「SSD 簡介」系列的前幾部分向讀者介紹了 SSD 驅動器的出現歷史、與其互動的介面以及流行的外形規格。 第四部分將討論在磁碟機內儲存資料。
在該系列之前的文章中：
固態硬碟中的資料儲存可分為兩個邏輯部分：在單一單元中儲存資訊和組織單元儲存。
固態硬碟的每個單元都存儲 一位或多位信息。 各種類型的資訊用於儲存資訊。 物理過程。 在開發固態硬碟時，考慮了以下物理量來編碼資訊：
- 電荷 （包括快閃記憶體）；
- 磁矩 （磁阻記憶體）；
- 相態 （相態變化的記憶）。
基於電荷的記憶
使用負電荷對資訊進行編碼是多種解決方案的基礎：
- 紫外線可擦寫ROM（EPROM）；
- 電可擦除唯讀記憶體 (EEPROM)；
- 快閃記憶體.
每個儲存單元是 浮柵MOSFET，儲存負電荷。 它與傳統 MOS 電晶體的區別在於存在浮壓閘極——電介質層中的導體。
當汲極和源極之間產生電位差且閘極處有正電位時，電流將從源極流向汲極。 然而，如果存在足夠大的電位差，一些電子會「突破」介電層並最終進入浮柵。 這種現象稱為 .
帶負電的浮動閘極會產生電場，阻止電流從源極流向汲極。 此外，浮柵中電子的存在增加了電晶體導通的閾值電壓。 每次對電晶體浮置閘極進行「寫入」時，介電層都會受到輕微損壞，這對每個單元的重寫週期數量施加了限制。
浮柵 MOSFET 由貝爾實驗室的 Dawon Kahng 和 Simon Min Sze 於 1967 年開發。 後來，在研究積體電路的缺陷時，人們注意到由於浮動閘極中的電荷，打開電晶體的閾值電壓發生了變化。 這項發現促使多夫·弗羅曼開始研究基於這種現象的記憶。
更改閾值電壓可以讓您對電晶體進行“編程”。 當閘極電壓大於無電子電晶體的閾值電壓但小於有電子電晶體的閾值電壓時，浮柵電晶體將不會導通。 我們稱這個值為 讀取電壓.
可擦可編程只讀存儲器
1971 年，英特爾員工 Dov Frohman 創建了一種基於電晶體的可重寫記憶體，稱為 可擦可編程只讀存儲器 (EPROM)。 記錄到記憶體是使用特殊設備 - 程式設計器進行的。 程式設計器向晶片施加比數位電路中使用的電壓更高的電壓，從而將電子「寫入」到所需的電晶體的浮動閘極。
EPROM 記憶體並非設計用於以電方式清潔電晶體的浮動閘極。 相反，有人建議將電晶體暴露在強紫外線下，其中的光子將為電子提供逃離浮柵所需的能量。 為了讓紫外線能夠深入晶片內部，外殼中添加了石英玻璃。
1971 年 XNUMX 月，弗羅曼在費城舉行的固態 IC 會議上首次展示了他的 EPROM 原型。 Gordon Moore 回憶起這次演示：「Dov 演示了 EPROM 儲存單元中的位元模式。 當這些細胞暴露在紫外線下時，這些位元就一一消失，直到陌生的英特爾標誌被完全擦除。 ……節拍消失，當最後一個節拍消失時，全場爆發出熱烈的掌聲。 多夫的文章被認為是會議上最好的文章。” ——文章翻譯
EPROM 記憶體比以前使用的「一次性」唯讀記憶體 (ROM) 裝置更昂貴，但重新編程的能力使您可以更快地偵錯電路並減少開發新硬體所需的時間。
用紫外光對 ROM 進行重新編程是一項重大突破，然而，電重寫的想法已經在空氣中流傳。
電可擦可編程只讀存儲器
1972年，三位日本人：Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Nagai推出了第一個電可擦除唯讀記憶體（EEPROM或E2PROM）。 隨後，他們的科學研究將成為 EEPROM 記憶體商業實施專利的一部分。
每個 EEPROM 儲存單元由多個電晶體組成：
- 用於位元儲存的浮柵電晶體；
- 用於控制讀寫模式的電晶體。
這種設計使電路的佈線變得非常複雜，因此在少量記憶體並不重要的情況下使用EEPROM記憶體。 EPROM 仍被用來儲存大量資料。
快閃記憶體
快閃記憶體結合了 EPROM 和 EEPROM 的最佳特性，由日本東芝公司工程師 Fujio Masuoka 教授於 1980 年開發。 第一個開發產品稱為 NOR 快閃記憶體，與其前身一樣，基於浮柵 MOSFET。
NOR快閃記憶體是二維電晶體陣列。 電晶體的閘極連接到字線，並且汲極連接到位線。 當電壓施加到字線時，包含電子（即儲存「XNUMX」）的電晶體將不會打開，電流也不會流動。 根據位線上是否存在電流，得出關於該位的值的結論。
七年後，Fujio Masuoka 開發出了 NAND 快閃記憶體。 這種類型的記憶體的不同之處在於位元線上的電晶體數量。 在NOR記憶體中，每個電晶體直接連接到位線，而在NAND記憶體中，電晶體串聯連接。
從這種配置的記憶體中讀取資料更加困難：讀取所需的電壓被施加到字的必要行，並且電壓被施加到字的所有其他行，這使得晶體管打開，而不管晶體管中的電荷水平如何。 由於保證所有其他電晶體都打開，因此位元線上電壓的存在僅取決於施加讀取電壓的一個電晶體。
NAND快閃記憶體的發明使得顯著壓縮電路成為可能，在相同的尺寸下放置更多的記憶體。 直到2007年，記憶體容量都是透過減少晶片的製造流程來增加的。
2007年，東芝推出了新版本的NAND記憶體： 垂直 NAND (V-NAND)，也稱為 3D NAND。 該技術強調將電晶體放置在多層中，這再次允許更密集的電路和增加的儲存容量。 然而，電路壓縮不能無限地重複，因此人們探索了其他方法來增加儲存容量。
最初，每個電晶體儲存兩個電荷水平：邏輯零和邏輯一。 這種方法稱為 單層單元 (SLC)。 採用此技術的驅動器高度可靠，並且具有最大數量的重寫週期。
隨著時間的推移，人們決定以犧牲耐磨性為代價來增加儲存容量。 因此，一個電池中的電荷等級數量最多可達四個，該技術稱為 多層單元 (MLC)。 接下來是 三級單元 (TLC) и 四級單元 (QLC)。 未來還會有一個新的階梯—— 五級單元 (PLC) 每個單元五位。 一個單元中容納的位數越多，相同成本下的儲存容量越大，但耐磨性越差。
透過減少技術流程和增加一個電晶體中的位元數來壓縮電路會對儲存的資料產生負面影響。 儘管EPROM和EEPROM使用相同的晶體管，但EPROM和EEPROM可以在斷電的情況下儲存資料十年，而現代快閃記憶體可以在一年後「忘記」一切。
在航太產業中使用快閃記憶體很困難，因為輻射會對浮柵中的電子產生有害影響。
這些問題使得快閃記憶體無法成為資訊儲存領域無可爭議的領導者。 儘管基於快閃記憶體的驅動器很普遍，但人們仍在研究沒有這些缺點的其他類型的記憶體，包括以磁矩和相狀態儲存資訊。
磁阻記憶體
1955 年，以磁芯記憶體的形式出現了利用磁矩對資訊進行編碼的技術。 直到 1970 年代中期，鐵氧體記憶體才是記憶體的主要類型。 從這種類型的記憶體中讀取一點會導致環消磁並丟失資訊。 於是，讀了一點，就得寫回來。
在磁阻記憶體的現代發展中，使用由電介質隔開的兩層鐵磁體代替環。 一層是永久磁鐵，第二層改變磁化方向。 從這樣的單元中讀取一點數據可以歸結為測量電流通過時的電阻：如果各層沿相反方向磁化，則電阻更大，這相當於值“1”。
鐵氧體記憶體不需要恆定的電源來維持記錄的信息，但是，單元的磁場會影響“鄰居”，這對電路緊湊性造成了限制。
根據 基於快閃記憶體且不通電的 SSD 驅動器必須在 40°C 的環境溫度下保留資訊至少三個月。 由英特爾設計 承諾在 200°C 下將資料儲存十年。
儘管開發複雜，但磁阻記憶體在使用過程中不會退化，並且具有其他類型記憶體中最好的效能，這不允許此類記憶體被註銷。
相變記憶體
第三種有前途的記憶體是基於相變的記憶體。 這種類型的記憶體利用硫屬化物的特性在加熱時在晶態和非晶態之間切換。
硫屬化物 — 元素週期表第 16 族（主要子族第 6 族）金屬的二元化合物。 例如，CD-RW、DVD-RW、DVD-RAM 和藍光光碟使用碲化鍺 (GeTe) 和碲化銻 (III) (Sb2Te3)。
利用相變進行資訊儲存的研究 1960年代 去年由史丹佛·奧夫辛斯基（Stanford Ovshinsky）提出，但隨後它並沒有進入商業實施。 2000年代，人們對這項技術重新產生了興趣，三星獲得了允許在5納秒內進行位切換的專利技術，英特爾和意法半導體將狀態數量增加到四個，從而使可能的容量增加了一倍。
當加熱到熔點以上時，硫屬化物會失去其晶體結構，並在冷卻時變成具有高電阻的無定形形式。 反過來，當加熱到高於結晶點但低於熔點的溫度時，硫屬化物會回到具有低電阻水平的結晶狀態。
與充電記憶體不同，相變記憶體不需要隨著時間的推移而“充電”，也不易受到輻射的影響。 這種類型的記憶體可以在 300°C 的溫度下保留資訊 85 年。
相信英特爾技術的發展 3D 交叉點 (3D XPoint) 它使用相變來儲存資訊。 3D XPoint 用於英特爾® 傲騰™ 記憶體驅動器，據稱具有更高的耐用性。
結論
固態硬碟的物理設計在半個多世紀的歷史中經歷了許多變化，但是每種解決方案都有其缺點。 儘管快閃記憶體的普及無可否認，但包括三星和英特爾在內的幾家公司正在探索創建基於磁矩的記憶體的可能性。
減少電池磨損、緊湊化電池以及提高驅動器的整體容量是目前固態驅動器進一步發展的有希望的領域。
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您認為儲存電荷資訊的技術會被石英盤或鹽奈米晶體上的光學記憶體等其他技術所取代嗎？
來源： www.habr.com