Попередні частини циклу «Введення в SSD» розповіли читачеві про історію появи SSD-накопичувачів, інтерфейси взаємодії з ними та популярні форм-фактори. Четверта частина розповість про зберігання даних усередині накопичувачів.
У попередніх статтях циклу:
Зберігання даних у твердотільних накопичувачах можна розділити на дві логічні частини: зберігання інформації в одному осередку та організація зберігання осередків.
Кожен осередок твердотільного накопичувача зберігає один або кілька біт інформації. Для зберігання інформації використовуються різні фізичні процеси. Під час розробки твердотільних накопичувачів опрацьовувалися такі фізичні величини для кодування інформації:
- електричні заряди (у тому числі Flash-пам'ять);
- магнітні моменти (магніторезистивна пам'ять);
- фазові стани (Пам'ять із зміною фазового стану).
Пам'ять на основі електричних зарядів
Кодування інформації за допомогою негативного заряду є основою кількох рішень:
- стираються ультрафіолетом ПЗП (EPROM);
- електрично стираються ПЗП (EEPROM);
- Flash пам'ять.
Кожен осередок пам'яті — це польовий МОП-транзистор з плаваючим затвором, В якому зберігається негативний заряд. Його відмінність від звичайного МОП-транзистора полягає в наявності затвора, що плаває, - провідника в шарі діелектрика.
При створенні різниці потенціалів між стоком та витоком та наявності позитивного потенціалу на затворі від витоку до стоку потече струм. Однак, за наявності досить великої різниці потенціалів деякі електрони «пробивають» шар діелектрика і опиняються в затворі, що плаває. Це явище називається .
Негативно заряджений затвор, що плаває, створює електричне поле, що заважає протіканню струму від витоку до стоку. Більш того, наявність електронів у плаваючому затворі збільшує граничну напругу, при якій відкривається транзистор. При кожному «записі» в плаваючий затвор транзистора шар діелектрика трохи пошкоджується, що накладає обмеження на кількість циклів перезапису кожного осередку.
Польові МОП-транзистори з плаваючим затвором були розроблені Давоном Кангом (Dawon Kahng) та Саймоном Мін Зі (Simon Min Sze) з Bell Labs у 1967 році. Пізніше, при дослідженні дефектів інтегральних схем, було помічено, що через заряд у плаваючому затворі змінилася гранична напруга, що відкриває транзистор. Це відкриття спонукало Дова Фромана (Dov Frohman) розпочати роботу над пам'яттю з урахуванням цього феномена.
Зміна порогової напруги дозволяє "програмувати" транзистори. Транзистори з зарядом у плаваючому затворі не відкриються при подачі на затвор напруги більше граничної напруги для транзистора без електронів, але менше граничної напруги для транзистора з електронами. Назвемо таке значення напругою читання.
Стирається програмована пам’ять лише для читання
У 1971 році співробітник Intel, Дов Фроман (Dov Frohman), створив пам'ять на транзисторах, що перезаписується, названу Стирається програмована пам'ять лише для читання (EPROM). Запис на згадку проводився з допомогою спеціального пристрою — програматора. Програматор подає на чіп більш високу напругу, ніж застосовується в цифрових схемах, тим самим записує електрони в плаваючі затвори транзисторів, де це необхідно.
У EPROM-пам'яті не передбачалося очищення плаваючих затворів транзисторів електричним способом. Натомість пропонувалося впливати на транзистори сильним ультрафіолетовим випромінюванням, фотони якого надають енергію електронам енергію, необхідну, щоб залишити затвор, що плаває. Для доступу ультрафіолету вглиб чіпа на корпус додано кварцове скло.
Фроман вперше виступив зі своїм прототипом EPROM у лютому 1971 року на конференції з твердотільних мікросхем у Філадельфії. Гордон Мур згадував демонстрацію: «Дов продемонстрував бітовий малюнок у осередках пам'яті EPROM. Коли на осередки впливало ультрафіолетове світло, біти зникали один за одним, поки не знайомий логотип Intel не стерся зовсім. …Бити пропадали, і коли останній із них зник, вся аудиторія вибухнула оплесками. Стаття Дова була визнана найкращою на конференції». — Переклад статті
EPROM-пам'ять дорожче за застосовувані раніше «одноразові» постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗУ), проте можливість перепрограмування дозволяє налагоджувати схеми швидше і скоротити час розробки нового апаратного забезпечення.
Перепрограмування ПЗУ ультрафіолетовим світлом було значним проривом, проте ідея електричного перезапису вже «витала» у повітрі.
Електрично стирається програмована постійна пам'ять
У 1972 році три японці: Ясуо Таруї (Yasuo Tarui), Ютака Хаяші (Yutaka Hayashi) і Кійоко Нагаї (Kiyoko Nagai) представили перший постійний запам'ятовуючий пристрій, що електрично стирається (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEP). Пізніше їхні наукові дослідження стануть частиною патентів на комерційні продажі EEPROM-пам'яті.
Кожен осередок EEPROM-пам'яті складається з кількох транзисторів:
- транзистор із плаваючим затвором для зберігання біта;
- транзистор для керування режимом читання-запису.
Така конструкція сильно ускладнює розведення електричної схеми, тому EEPROM пам'ять використовувалася у випадках, коли малий обсяг пам'яті був критичний. Для зберігання великого обсягу даних, як і раніше, використовувався EPROM.
Flash-пам'ять
Flash-пам'ять, що поєднує найкращі риси EPROM та EEPROM, розроблена японським професором Фудзіо Масуокою (Fujio Masuoka), інженером компанії Toshiba, у 1980 році. Перша розробка отримала назву Flash-пам'ять типу NOR і, як і її попередники, заснована на польових МОП-транзисторах з плаваючим затвором.
Flash-пам'ять типу NOR – це двомірний масив транзисторів. Затвори транзисторів підключені до лінії слів, а стоки – на лінію бітів. При подачі напруги на лінію слів транзистори, що містять електрони, тобто зберігають "одиницю", не відкриються і струм не потече. По наявності чи відсутності струму лінії біта робиться висновок про значення біта.
Через сім років Фудзіо Маусока (Fujio Masuoka) розробив Flash-пам'ять типу NAND. Цей вид пам'яті відрізняється кількістю транзисторів на бітовій лінії. У пам'яті типу NOR кожен транзистор безпосередньо підключений до бітової лінії, тоді як NAND-пам'яті транзистори підключені послідовно.
Читання з пам'яті такої конфігурації складніше: на необхідну лінію слова подається напруга, необхідне читання, але в інші лінії слова подається напруга, яке відкриває транзистор незалежно від рівня заряду у ньому. Оскільки всі інші транзистори гарантовано відкриті, наявність напруги на бітової лінії залежить від однієї транзистори, яким подано напруга читання.
Винахід Flash-пам'яті типу NAND дозволяє значно ущільнювати схему, розміщуючи більший обсяг пам'яті за тих же розмірів. До 2007 обсяг пам'яті збільшували шляхом зменшення виробничого техпроцесу чіпа.
У 2007 році компанія Toshiba представила нову версію NAND-пам'яті: Vertical NAND (V-NAND), також відомий як 3D NAND. У цій технології робиться акцент на розміщення транзисторів у кілька шарів, що дозволяє ущільнити схему і збільшити обсяг пам'яті. Тим не менш, ущільнення схеми не може повторюватися до нескінченності, тому досліджувалися інші методи збільшення обсягу пам'яті, що зберігається.
Спочатку кожен транзистор зберігав два рівні заряду: логічний нуль та логічну одиницю. Такий підхід називається Single-Level Cell (SLC). Накопичувачі з такою технологією відрізняються високою надійністю та максимальною кількістю циклів перезапису.
Згодом було ухвалено рішення збільшити обсяг накопичувачів ціною зносостійкості. Так кількість рівнів заряду в осередку до чотирьох, а технологію назвали Багаторівнева комірка (MLC). Слідом з'явилися Трирівнева комірка (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). У майбутньому з'явиться новий рівень. Penta-Level Cell (PLC) з п'ятьма бітами в одному осередку. Чим більше біт міститься в одну комірку, тим більше обсяг накопичувача при тій же вартості, але менше зносостійкість.
Ущільнення схеми зменшенням техпроцесу і збільшення кількості біт в одному транзисторі негативно позначаються на даних, що зберігаються. Незважаючи на те, що в EPROM і EEPROM використовуються ті ж транзистори, EPROM і EEPROM здатні зберігати дані без живлення десять років, в той час як сучасна Flash-пам'ять може все «забути» вже через рік.
Використання Flash-пам'яті в космічній індустрії важко, оскільки радіація згубно впливає електрони в плаваючих затворах.
Перелічені проблеми заважають Flash-пам'яті стати беззаперечним лідером у сфері зберігання інформації. Незважаючи на те, що накопичувачі на базі Flash-пам'яті поширені, ведуться дослідження інших видів пам'яті, позбавлених цих недоліків, серед яких зберігання інформації в магнітних моментах і фазових станах.
Магніторезистивна пам'ять
Кодування інформації магнітними моментами виникло 1955 року як пам'яті на магнітних сердечниках. До середини 1970-х років феритова пам'ять була основним видом пам'яті. Читання біта з пам'яті такого типу призводило до розмагнічування кільця та втрати інформації. Отже, після читання біта його доводилося записувати назад.
У сучасних розробках магніторезистивної пам'яті замість кілець використовують два шари феромагнетика, розділені діелектриком. Один шар є постійним магнітом, а другий змінює напрямок намагніченості. Читання біта з такої комірки зводиться до вимірювання опору при пропусканні струму: якщо шари намагнічені в протилежні сторони, то опір більший і це еквівалентно значенню «1».
Феритова пам'ять не вимагає постійного джерела живлення для підтримки записаної інформації, однак магнітне поле осередку може впливати на «сусіда», що накладає обмеження на ущільнення схеми.
Згідно з SSD-диски на базі Flash-пам'яті без живлення повинні зберігати інформацію щонайменше три місяці за температури навколишнього середовища 40°С. Розроблений Intel обіцяє зберегти дані десять років за температури 200°С.
Незважаючи на складність розробки, магніторезистивна пам'ять не деградує під час використання та має кращу швидкодію серед інших видів пам'яті, що не дозволяє списати з рахунків цей вид пам'яті.
Пам'ять із зміною фазового стану
Третій перспективний вид пам'яті – пам'ять на основі фазового переходу. Даний вид пам'яті використовує властивості халькогенідів перемикатися між кристалічним та аморфним станом при нагріванні.
Халькогеніди - Бінарні з'єднання металів з 16-ою групою (6-ї групи головної підгрупи) періодичної таблиці Менделєєва. Наприклад, у CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM та Blu-ray дисках використовуються телурид германію (GeTe) та телурид сурми (III) (Sb2Te3).
Дослідження щодо застосування фазового переходу для зберігання інформації проводилися в 1960-ті року Стенфордом Овшинським (Stanford Ovshinsky), але тоді до комерційної реалізації справа не дійшла. У 2000-х знову виник інтерес до технології, Samsung запатентувала технологію, що дозволяє перемикати біт за 5 нс, а Intel та STMicroelectronics збільшили кількість станів до чотирьох, тим самим збільшивши можливий обсяг удвічі.
При нагріванні вище точки плавлення халькогенід втрачає кристалічну структуру і, остигаючи, перетворюється на аморфну форму, що характеризується високим електричним опором. У свою чергу при нагріванні до температури вище за точку кристалізації, але нижче за точку плавлення халькогенід повертається в кристалічний стан з низьким рівнем опору.
Пам'ять із зміною фазового переходу не вимагає «підзарядки» з часом, а також не сприйнятлива до радіаційного випромінювання, на відміну від пам'яті електричних зарядах. Такий тип пам'яті може зберігати інформацію протягом 300 років за температури 85°С.
Вважається, що технологія Intel, технологія 3D Crosspoint (3D XPoint) використовує саме фазові переходи для зберігання інформації. 3D XPoint використовується в накопичувачах Intel Optane Memory, для яких заявлена велика зносостійкість.
Висновок
Фізичний пристрій твердотільних накопичувачів зазнав багатьох змін за більш ніж піввікову історію, проте кожне з рішень має свої недоліки. Незважаючи на незаперечну популярність Flash-пам'яті, кілька компаній, серед яких Samsung та Intel, опрацьовують можливість створення пам'яті на магнітних моментах.
Скорочення зносу осередків, їх ущільнення та підвищення загальної ємності накопичувача - ось напрямки, які зараз є перспективними для подальшого розвитку твердотільних накопичувачів.
Протестувати найкрутіші на сьогоднішній день накопичувачі NAND та 3D XPoint можна вже зараз у нашій .
Як ви вважаєте, чи буде технологія зберігання інформації на електричних зарядах витіснена іншими, наприклад, кварцовими дисками або оптичною пам'яттю на нанокристалах солі?
Джерело: habr.com