"SSD'ye Giriş" serisinin önceki bölümleri, okuyucuya SSD sürücülerin ortaya çıkış tarihini, onlarla etkileşime geçmek için arayüzleri ve popüler form faktörlerini anlattı. Dördüncü bölümde verilerin sürücülerde saklanmasından bahsedeceğiz.
Serinin önceki makalelerinde:
Katı hal sürücülerdeki veri depolama iki mantıksal bölüme ayrılabilir: bilgilerin tek bir hücrede depolanması ve hücre depolamasının düzenlenmesi.
Katı hal sürücüsünün her hücresi depolar bir veya daha fazla bilgi parçası. Bilgiyi depolamak için çeşitli bilgi türleri kullanılır. fiziksel süreçler. Katı hal sürücüleri geliştirirken bilgileri kodlamak için aşağıdaki fiziksel büyüklükler dikkate alındı:
- elektrik ücretleri (Flash bellek dahil);
- manyetik anlar (manyetorezitif hafıza);
- faz durumları (faz durumunda değişiklik olan hafıza).
Elektrik yüklerine dayalı hafıza
Negatif yük kullanarak bilgilerin kodlanması çeşitli çözümlerin temelini oluşturur:
- ultraviyole silinebilir ROM (EPROM);
- elektriksel olarak silinebilir ROM (EEPROM);
- Flaş bellek.
Her bir hafıza hücresi yüzer kapılı MOSFETNegatif bir yükü depolayan. Geleneksel bir MOS transistöründen farkı, dielektrik katmanda bir iletken olan yüzen bir geçidin varlığıdır.
Drenaj ve kaynak arasında bir potansiyel farkı yaratıldığında ve kapıda pozitif bir potansiyel olduğunda, akım kaynaktan drenaja akacaktır. Bununla birlikte, yeterince büyük bir potansiyel farkı varsa, bazı elektronlar dielektrik tabakayı "yarıp geçer" ve yüzen kapıya ulaşır. Bu fenomene denir .
Negatif yüklü yüzen bir geçit, akımın kaynaktan drenaja akmasını önleyen bir elektrik alanı oluşturur. Ayrıca, kayan kapıdaki elektronların varlığı, transistörün açıldığı eşik voltajını arttırır. Transistörün kayan kapısına yapılan her "yazma" ile dielektrik katman hafifçe hasar görür ve bu da her hücrenin yeniden yazma döngülerinin sayısına bir sınır getirir.
Yüzer kapılı MOSFET'ler 1967 yılında Dawon Kahng ve Simon Min Sze tarafından Bell Laboratuvarlarında geliştirildi. Daha sonra entegre devrelerdeki kusurları incelerken, kayan kapıdaki yük nedeniyle transistörü açan eşik voltajının değiştiği fark edildi. Bu keşif, Dov Frohman'ı bu fenomene dayanarak hafıza üzerinde çalışmaya teşvik etti.
Eşik voltajını değiştirmek, transistörleri “programlamanıza” olanak tanır. Kayan kapı transistörleri, geçit voltajı elektronsuz bir transistörün eşik voltajından daha büyük olduğunda, ancak elektronlu bir transistörün eşik voltajından daha düşük olduğunda açılmayacaktır. Bu değere diyelim okuma voltajı.
silinebilir programlanabilir salt okunur bellek
1971'de Intel çalışanı Dov Frohman, transistör tabanlı yeniden yazılabilir bir bellek yarattı. Silinebilir Programlanabilir Salt Okunur Bellek (EPROM). Belleğe kayıt, özel bir cihaz - bir programcı kullanılarak gerçekleştirildi. Programcı çipe dijital devrelerde kullanılandan daha yüksek bir voltaj uygular, böylece ihtiyaç duyulan yerde transistörlerin kayan kapılarına elektronlar "yazılır".
EPROM belleği, transistörlerin kayan kapılarını elektriksel olarak temizlemek için tasarlanmamıştır. Bunun yerine, transistörlerin güçlü ultraviyole ışığa maruz bırakılması önerildi; bu ışığın fotonları, elektronlara yüzen kapıdan kaçmak için gereken enerjiyi verecekti. Ultraviyole ışığın çipin derinliklerine nüfuz etmesini sağlamak için muhafazaya kuvars cam eklendi.
Froman, EPROM prototipini ilk kez Şubat 1971'de Philadelphia'daki katı hal IC konferansında sundu. Gordon Moore gösteriyi şöyle hatırladı: “Dov, EPROM bellek hücrelerindeki bit modelini gösterdi. Hücreler ultraviyole ışığa maruz bırakıldığında, tanıdık olmayan Intel logosu tamamen silinene kadar bitler birer birer kayboldu. … Vuruşlar kayboldu ve sonuncusu da kaybolduğunda tüm seyirci alkışlamaya başladı. Dov'un makalesi konferansın en iyisi olarak kabul edildi." — Makalenin çevirisi
EPROM belleği, daha önce kullanılan "tek kullanımlık" salt okunur bellek (ROM) aygıtlarından daha pahalıdır, ancak yeniden programlama yeteneği, devrelerde daha hızlı hata ayıklamanıza ve yeni donanım geliştirmek için gereken süreyi azaltmanıza olanak tanır.
ROM'ların ultraviyole ışıkla yeniden programlanması önemli bir atılımdı, ancak elektriksel olarak yeniden yazma fikri zaten havadaydı.
Elektrikle Silinebilir Programlanabilir Salt Okunur Bellek
1972'de üç Japon: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi ve Kiyoko Nagai, ilk elektrikle silinebilen salt okunur belleği (EEPROM veya E2PROM) tanıttı. Daha sonra bilimsel araştırmaları, EEPROM belleğinin ticari uygulamalarına yönelik patentlerin bir parçası haline gelecektir.
Her EEPROM bellek hücresi birkaç transistörden oluşur:
- bit depolama için kayan kapı transistörü;
- Okuma-yazma modunu kontrol etmek için transistör.
Bu tasarım, elektrik devresinin kablolamasını büyük ölçüde karmaşıklaştırdığından, az miktarda belleğin kritik olmadığı durumlarda EEPROM belleği kullanıldı. EPROM hala büyük miktarlarda veri depolamak için kullanılıyordu.
flaş bellek
EPROM ve EEPROM'un en iyi özelliklerini birleştiren flash bellek, 1980 yılında Toshiba'da mühendis olan Japon profesör Fujio Masuoka tarafından geliştirildi. İlk gelişmeye NOR Flash bellek adı verildi ve öncekiler gibi kayan kapılı MOSFET'lere dayanıyor.
NOR flash belleği iki boyutlu bir transistör dizisidir. Transistörlerin kapıları kelime hattına, drenajlar ise bit hattına bağlanır. Kelime satırına voltaj uygulandığında elektron içeren yani “bir”i depolayan transistörler açılmayacak ve akım akmayacaktır. Bit satırında akımın varlığına veya yokluğuna bağlı olarak bitin değeri hakkında bir sonuca varılır.
Yedi yıl sonra Fujio Masuoka, NAND Flash belleği geliştirdi. Bu tür bellek, bit satırındaki transistörlerin sayısına göre farklılık gösterir. NOR belleğinde her transistör doğrudan bir bit hattına bağlanırken, NAND belleğinde transistörler seri olarak bağlanır.
Bu konfigürasyonun hafızadan okunması daha zordur: okuma için gerekli voltaj, kelimenin gerekli satırına uygulanır ve kelimenin diğer tüm satırlarına voltaj uygulanır, bu da içindeki şarj seviyesine bakılmaksızın transistörü açar. Diğer tüm transistörlerin açık olması garanti edildiğinden, bit hattında voltajın varlığı yalnızca okuma voltajının uygulandığı bir transistöre bağlıdır.
NAND Flash belleğin icadı, aynı boyuta daha fazla bellek yerleştirerek devreyi önemli ölçüde sıkıştırmayı mümkün kılar. 2007 yılına kadar çipin üretim süreci kısaltılarak bellek kapasitesi artırıldı.
2007 yılında Toshiba, NAND belleğinin yeni bir versiyonunu tanıttı: Dikey NAND (V-NAND), Ayrıca şöyle bilinir 3D NAND. Bu teknoloji, transistörlerin birden fazla katmana yerleştirilmesine önem veriyor, bu da yine daha yoğun devrelere ve artan bellek kapasitesine olanak tanıyor. Ancak devre sıkıştırma süresiz olarak tekrarlanamaz, bu nedenle depolama kapasitesini artırmak için başka yöntemler araştırılmıştır.
Başlangıçta, her transistör iki şarj seviyesini depoladı: mantıksal sıfır ve mantıksal bir. Bu yaklaşıma denir Tek Seviyeli Hücre (SLC). Bu teknolojiye sahip sürücüler son derece güvenilirdir ve maksimum sayıda yeniden yazma döngüsüne sahiptir.
Zamanla aşınma direnci pahasına depolama kapasitesinin artırılmasına karar verildi. Yani bir hücredeki şarj seviyesi sayısı dörde kadar çıkıyor ve bu teknolojiye denir. Çok Seviyeli Hücre (MLC). Sonraki geldi Üç Seviyeli Hücre (TLC) и Dört Seviyeli Hücre (QLC). Gelecekte yeni bir seviye olacak - Beş Seviyeli Hücre (PLC) hücre başına beş bit ile. Bir hücreye ne kadar çok bit sığarsa, aynı maliyetle depolama kapasitesi o kadar büyük olur, ancak aşınma direnci o kadar az olur.
Teknik süreci azaltarak ve bir transistördeki bit sayısını artırarak devrenin sıkıştırılması, depolanan verileri olumsuz etkiler. EPROM ve EEPROM'un aynı transistörleri kullanmasına rağmen, EPROM ve EEPROM verileri güç olmadan on yıl boyunca saklayabilirken, modern Flash bellek bir yıl sonra her şeyi "unutabilir".
Radyasyonun yüzen kapılardaki elektronlar üzerinde zararlı etkisi olması nedeniyle Flash belleğin uzay endüstrisinde kullanımı zordur.
Bu sorunlar Flash belleğin bilgi depolama alanında tartışmasız lider olmasını engellemektedir. Flash belleğe dayalı sürücülerin yaygın olmasına rağmen, bilgilerin manyetik momentlerde ve faz durumlarında depolanması da dahil olmak üzere, bu dezavantajlara sahip olmayan diğer bellek türlerine yönelik araştırmalar devam etmektedir.
Manyetodirençli bellek
Bilginin manyetik momentlerle kodlanması, 1955 yılında manyetik çekirdekler üzerindeki bellek biçiminde ortaya çıktı. 1970'lerin ortalarına kadar ferrit bellek ana bellek türüydü. Bu tür bir hafızadan bir miktar okumak, yüzüğün mıknatıslığının kaybolmasına ve bilgi kaybına neden oldu. Bu nedenle, biraz okuduktan sonra tekrar yazılması gerekiyordu.
Manyetodirençli hafızanın modern gelişmelerinde, halkalar yerine, bir dielektrikle ayrılmış iki ferromıknatıs katmanı kullanılır. Bir katman kalıcı bir mıknatıstır ve ikincisi mıknatıslanmanın yönünü değiştirir. Böyle bir hücreden bir bit okumak, akım geçerken direnci ölçmek anlamına gelir: katmanlar zıt yönlerde mıknatıslanırsa direnç daha büyüktür ve bu "1" değerine eşdeğerdir.
Ferrit hafıza, kaydedilen bilgiyi korumak için sabit bir güç kaynağına ihtiyaç duymaz, ancak hücrenin manyetik alanı "komşuyu" etkileyebilir, bu da devrenin sıkıştırılmasına bir sınırlama getirir.
Göre Güç olmadan Flash belleğe dayalı SSD sürücülerinin, bilgileri 40°C ortam sıcaklığında en az üç ay boyunca saklaması gerekir. Intel tarafından tasarlandı Verileri on yıl boyunca 200°C'de saklamayı vaat ediyor.
Gelişimin karmaşıklığına rağmen manyeto dirençli bellek, kullanım sırasında bozulmaz ve diğer bellek türleri arasında en iyi performansa sahiptir, bu da bu tür belleğin silinmesine izin vermez.
Faz değişim hafızası
Gelecek vaat eden üçüncü bellek türü, faz değişimine dayalı bellektir. Bu tür hafıza, ısıtıldığında kristal ve amorf haller arasında geçiş yapmak için kalkojenitlerin özelliklerini kullanır.
Kalkojenitler - periyodik tablonun 16. grubuna (ana alt grubun 6. grubu) sahip metallerin ikili bileşikleri. Örneğin, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM ve Blu-ray diskler germanyum tellür (GeTe) ve antimon(III) tellür (Sb2Te3) kullanır.
Bilgi depolama için faz geçişinin kullanımına ilişkin araştırma gerçekleştirildi. 1960'lar yıl Stanford Ovshinsky tarafından, ancak daha sonra ticari uygulamaya gelmedi. 2000'li yıllarda teknolojiye olan ilgi yeniden canlandı, Samsung patentli 5 ns'de bit değişimine izin veren teknolojiye sahip oldu ve Intel ve STMicroelectronics durum sayısını dörde çıkararak olası kapasiteyi iki katına çıkardı.
Kalkojenit, erime noktasının üzerinde ısıtıldığında kristal yapısını kaybeder ve soğuduğunda yüksek elektrik direnciyle karakterize edilen amorf bir forma dönüşür. Buna karşılık, kristalleşme noktasının üzerinde, ancak erime noktasının altındaki bir sıcaklığa ısıtıldığında kalkojenit, düşük direnç seviyesiyle kristalin bir duruma geri döner.
Faz değişim belleği zamanla "yeniden şarj" gerektirmez ve aynı zamanda elektrik yüklü belleğin aksine radyasyona duyarlı değildir. Bu tip hafıza, bilgiyi 300°C sıcaklıkta 85 yıl boyunca saklayabilir.
Intel teknolojisinin gelişiminin olduğuna inanılıyor 3D Çapraz Nokta (3D XPoint) Bilgiyi depolamak için faz geçişlerini kullanır. 3D XPoint, daha dayanıklı olduğu iddia edilen Intel® Optane™ Bellek sürücülerinde kullanılır.
Sonuç
Katı hal sürücülerin fiziksel tasarımı, yarım yüzyılı aşkın bir süredir birçok değişikliğe uğramıştır, ancak her çözümün kendine özgü dezavantajları vardır. Flash belleğin yadsınamaz popülaritesine rağmen, aralarında Samsung ve Intel'in de bulunduğu birçok şirket, manyetik anlara dayalı bellek oluşturma olasılığını araştırıyor.
Hücre aşınmasının azaltılması, sıkıştırılması ve sürücünün genel kapasitesinin artırılması, katı hal sürücülerin daha da geliştirilmesi için şu anda umut verici alanlardır.
Günümüzün en havalı NAND ve 3D XPoint sürücülerini şu anda test edebilirsiniz. .
Elektrik yükleri hakkında bilgi depolamaya yönelik teknolojilerin, örneğin kuvars diskler veya tuz nanokristalleri üzerindeki optik bellek gibi diğer teknolojilerin yerini alacağını düşünüyor musunuz?
Kaynak: habr.com