Các phần trước của loạt bài “Giới thiệu về SSD” đã kể cho người đọc về lịch sử xuất hiện của ổ SSD, giao diện tương tác với chúng và các kiểu dáng phổ biến. Phần thứ tư sẽ nói về việc lưu trữ dữ liệu bên trong ổ đĩa.
Trong các bài viết trước trong loạt bài:
Việc lưu trữ dữ liệu trong ổ đĩa thể rắn có thể được chia thành hai phần logic: lưu trữ thông tin trong một ô duy nhất và tổ chức lưu trữ ô.
Mỗi ô của ổ đĩa thể rắn lưu trữ một hoặc nhiều bit thông tin. Nhiều loại thông tin khác nhau được sử dụng để lưu trữ thông tin. quá trình vật lý. Khi phát triển ổ đĩa thể rắn, các đại lượng vật lý sau đây được xem xét để mã hóa thông tin:
- phí điện (bao gồm cả bộ nhớ Flash);
- khoảnh khắc từ tính (bộ nhớ từ trở);
- trạng thái pha (bộ nhớ có sự thay đổi trạng thái pha).
Bộ nhớ dựa trên điện tích
Mã hóa thông tin bằng cách sử dụng điện tích âm làm cơ sở cho một số giải pháp:
- ROM xóa được bằng tia cực tím (EPROM);
- ROM xóa được bằng điện (EEPROM);
- Bộ nhớ flash.
Mỗi ô nhớ được MOSFET cổng nổi, nơi lưu trữ điện tích âm. Điểm khác biệt của nó so với bóng bán dẫn MOS thông thường là sự hiện diện của một cổng nổi - chất dẫn điện trong lớp điện môi.
Khi tạo ra hiệu điện thế giữa cực máng và nguồn và có điện thế dương ở cổng, dòng điện sẽ chạy từ nguồn tới cực máng. Tuy nhiên, nếu có hiệu điện thế đủ lớn, một số electron sẽ “xuyên thủng” lớp điện môi và kết thúc ở cổng nổi. Hiện tượng này được gọi là .
Một cổng nổi tích điện âm tạo ra một điện trường ngăn cản dòng điện chạy từ nguồn tới cống. Hơn nữa, sự hiện diện của các electron trong cổng nổi làm tăng điện áp ngưỡng mà bóng bán dẫn bật lên. Với mỗi lần “ghi” vào cổng nổi của bóng bán dẫn, lớp điện môi bị hư hỏng nhẹ, điều này đặt ra giới hạn về số chu kỳ ghi lại của mỗi ô.
MOSFET cổng nổi được phát triển bởi Dawon Kahng và Simon Min Sze tại Bell Labs vào năm 1967. Sau này, khi nghiên cứu các khuyết tật trong mạch tích hợp, người ta nhận thấy do điện tích trong cổng nổi nên điện áp ngưỡng mở bóng bán dẫn đã thay đổi. Khám phá này đã thôi thúc Dov Frohman bắt đầu nghiên cứu trí nhớ dựa trên hiện tượng này.
Việc thay đổi điện áp ngưỡng cho phép bạn “lập trình” các bóng bán dẫn. Các bóng bán dẫn cổng nổi sẽ không bật khi điện áp cổng lớn hơn điện áp ngưỡng đối với bóng bán dẫn không có điện tử, nhưng nhỏ hơn điện áp ngưỡng đối với bóng bán dẫn có điện tử. Hãy gọi giá trị này đọc điện áp.
Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình có thể xóa
Năm 1971, nhân viên Intel Dov Frohman đã tạo ra một bộ nhớ ghi lại được dựa trên bóng bán dẫn có tên là Bộ nhớ chỉ đọc lập trình có thể xóa (EPROM). Việc ghi vào bộ nhớ được thực hiện bằng một thiết bị đặc biệt - lập trình viên. Người lập trình đặt một điện áp cao hơn vào chip so với điện áp được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số, từ đó “ghi” các electron vào các cổng nổi của bóng bán dẫn khi cần thiết.
Bộ nhớ EPROM không nhằm mục đích làm sạch các cổng nổi của bóng bán dẫn bằng điện. Thay vào đó, người ta đề xuất cho các bóng bán dẫn tiếp xúc với ánh sáng cực tím mạnh, các photon của ánh sáng này sẽ cung cấp cho các electron năng lượng cần thiết để thoát khỏi cổng nổi. Để cho tia cực tím xuyên sâu vào chip, kính thạch anh đã được thêm vào vỏ.
Froman lần đầu tiên trình bày nguyên mẫu EPROM của mình vào tháng 1971 năm XNUMX tại hội nghị IC bán dẫn ở Philadelphia. Gordon Moore nhớ lại buổi trình diễn: “Dov đã trình diễn mẫu bit trong các ô nhớ EPROM. Khi các tế bào tiếp xúc với tia cực tím, các bit lần lượt biến mất cho đến khi logo Intel lạ lẫm bị xóa hoàn toàn. … Nhịp đập biến mất, và khi nhịp cuối cùng biến mất, toàn bộ khán giả đã vỗ tay vang dội. Bài viết của Dov được công nhận là hay nhất tại hội nghị.” – Bản dịch bài viết
Bộ nhớ EPROM đắt hơn so với các thiết bị bộ nhớ chỉ đọc (ROM) “dùng một lần” đã sử dụng trước đây, nhưng khả năng lập trình lại cho phép bạn gỡ lỗi mạch nhanh hơn và giảm thời gian phát triển phần cứng mới.
Lập trình lại ROM bằng tia cực tím là một bước đột phá đáng kể, tuy nhiên, ý tưởng viết lại bằng điện đã xuất hiện.
Điện xóa được Programmable Read-Only Memory
Năm 1972, ba người Nhật: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi và Kiyoko Nagai đã giới thiệu bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa bằng điện đầu tiên (EEPROM hoặc E2PROM). Sau đó, nghiên cứu khoa học của họ sẽ trở thành một phần của bằng sáng chế cho việc triển khai thương mại bộ nhớ EEPROM.
Mỗi ô nhớ EEPROM bao gồm một số bóng bán dẫn:
- bóng bán dẫn cổng nổi để lưu trữ bit;
- bóng bán dẫn để điều khiển chế độ đọc-ghi.
Thiết kế này làm phức tạp đáng kể việc nối dây của mạch điện, vì vậy bộ nhớ EEPROM được sử dụng trong trường hợp lượng bộ nhớ nhỏ không quá quan trọng. EPROM vẫn được sử dụng để lưu trữ lượng lớn dữ liệu.
Bộ nhớ flash
Bộ nhớ flash, kết hợp những tính năng tốt nhất của EPROM và EEPROM, được phát triển bởi giáo sư người Nhật Fujio Masuoka, một kỹ sư tại Toshiba, vào năm 1980. Sự phát triển đầu tiên được gọi là bộ nhớ NOR Flash và giống như những phiên bản tiền nhiệm của nó, dựa trên MOSFET cổng nổi.
Bộ nhớ flash NOR là một mảng bóng bán dẫn hai chiều. Các cổng của bóng bán dẫn được kết nối với dòng từ và các cống được kết nối với dòng bit. Khi điện áp được đặt vào đường dây từ, các bóng bán dẫn chứa các electron, tức là lưu trữ “một”, sẽ không mở và dòng điện sẽ không chạy qua. Dựa trên sự hiện diện hay vắng mặt của dòng điện trên đường bit, rút ra kết luận về giá trị của bit.
Bảy năm sau, Fujio Masuoka phát triển bộ nhớ NAND Flash. Loại bộ nhớ này khác nhau ở số lượng bóng bán dẫn trên dòng bit. Trong bộ nhớ NOR, mỗi bóng bán dẫn được kết nối trực tiếp với một dòng bit, trong khi ở bộ nhớ NAND, các bóng bán dẫn được kết nối nối tiếp.
Việc đọc từ bộ nhớ của cấu hình này khó hơn: điện áp cần thiết để đọc được áp dụng cho dòng cần thiết của từ và điện áp được áp dụng cho tất cả các dòng khác của từ, điều này sẽ mở bóng bán dẫn bất kể mức điện tích trong đó. Vì tất cả các bóng bán dẫn khác được đảm bảo ở trạng thái mở nên sự hiện diện của điện áp trên đường bit chỉ phụ thuộc vào một bóng bán dẫn mà điện áp đọc được áp vào.
Việc phát minh ra bộ nhớ NAND Flash giúp nén mạch một cách đáng kể, đặt nhiều bộ nhớ hơn trong cùng một kích thước. Cho đến năm 2007, dung lượng bộ nhớ đã được tăng lên bằng cách giảm quy trình sản xuất chip.
Năm 2007, Toshiba giới thiệu phiên bản bộ nhớ NAND mới: NAND dọc (V-NAND), còn được biết là NỀN TẢNG. Công nghệ này tập trung vào việc đặt các bóng bán dẫn thành nhiều lớp, điều này một lần nữa cho phép mạch dày đặc hơn và tăng dung lượng bộ nhớ. Tuy nhiên, việc nén mạch không thể lặp lại vô thời hạn nên các phương pháp khác đã được khám phá để tăng dung lượng lưu trữ.
Ban đầu, mỗi bóng bán dẫn lưu trữ hai mức điện tích: mức logic XNUMX và mức logic. Cách tiếp cận này được gọi là Ô đơn cấp (SLC). Các ổ đĩa sử dụng công nghệ này có độ tin cậy cao và có số chu kỳ ghi lại tối đa.
Theo thời gian, người ta quyết định tăng dung lượng lưu trữ với cái giá là khả năng chống mài mòn. Vì vậy, số mức sạc trong một ô lên tới bốn và công nghệ này được gọi là Tế bào đa cấp (MLC). Tiếp theo đến Tế bào ba cấp (TLC) и Tế bào bốn cấp (QLC). Sẽ có một cấp độ mới trong tương lai - Tế bào cấp năm (PLC) với năm bit cho mỗi ô. Càng nhiều bit được chứa trong một ô, dung lượng lưu trữ càng lớn với cùng mức chi phí nhưng khả năng chống mài mòn càng ít.
Việc nén mạch bằng cách giảm quy trình kỹ thuật và tăng số lượng bit trong một bóng bán dẫn sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến dữ liệu được lưu trữ. Mặc dù EPROM và EEPROM sử dụng cùng một bóng bán dẫn, EPROM và EEPROM có thể lưu trữ dữ liệu mà không cần nguồn điện trong mười năm, trong khi bộ nhớ Flash hiện đại có thể “quên” mọi thứ sau một năm.
Việc sử dụng bộ nhớ Flash trong ngành vũ trụ gặp nhiều khó khăn vì bức xạ có tác động bất lợi đến các electron trong các cổng nổi.
Những vấn đề này ngăn cản bộ nhớ Flash trở thành người dẫn đầu không thể tranh cãi trong lĩnh vực lưu trữ thông tin. Mặc dù thực tế là các ổ đĩa dựa trên bộ nhớ Flash rất phổ biến, nhưng nghiên cứu vẫn đang được tiến hành đối với các loại bộ nhớ khác không có những nhược điểm này, bao gồm việc lưu trữ thông tin ở các trạng thái pha và khoảnh khắc từ tính.
Bộ nhớ từ trở
Mã hóa thông tin bằng mômen từ xuất hiện vào năm 1955 dưới dạng bộ nhớ trên lõi từ. Cho đến giữa những năm 1970, bộ nhớ ferrite là loại bộ nhớ chính. Việc đọc một chút từ loại bộ nhớ này sẽ dẫn đến hiện tượng khử từ của vòng và mất thông tin. Vì vậy, sau khi đọc một chút, nó phải được viết lại.
Trong sự phát triển hiện đại của bộ nhớ từ điện trở, thay vì các vòng, người ta sử dụng hai lớp sắt từ, cách nhau bằng một chất điện môi. Một lớp là nam châm vĩnh cửu và lớp thứ hai thay đổi hướng từ hóa. Việc đọc một bit từ một ô như vậy có nghĩa là đo điện trở khi dòng điện chạy qua: nếu các lớp được từ hóa theo hướng ngược nhau thì điện trở sẽ lớn hơn và giá trị này tương đương với giá trị “1”.
Bộ nhớ Ferrite không yêu cầu nguồn điện liên tục để duy trì thông tin được ghi, tuy nhiên, từ trường của tế bào có thể ảnh hưởng đến “hàng xóm”, điều này gây ra hạn chế đối với việc nén mạch.
Theo Ổ SSD dựa trên bộ nhớ Flash không có nguồn điện phải lưu giữ thông tin trong ít nhất ba tháng ở nhiệt độ môi trường 40°C. Được thiết kế bởi Intel hứa hẹn sẽ lưu trữ dữ liệu trong mười năm ở 200°C.
Bất chấp sự phức tạp trong quá trình phát triển, bộ nhớ từ trở không bị suy giảm trong quá trình sử dụng và có hiệu suất tốt nhất trong số các loại bộ nhớ khác, điều này không cho phép loại bộ nhớ này bị ghi đè.
Bộ nhớ thay đổi pha
Loại bộ nhớ đầy hứa hẹn thứ ba là bộ nhớ dựa trên sự thay đổi pha. Loại bộ nhớ này sử dụng các đặc tính của chalcogenides để chuyển đổi giữa trạng thái tinh thể và vô định hình khi được nung nóng.
Chalcogenit — các hợp chất nhị phân của kim loại thuộc nhóm thứ 16 (nhóm thứ 6 của phân nhóm chính) của bảng tuần hoàn. Ví dụ: đĩa CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM và Blu-ray sử dụng germanium Telluride (GeTe) và antimon(III) Telluride (Sb2Te3).
Nghiên cứu về việc sử dụng chuyển pha để lưu trữ thông tin được thực hiện ở thập niên 1960 năm của Stanford Ovshinsky, nhưng sau đó nó không được triển khai thương mại. Vào những năm 2000, người ta lại quan tâm đến công nghệ này, Samsung đã được cấp bằng sáng chế cho công nghệ cho phép chuyển đổi bit trong 5 ns, Intel và STMicroelectronics đã tăng số trạng thái lên bốn, nhờ đó tăng gấp đôi công suất có thể.
Khi được nung nóng trên điểm nóng chảy, chalcogenide mất cấu trúc tinh thể và khi nguội, biến thành dạng vô định hình đặc trưng bởi điện trở cao. Đổi lại, khi đun nóng đến nhiệt độ trên điểm kết tinh nhưng dưới điểm nóng chảy, chalcogenide sẽ trở lại trạng thái tinh thể với mức điện trở thấp.
Bộ nhớ thay đổi pha không yêu cầu “sạc lại” theo thời gian và cũng không dễ bị ảnh hưởng bởi bức xạ, không giống như bộ nhớ được tích điện. Loại bộ nhớ này có thể lưu giữ thông tin trong 300 năm ở nhiệt độ 85°C.
Người ta tin rằng sự phát triển của công nghệ Intel Điểm giao nhau 3D (3D XPoint) Nó sử dụng các chuyển pha để lưu trữ thông tin. 3D XPoint được sử dụng trong các ổ Bộ nhớ Intel® Optane™, được cho là có độ bền cao hơn.
Kết luận
Thiết kế vật lý của ổ đĩa thể rắn đã trải qua nhiều thay đổi trong hơn nửa thế kỷ lịch sử, tuy nhiên, mỗi giải pháp đều có những nhược điểm. Bất chấp sự phổ biến không thể phủ nhận của bộ nhớ Flash, một số công ty, trong đó có Samsung và Intel, đang khám phá khả năng tạo ra bộ nhớ dựa trên mômen từ.
Giảm sự hao mòn của tế bào, nén chúng và tăng dung lượng tổng thể của ổ đĩa là những lĩnh vực hiện đang hứa hẹn cho sự phát triển hơn nữa của ổ đĩa thể rắn.
Bạn có thể kiểm tra ổ đĩa NAND và 3D XPoint thú vị nhất hiện nay ngay bây giờ trong .
Bạn có nghĩ rằng các công nghệ lưu trữ thông tin về điện tích sẽ bị thay thế bởi các công nghệ khác, chẳng hạn như đĩa thạch anh hoặc bộ nhớ quang trên tinh thể nano muối?
Nguồn: www.habr.com