระดับ: ศูนย์ตรรกะและระดับตรรกะ วิธีนี้เรียกว่า เซลล์ระดับเดียว (SLC). ไดรฟ์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้มีความน่าเชื่อถือสูงและมีจำนวนรอบการเขียนซ้ำสูงสุด

เมื่อเวลาผ่านไปมีการตัดสินใจที่จะเพิ่มความจุในการจัดเก็บโดยคำนึงถึงความต้านทานต่อการสึกหรอ ดังนั้นจำนวนระดับประจุในเซลล์จึงมีมากถึงสี่ระดับ จึงได้เรียกเทคโนโลยีนี้ว่า เซลล์หลายระดับ (MLC). ต่อไปก็มา เซลล์สามระดับ (TLC) и เซลล์สี่ระดับ (QLC). จะมีระดับใหม่ในอนาคต - เซลล์ระดับเพนตะ (PLC) ด้วยห้าบิตต่อเซลล์ ยิ่งบิตใส่ลงในเซลล์เดียวได้มาก ความจุในการจัดเก็บข้อมูลก็จะมากขึ้นด้วยต้นทุนเท่าเดิม แต่ความต้านทานต่อการสึกหรอก็จะน้อยลง

การบดอัดวงจรโดยการลดกระบวนการทางเทคนิคและการเพิ่มจำนวนบิตในทรานซิสเตอร์ตัวเดียวส่งผลเสียต่อข้อมูลที่เก็บไว้ แม้ว่า EPROM และ EEPROM จะใช้ทรานซิสเตอร์ตัวเดียวกัน แต่ EPROM และ EEPROM ก็สามารถจัดเก็บข้อมูลโดยไม่ต้องใช้พลังงานได้นานถึงสิบปี ในขณะที่หน่วยความจำแฟลชสมัยใหม่สามารถ "ลืม" ทุกอย่างได้หลังจากผ่านไปหนึ่งปี

การใช้หน่วยความจำแฟลชในอุตสาหกรรมอวกาศเป็นเรื่องยากเนื่องจากการแผ่รังสีมีผลเสียต่ออิเล็กตรอนในประตูลอยน้ำ

ปัญหาเหล่านี้ทำให้หน่วยความจำแฟลชไม่สามารถเป็นผู้นำในด้านการจัดเก็บข้อมูลได้อย่างไม่มีปัญหา แม้ว่าที่จริงแล้วไดรฟ์ที่ใช้หน่วยความจำแฟลชจะแพร่หลาย แต่ก็มีการวิจัยเกี่ยวกับหน่วยความจำประเภทอื่นๆ ที่ไม่มีข้อเสียเหล่านี้ รวมถึงการจัดเก็บข้อมูลในช่วงเวลาแม่เหล็กและสถานะเฟส

หน่วยความจำแม่เหล็ก

การเข้ารหัสข้อมูลด้วยโมเมนต์แม่เหล็กปรากฏในปี พ.ศ. 1955 ในรูปแบบของหน่วยความจำบนแกนแม่เหล็ก จนถึงกลางทศวรรษ 1970 หน่วยความจำเฟอร์ไรท์เป็นหน่วยความจำหลัก การอ่านเล็กน้อยจากหน่วยความจำประเภทนี้นำไปสู่การล้างอำนาจแม่เหล็กของวงแหวนและการสูญเสียข้อมูล ดังนั้นหลังจากอ่านไปได้ซักพักก็ต้องเขียนกลับ

ในการพัฒนาหน่วยความจำแบบต้านทานสนามแม่เหล็กสมัยใหม่ แทนที่จะใช้วงแหวน จะใช้เฟอร์โรแมกเนติกสองชั้น คั่นด้วยอิเล็กทริก ชั้นหนึ่งเป็นแม่เหล็กถาวร และชั้นที่สองเปลี่ยนทิศทางของการดึงดูด อ่านค่าเล็กน้อยจากเซลล์ดังกล่าวเพื่อวัดความต้านทานเมื่อผ่านกระแส: หากชั้นถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในทิศทางตรงกันข้าม ความต้านทานก็จะยิ่งใหญ่กว่าและจะเท่ากับค่า "1"

หน่วยความจำเฟอร์ไรต์ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานคงที่เพื่อรักษาข้อมูลที่บันทึกไว้ อย่างไรก็ตาม สนามแม่เหล็กของเซลล์อาจส่งผลต่อ "เพื่อนบ้าน" ซึ่งกำหนดข้อจำกัดในการบดอัดวงจร

ตามที่ JEDEC ไดรฟ์ SSD ที่ใช้หน่วยความจำแฟลชที่ไม่มีพลังงานจะต้องเก็บข้อมูลไว้เป็นเวลาอย่างน้อยสามเดือนที่อุณหภูมิแวดล้อม 40°C ออกแบบโดยอินเทล ชิปที่ใช้หน่วยความจำแม่เหล็ก สัญญาว่าจะจัดเก็บข้อมูลเป็นเวลาสิบปีที่อุณหภูมิ 200°C

แม้ว่าการพัฒนาจะมีความซับซ้อน แต่หน่วยความจำแบบต้านทานสนามแม่เหล็กก็ไม่ลดลงระหว่างการใช้งานและมีประสิทธิภาพดีที่สุดเมื่อเทียบกับหน่วยความจำประเภทอื่นๆ ซึ่งไม่อนุญาตให้มีการเขียนหน่วยความจำประเภทนี้ออกไป

หน่วยความจำเปลี่ยนเฟส

หน่วยความจำประเภทที่สามที่มีแนวโน้มคือหน่วยความจำตามการเปลี่ยนแปลงเฟส หน่วยความจำประเภทนี้ใช้คุณสมบัติของคาลโคเจนไนด์เพื่อสลับระหว่างสถานะผลึกและอสัณฐานเมื่อถูกความร้อน

ชาลโคจีไนด์ — สารประกอบไบนารีของโลหะที่มีหมู่ที่ 16 (กลุ่มที่ 6 ของกลุ่มย่อยหลัก) ของตารางธาตุ ตัวอย่างเช่น แผ่นดิสก์ CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM และ Blu-ray ใช้เจอร์เมเนียมเทลลูไรด์ (GeTe) และพลวง (III) เทลลูไรด์ (Sb2Te3)

มีการวิจัยเกี่ยวกับการใช้การเปลี่ยนเฟสสำหรับการจัดเก็บข้อมูล ทศวรรษ 1960 ปีโดย Stanford Ovshinsky แต่แล้วก็ไม่ได้นำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ ในช่วงทศวรรษ 2000 มีความสนใจในเทคโนโลยีนี้อีกครั้ง เทคโนโลยีที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของ Samsung ซึ่งช่วยให้สามารถสลับบิตได้ใน 5 ns และ Intel และ STMicroelectronics ได้เพิ่มจำนวนสถานะเป็น XNUMX สถานะ จึงเพิ่มความจุที่เป็นไปได้เป็นสองเท่า

เมื่อถูกความร้อนเหนือจุดหลอมเหลว ชาลโคเจนไนด์จะสูญเสียโครงสร้างผลึก และเมื่อเย็นตัวลง จะกลายเป็นรูปแบบอสัณฐานซึ่งมีความต้านทานไฟฟ้าสูง ในทางกลับกัน เมื่อถูกความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าจุดตกผลึก แต่ต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ชาลโคเจนไนด์จะกลับคืนสู่สถานะผลึกโดยมีระดับความต้านทานต่ำ

หน่วยความจำแบบเปลี่ยนเฟสไม่จำเป็นต้อง "ชาร์จใหม่" เมื่อเวลาผ่านไป และยังไม่ไวต่อรังสี ต่างจากหน่วยความจำที่ชาร์จด้วยไฟฟ้า หน่วยความจำประเภทนี้สามารถเก็บข้อมูลได้นานถึง 300 ปี ที่อุณหภูมิ 85°C

เชื่อกันว่าการพัฒนาเทคโนโลยีของอินเทล จุดตัด 3 มิติ (3D XPoint) ใช้การเปลี่ยนเฟสเพื่อจัดเก็บข้อมูล 3D XPoint ใช้ในไดรฟ์หน่วยความจำ Intel® Optane™ ซึ่งอ้างว่ามีความทนทานมากกว่า

ข้อสรุป

การออกแบบทางกายภาพของไดรฟ์โซลิดสเทตมีการเปลี่ยนแปลงมากมายตลอดประวัติศาสตร์กว่าครึ่งศตวรรษ อย่างไรก็ตาม แต่ละโซลูชันก็มีข้อเสียของตัวเอง แม้ว่าหน่วยความจำแฟลชจะได้รับความนิยมอย่างไม่อาจปฏิเสธได้ แต่บริษัทหลายแห่ง รวมถึง Samsung และ Intel ก็กำลังสำรวจความเป็นไปได้ในการสร้างหน่วยความจำตามช่วงเวลาแม่เหล็ก

การลดการสึกหรอของเซลล์ การกระชับเซลล์ และการเพิ่มความจุโดยรวมของไดรฟ์เป็นประเด็นที่มีแนวโน้มในการพัฒนาไดรฟ์โซลิดสเทตต่อไปในอนาคต

คุณสามารถทดสอบไดรฟ์ NAND และ 3D XPoint ที่ยอดเยี่ยมที่สุดในปัจจุบันได้ในของเรา ซีเล็คเทล แล็บ.

คุณคิดว่าเทคโนโลยีอื่นในการจัดเก็บข้อมูลเกี่ยวกับประจุไฟฟ้าจะถูกแทนที่ด้วยเทคโนโลยีอื่น เช่น แผ่นควอทซ์หรือหน่วยความจำแบบออปติคัลบนเกลือนาโนคริสตัลหรือไม่

ที่มา: will.com