“SSD 简介”系列的前几部分向读者介绍了 SSD 驱动器的出现历史、与其交互的接口以及流行的外形规格。 第四部分将讨论在驱动器内存储数据。
在该系列之前的文章中：
固态硬盘中的数据存储可以分为两个逻辑部分：在单个单元中存储信息和组织单元存储。
固态硬盘的每个单元都存储 一位或多位信息。 各种类型的信息用于存储信息。 物理过程。 在开发固态硬盘时，考虑了以下物理量来编码信息：
- 电荷 （包括闪存）；
- 磁矩 （磁阻存储器）；
- 相态 （相态变化的记忆）。
基于电荷的记忆
使用负电荷对信息进行编码是多种解决方案的基础：
- 紫外可擦写ROM（EPROM）；
- 电可擦除只读存储器 (EEPROM)；
- 闪存。
每个存储单元是 浮栅MOSFET，存储负电荷。 它与传统 MOS 晶体管的区别在于存在浮置栅极——电介质层中的导体。
当漏极和源极之间产生电位差并且栅极处有正电位时，电流将从源极流向漏极。 然而，如果存在足够大的电势差，一些电子会“突破”介电层并最终进入浮栅。 这种现象称为 .
带负电的浮动栅极会产生电场，阻止电流从源极流向漏极。 此外，浮置栅极中电子的存在增加了晶体管导通的阈值电压。 每次对晶体管浮置栅极进行“写入”时，介电层都会受到轻微损坏，这对每个单元的重写周期数量施加了限制。
浮栅 MOSFET 由贝尔实验室的 Dawon Kahng 和 Simon Min Sze 于 1967 年开发。 后来，在研究集成电路的缺陷时，人们注意到，由于浮动栅极中的电荷，打开晶体管的阈值电压发生了变化。 这一发现促使多夫·弗罗曼开始研究基于这种现象的记忆。
更改阈值电压可以让您对晶体管进行“编程”。 当栅极电压大于无电子晶体管的阈值电压但小于有电子晶体管的阈值电压时，浮栅晶体管将不会导通。 我们称这个值为 读取电压.
可擦可编程只读存储器
1971 年，英特尔员工 Dov Frohman 创建了一种基于晶体管的可重写存储器，称为 可擦可编程只读存储器 (EPROM)。 记录到内存中是使用一种特殊的设备——编程器进行的。 编程器向芯片施加比数字电路中使用的电压更高的电压，从而将电子“写入”到需要的晶体管的浮动栅极。
EPROM 存储器并非旨在以电方式清洁晶体管的浮动栅极。 相反，有人建议将晶体管暴露在强紫外线下，其中的光子将为电子提供逃离浮栅所需的能量。 为了让紫外线能够深入芯片内部，外壳中添加了石英玻璃。
1971 年 XNUMX 月，弗罗曼在费城举行的固态 IC 会议上首次展示了他的 EPROM 原型。 Gordon Moore 回忆起这次演示：“Dov 演示了 EPROM 存储单元中的位模式。 当这些细胞暴露在紫外线下时，这些位就一一消失，直到陌生的英特尔标志被完全擦除。 ……节拍消失，当最后一个节拍消失时，全场爆发出热烈的掌声。 多夫的文章被认为是会议上最好的文章。” ——文章翻译
EPROM 存储器比以前使用的“一次性”只读存储器 (ROM) 设备更昂贵，但重新编程的能力使您可以更快地调试电路并减少开发新硬件所需的时间。
用紫外光对 ROM 进行重新编程是一项重大突破，然而，电重写的想法已经在空气中流传。
电可擦可编程只读存储器
1972年，三位日本人：Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Nagai推出了第一个电可擦除只读存储器（EEPROM或E2PROM）。 随后，他们的科学研究将成为 EEPROM 存储器商业实施专利的一部分。
每个 EEPROM 存储单元由多个晶体管组成：
- 用于位存储的浮栅晶体管；
- 用于控制读写模式的晶体管。
这种设计使电路的布线变得非常复杂，因此在少量存储器并不重要的情况下使用EEPROM存储器。 EPROM 仍被用来存储大量数据。
闪存
闪存结合了EPROM和EEPROM的最佳特性，是由日本东芝公司工程师Fujio Masuoka教授于1980年开发的。 第一个开发产品称为 NOR 闪存，与其前身一样，基于浮栅 MOSFET。
NOR闪存是二维晶体管阵列。 晶体管的栅极连接到字线，并且漏极连接到位线。 当电压施加到字线时，包含电子（即存储“XNUMX”）的晶体管将不会打开，电流也不会流动。 根据位线上是否存在电流，得出关于该位的值的结论。
七年后，Fujio Masuoka 开发出了 NAND 闪存。 这种类型的存储器的不同之处在于位线上的晶体管数量。 在NOR存储器中，每个晶体管直接连接到位线，而在NAND存储器中，晶体管串联连接。
从这种配置的存储器中读取数据更加困难：读取所需的电压被施加到字的必要行，并且电压被施加到字的所有其他行，这使得晶体管打开，而不管晶体管中的电荷水平如何。 由于保证所有其他晶体管都打开，因此位线上电压的存在仅取决于施加读取电压的一个晶体管。
NAND闪存的发明使得显着压缩电路成为可能，在相同的尺寸下放置更多的存储器。 直到2007年，内存容量都是通过减少芯片的制造工艺来增加的。
2007年，东芝推出了新版本的NAND内存： 垂直 NAND (V-NAND), 也被称为 3D NAND。 该技术强调将晶体管放置在多层中，这再次允许更密集的电路和增加的存储容量。 然而，电路压缩不能无限地重复，因此人们探索了其他方法来增加存储容量。
最初，每个晶体管存储两个电荷水平：逻辑零和逻辑一。 这种方法称为 单层单元 (SLC)。 采用该技术的驱动器高度可靠，并且具有最大数量的重写周期。
随着时间的推移，人们决定以牺牲耐磨性为代价来增加存储容量。 因此，一个电池中的电荷级别数量最多可达四个，该技术被称为 多层单元 (MLC)。 接下来是 三级单元 (TLC) и 四级单元 (QLC)。 未来还会有一个新的台阶—— 五级单元 (PLC) 每个单元五位。 一个单元中容纳的位数越多，相同成本下的存储容量越大，但耐磨性越差。
通过减少技术流程和增加一个晶体管中的位数来压缩电路会对存储的数据产生负面影响。 尽管EPROM和EEPROM使用相同的晶体管，但EPROM和EEPROM可以在断电的情况下存储数据十年，而现代闪存可以在一年后“忘记”一切。
在航天工业中使用闪存很困难，因为辐射会对浮栅中的电子产生有害影响。
这些问题使得闪存无法成为信息存储领域无可争议的领导者。 尽管基于闪存的驱动器很普遍，但人们仍在研究没有这些缺点的其他类型的存储器，包括以磁矩和相状态存储信息。
磁阻存储器
1955 年，以磁芯存储器的形式出现了利用磁矩对信息进行编码的技术。 直到 1970 世纪 XNUMX 年代中期，铁氧体存储器才是存储器的主要类型。 从这种类型的存储器中读取一点会导致环消磁并丢失信息。 于是，读了一点，就得写回来。
在磁阻存储器的现代发展中，使用由电介质隔开的两层铁磁体代替环。 一层是永磁体，第二层改变磁化方向。 从这样的单元中读取一点数据可以归结为测量电流通过时的电阻：如果各层沿相反方向磁化，则电阻更大，这相当于值“1”。
铁氧体存储器不需要恒定的电源来维持记录的信息，但是，单元的磁场会影响“邻居”，这对电路紧凑性造成了限制。
根据 基于闪存且不通电的 SSD 驱动器必须在 40°C 的环境温度下保留信息至少三个月。 由英特尔设计 承诺在 200°C 下将数据存储十年。
尽管开发复杂，但磁阻存储器在使用过程中不会退化，并且具有其他类型存储器中最好的性能，这不允许此类存储器被注销。
相变存储器
第三种有前途的存储器是基于相变的存储器。 这种类型的存储器利用硫属化物的特性在加热时在晶态和非晶态之间切换。
硫属化物 — 元素周期表第 16 族（主要子族第 6 族）金属的二元化合物。 例如，CD-RW、DVD-RW、DVD-RAM 和蓝光光盘使用碲化锗 (GeTe) 和碲化锑 (III) (Sb2Te3)。
利用相变进行信息存储的研究 1960世纪XNUMX年代 去年由斯坦福·奥夫辛斯基（Stanford Ovshinsky）提出，但随后它并没有进入商业实施。 2000年代，人们对这项技术重新产生了兴趣，三星获得了允许在5纳秒内进行位切换的专利技术，英特尔和意法半导体将状态数量增加到四个，从而使可能的容量增加了一倍。
当加热到熔点以上时，硫属化物会失去其晶体结构，并在冷却时变成具有高电阻的无定形形式。 反过来，当加热到高于结晶点但低于熔点的温度时，硫属化物会返回到具有低电阻水平的结晶状态。
与充电存储器不同，相变存储器不需要随着时间的推移“充电”，也不易受到辐射的影响。 这种类型的存储器可以在 300°C 的温度下保留信息 85 年。
相信英特尔技术的发展 3D 交叉点 (3D XPoint) 它使用相变来存储信息。 3D XPoint 用于英特尔® 傲腾™ 内存驱动器，据称具有更高的耐用性。
结论
固态硬盘的物理设计在半个多世纪的历史中经历了许多变化，但是每种解决方案都有其缺点。 尽管闪存的普及无可否认，但包括三星和英特尔在内的几家公司正在探索创建基于磁矩的存储器的可能性。
减少电池磨损、紧凑化电池以及提高驱动器的整体容量是目前固态驱动器进一步发展的有希望的领域。
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来源： habr.com