☂️ 🌝 👉🏻 مقدمة عن SSD. الجزء 4. المادية 👩‍🎨 🤲 👩🏻‍✈️

أخبرت الأجزاء السابقة من مقدمة سلسلة SSD القارئ عن تاريخ ظهور محركات أقراص SSD وواجهات تفاعلها وعوامل الشكل الشائعة. سيتحدث الجزء الرابع عن تخزين البيانات داخل محركات الأقراص.

في مقالات سابقة في السلسلة:

يمكن تقسيم تخزين البيانات في محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة إلى قسمين منطقيين: تخزين المعلومات في خلية واحدة وتنظيم تخزين الخلايا.

تخزن كل خلية SSD بتة أو أكثر من المعلومات . يتم استخدام العمليات الفيزيائية المختلفة لتخزين المعلومات . عند تطوير محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة ، تمت دراسة الكميات المادية التالية لترميز المعلومات:

الشحنات الكهربائية (بما في ذلك ذاكرة فلاش) ؛
لحظات مغناطيسية (ذاكرة مقاومة مغناطيسية) ؛
حالات الطور (الذاكرة مع تغيير حالة الطور).

ذاكرة الشحنات الكهربائية

يعتمد ترميز المعلومات باستخدام الشحنة السالبة على عدة حلول:

ROM قابل للمسح (EPROM) ؛
ROM قابل للمسح كهربائيًا (EEPROM) ؛
ذاكرة متنقله

كل خلية ذاكرة عبارة عن ترانزستور MOS بوابة عائمة يخزن شحنة سالبة. اختلافه عن ترانزستور MOS التقليدي هو وجود بوابة عائمة - موصل في الطبقة العازلة.

عند إنشاء فرق محتمل بين المصرف والمصدر ووجود جهد إيجابي عند البوابة ، سوف يتدفق تيار من المصدر إلى المصرف. ومع ذلك ، إذا كان هناك فرق جهد كبير بما فيه الكفاية ، فإن بعض الإلكترونات "تخترق" الطبقة العازلة وتنتهي في بوابة عائمة. تسمى هذه الظاهرة بتأثير النفق .

تخلق البوابة العائمة ذات الشحنة السلبية مجالًا كهربائيًا يتداخل مع تدفق التيار من المصدر إلى الصرف. علاوة على ذلك ، فإن وجود الإلكترونات في البوابة العائمة يزيد من عتبة الجهد التي يفتح عندها الترانزستور. عند كل "تسجيل" في البوابة العائمة للترانزستور ، تتضرر الطبقة العازلة قليلاً ، مما يفرض حدًا على عدد دورات إعادة الكتابة لكل خلية.

تم تطوير MOSFETs ذات البوابة العائمة بواسطة Dawon Kahng و Simon Min Sze من Bell Labs في عام 1967. في وقت لاحق ، عند دراسة العيوب في الدوائر المتكاملة ، لوحظ أنه بسبب الشحن في البوابة العائمة ، تغير عتبة الجهد التي فتحت الترانزستور. دفع هذا الاكتشاف دوف فرومان إلى البدء في العمل على الذاكرة بناءً على هذه الظاهرة.

يتيح لك تغيير عتبة الجهد "برمجة" الترانزستورات. لن يتم فتح الترانزستورات ذات الشحنة في بوابة عائمة عند تطبيق جهد على البوابة أكبر من عتبة الجهد لترانزستور بدون إلكترونات ، ولكن أقل من عتبة الجهد للترانزستور مع الإلكترونات. هذه القيمة تسمى جهد القراءة .

ذاكرة قابلة للقراءة فقط قابلة للبرمجة ومسح

في عام 1971 ، قام أحد موظفي Intel ، دوف فرومان ، بإنشاء ذاكرة قابلة لإعادة الكتابة للترانزستور تسمى ذاكرة قابلة للقراءة فقط قابلة للبرمجة (EPROM) . تم الكتابة إلى الذاكرة باستخدام جهاز خاص - مبرمج. يوفر المبرمج جهدًا أعلى للرقاقة مما هو مستخدم في الدوائر الرقمية ، وبالتالي "تسجيل" الإلكترونات على البوابات العائمة للترانزستورات ، عند الضرورة.

لم يكن من المفترض أن تقوم ذاكرة EPROM بتنظيف البوابات العائمة للترانزستورات كهربائياً. وبدلاً من ذلك ، اقترح أن تتعرض الترانزستورات لإشعاع فوق بنفسجي قوي ، حيث تمنح فوتونات الطاقة للإلكترونات الطاقة اللازمة لمغادرة البوابة العائمة. للوصول إلى الأشعة فوق البنفسجية في الرقاقة ، تمت إضافة زجاج الكوارتز إلى العلبة.

EPROM 1971 . : « EPROM. , , Intel . … , , . ». — newsroom.intel.com

تعد ذاكرة EPROM أكثر تكلفة من أجهزة ذاكرة القراءة فقط (ROM) التي تم استخدامها سابقًا (ROM) ، ومع ذلك ، فإن إمكانية إعادة البرمجة تتيح لك تصحيح الدوائر بشكل أسرع وتقليل وقت تطوير الأجهزة الجديدة.

كانت إعادة برمجة ROM بالضوء فوق البنفسجي تقدمًا كبيرًا ، ومع ذلك ، كانت فكرة إعادة الكتابة الكهربائية في الهواء بالفعل.

كهربائيا للمسح برمجة ذاكرة القراءة فقط

في عام 1972 ، قدم ثلاثة يابانيين: ياسو تاروي ، يوتاكا هاياشي ، وكيوكو ناجاي أول ذاكرة للقراءة فقط قابلة للبرمجة ومسح كهربائيًا أو EEPROM أو E ² PROM. في وقت لاحق ، ستصبح أبحاثهم جزءًا من براءات الاختراع للتطبيق التجاري لذاكرة EEPROM.

تتكون كل خلية ذاكرة EEPROM من عدة ترانزستورات:

ترانزستور بوابة عائمة لتخزين البتات ؛
الترانزستور للتحكم في وضع القراءة والكتابة.

يعقد هذا التصميم إلى حد كبير أسلاك الدائرة الكهربائية ، لذلك تم استخدام ذاكرة EEPROM في الحالات التي لا تكون فيها كمية صغيرة من الذاكرة حرجة. كان EPROM لا يزال يستخدم لتخزين كمية كبيرة من البيانات.

ذاكرة متنقله

من خلال الجمع بين أفضل ميزات EPROM و EEPROM ، تم تطوير الذاكرة المحمولة بواسطة الأستاذ الياباني Fujio Masuoka ، مهندس في Toshiba ، في عام 1980. كان التطور الأول يسمى نوع ذاكرة فلاش NOR ، ومثل أسلافه ، يعتمد على MOSFETs ذات البوابة العائمة.

NOR flash flash هي مجموعة ثنائية الأبعاد من الترانزستورات. ترتبط أبواب الترانزستورات بخط الكلمة ، والمصارف إلى خط البت. عندما يتم تطبيق الجهد على سطر الكلمات ، فإن الترانزستورات التي تحتوي على إلكترونات ، أي تخزين "الوحدة" ، لن تفتح ولن يتدفق التيار. من خلال وجود أو عدم وجود التيار على خط البت ، يتم التوصل إلى استنتاج حول قيمة البت.

بعد سبع سنوات ، طورت Fujio Masuoka ذاكرة فلاش من نوع NAND. يختلف هذا النوع من الذاكرة في عدد الترانزستورات في خط البت. في ذاكرة NOR ، يتم توصيل كل ترانزستور مباشرة بخط بت ، بينما في ذاكرة NAND ، يتم توصيل الترانزستورات في سلسلة.

القراءة من ذاكرة مثل هذا التكوين أكثر تعقيدًا: يتم توفير الجهد اللازم للقراءة إلى السطر الضروري للكلمة ، ويتم تطبيق الجهد على جميع الأسطر الأخرى للكلمة ، والتي تفتح الترانزستور بغض النظر عن مستوى الشحن فيه. نظرًا لأن جميع الترانزستورات الأخرى مضمونة أن تكون مفتوحة ، فإن وجود الجهد على خط البت يعتمد على ترانزستور واحد فقط ، والذي يتم تطبيق جهد القراءة عليه.

يسمح اختراع ذاكرة فلاش من نوع NAND بضغط الدارة بشكل كبير ، واستيعاب مساحة أكبر من الذاكرة بنفس الحجم. حتى عام 2007 ، تم زيادة مقدار الذاكرة عن طريق تقليل عملية تصنيع الرقاقة.

في عام 2007 ، قدمت Toshiba إصدارًا جديدًا من ذاكرة NAND: Vertical NAND (V-NAND) ، والمعروف أيضًا باسم 3D NAND. تركز هذه التقنية على وضع الترانزستورات في عدة طبقات ، مما يسمح لك مرة أخرى بضغط الدائرة وزيادة كمية الذاكرة. ومع ذلك ، لا يمكن تكرار ضغط الدوائر إلى أجل غير مسمى ، لذلك تم استكشاف طرق أخرى لزيادة حجم الذاكرة المخزنة.

في البداية ، خزن كل ترانزستور مستويين من الشحنة: صفر منطقي ووحدة منطقية. يسمى هذا النهج خلية أحادية المستوى (SLC) . محركات الأقراص مع هذه التقنية موثوق بها للغاية ولها دورات إعادة كتابة قصوى.

بمرور الوقت ، تقرر زيادة حجم محركات الأقراص على حساب المتانة. لذا فإن عدد مستويات الشحن في الخلية يصل إلى أربعة ، وكانت التكنولوجيا تسمى الخلية متعددة المستويات (MLC) . ثم جاء بعد ذلك خلية الثلاثي المستوى (TLC) و خلية رباعية مستوى (حظة العربية) . في المستقبل ، سيظهر مستوى جديد - خلية مستوى الخماسي (PLC) مع خمس بتات في خلية واحدة. كلما تم وضع المزيد من البتات في خلية واحدة ، زاد حجم محرك الأقراص بنفس التكلفة ، ولكن أقل مقاومة للتآكل.

يؤثر ضغط الدائرة عن طريق تقليل تكنولوجيا العملية وزيادة عدد البتات في ترانزستور واحد على البيانات المخزنة بشكل سلبي. على الرغم من حقيقة أن الترانزستورات نفسها تُستخدم في EPROM و EEPROM ، فإن EPROM و EEPROM قادران على تخزين البيانات بدون طاقة لمدة عشر سنوات ، في حين يمكن للذاكرة المحمولة الحديثة "نسيان" كل شيء في السنة.

من الصعب استخدام الذاكرة المحمولة في صناعة الفضاء ، حيث يؤثر الإشعاع سلبًا على الإلكترونات في البوابات العائمة.

هذه المشاكل تمنع فلاش من أن يصبح الرائد بلا منازع في مجال تخزين المعلومات. على الرغم من حقيقة أن أجهزة التخزين المستندة إلى الفلاش منتشرة على نطاق واسع ، إلا أن الدراسات جارية على أنواع أخرى من الذاكرة الخالية من هذه العيوب ، بما في ذلك تخزين المعلومات في لحظات مغناطيسية وحالات الطور.

ذاكرة ممغنطة

ظهر ترميز المعلومات باللحظات المغناطيسية في عام 1955 في شكل ذاكرة على النوى المغناطيسية. حتى منتصف السبعينيات ، كانت الذاكرة الفريتية الشكل الرئيسي للذاكرة. أدت القراءة قليلاً من هذا النوع من الذاكرة إلى إزالة مغنطة الحلقة وفقدان المعلومات. وهكذا ، بعد القراءة قليلاً ، كان لا بد من كتابتها مرة أخرى.

في التطورات الحديثة للذاكرة المغناطيسية المقاومة ، بدلاً من الحلقات ، يتم استخدام طبقتين من المغناطيس الحديدي ، مفصولين بعزل كهربائي. طبقة واحدة هي مغناطيس دائم ، والثانية تغير اتجاه المغنطة. يتم تقليل القراءة قليلاً من مثل هذه الخلية لقياس المقاومة عند تمرير التيار: إذا كانت الطبقات ممغنطة في اتجاهين متعاكسين ، فإن المقاومة تكون أكبر وهذا يعادل القيمة "1".

لا تتطلب الذاكرة الفريتية مصدر طاقة ثابتًا للحفاظ على المعلومات المسجلة ، ومع ذلك ، يمكن أن يؤثر المجال المغناطيسي للخلية على "الجار" ، مما يفرض قيودًا على ضغط الدارة.

وفقًا لـ JEDEC ، يجب أن تقوم محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة القائمة على ذاكرة فلاش بدون طاقة بتخزين المعلومات لمدة ثلاثة أشهر على الأقل عند درجة حرارة محيطة تبلغ 40 درجة مئوية. تعد رقاقة تعتمد على Intel تعتمد على ذاكرة مقاومة مغناطيسية بتخزين البيانات لمدة عشر سنوات عند درجة حرارة 200 درجة مئوية.

على الرغم من تعقيد التطور ، لا تتدهور الذاكرة المقاومة المغناطيسية أثناء الاستخدام ولها أفضل أداء بين أنواع الذاكرة الأخرى ، والتي لا تسمح بشطب هذا النوع من الذاكرة.

ذاكرة تغيير الطور

الشكل الثالث الواعد للذاكرة هو ذاكرة المرحلة الانتقالية. يستخدم هذا النوع من الذاكرة خصائص chalcogenides للتبديل بين الحالات البلورية وغير المتبلورة عند تسخينها.

Chalcogenides هي مركبات ثنائية للمعادن مع المجموعة السادسة عشرة (المجموعة السادسة من المجموعة الفرعية الرئيسية) من الجدول الدوري. على سبيل المثال ، تستخدم أقراص CD-RW و DVD-RW و DVD-RAM وأقراص Blu-ray التيلورايد الجرمانيوم (GeTe) والتيلورايد (III) التيلورايد (Sb ₂ Te ₃ ).

تم إجراء بحث حول استخدام المرحلة الانتقالية لتخزين المعلومات في الستينيات بواسطة ستانفورد أوفشينسكي ، ولكن بعد ذلك لم يأت إلى تحقيق تجاري. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، ظهر الاهتمام بالتكنولوجيا ، وحصلت شركة سامسونج على براءة اختراع لتكنولوجيا سمحت بتبديل وحدات البت في 5 نانوثانية ، وزادت Intel و STMicroelectronics عدد الولايات إلى أربع ، وبالتالي مضاعفة الحجم المحتمل.

عند تسخينه فوق نقطة الانصهار ، يفقد chalcogenide هيكله البلوري ، وعندما يبرد ، يتحول إلى شكل غير متبلور ، يتميز بمقاومة كهربائية عالية. في المقابل ، عند تسخينه إلى درجة حرارة أعلى من نقطة التبلور ، ولكن تحت نقطة الانصهار ، يعود chalcogenide إلى الحالة البلورية بمستوى مقاومة منخفض.

لا تتطلب الذاكرة مع تغيير في المرحلة الانتقالية "إعادة الشحن" بمرور الوقت ، كما أنها ليست عرضة للإشعاع ، على عكس الذاكرة ذات الشحنات الكهربائية. يمكن لهذا النوع من الذاكرة تخزين المعلومات لمدة 300 عام عند درجة حرارة 85 درجة مئوية.

يعتقد أن تطوير تقنية Intel ، 3D Crosspoint (3D XPoint) يستخدم انتقالات طور لتخزين المعلومات. يتم استخدام 3D XPoint في محركات ذاكرة Intel® Optane ™ التي تتم المطالبة بمتانة أكبر لها.

استنتاج

خضع الهيكل المادي لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) إلى العديد من التغييرات في أكثر من نصف قرن من التاريخ ، ومع ذلك ، فإن كل حل له عيوبه الخاصة. على الرغم من الشعبية التي لا يمكن إنكارها لذاكرة الفلاش ، تعمل العديد من الشركات ، بما في ذلك Samsung و Intel ، على إمكانية إنشاء ذاكرة في لحظات مغناطيسية.

إن تقليل تآكل الخلايا وضغطها وزيادة السعة الإجمالية لمحرك الأقراص هي المناطق الواعدة حاليًا لمزيد من التطوير لمحركات الحالة الصلبة.

يمكنك اختبار أروع محركات أقراص NAND و 3D XPoint اليوم في Selectel LAB .

في رأيك ، هل سيتم استبدال تقنية تخزين المعلومات حول الشحنات الكهربائية بأخرى ، على سبيل المثال ، أقراص الكوارتز أو الذاكرة الضوئية على البلورات النانوية المالحة؟

مقدمة عن SSD. الجزء 4. المادية