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Einführung in SSD. Teil 4. Physisch


In den vorherigen Abschnitten der Einführung in die SSD-Reihe wurde der Leser über die Geschichte des Erscheinungsbilds von SSD-Laufwerken, ihre Interaktionsschnittstellen und beliebte Formfaktoren informiert. Der vierte Teil befasst sich mit dem Speichern von Daten in Laufwerken.

In früheren Artikeln der Reihe:

  1. Geschichte der Festplatte und SSD
  2. Die Entstehung von Laufwerksschnittstellen
  3. Merkmale von Formfaktoren

Die Speicherung von Daten in Solid-State-Laufwerken kann in zwei logische Teile unterteilt werden: Speicherung von Informationen in einer Zelle und Organisation der Speicherung von Zellen.

Jede SSD-Zelle speichert ein oder mehrere Informationsbits . Zum Speichern von Informationen werden verschiedene physikalische Prozesse verwendet . Bei der Entwicklung von Solid-State-Laufwerken wurden die folgenden physikalischen Größen für die Codierung von Informationen untersucht:

  • elektrische Ladungen (einschließlich Flash-Speicher);
  • magnetische Momente (magnetoresistives Gedächtnis);
  • Phasenzustände (Speicher mit Phasenzustandsänderung).

Elektrischer Ladungsspeicher


Das Codieren von Informationen unter Verwendung einer negativen Ladung liegt mehreren Lösungen zugrunde:

  • Löschbares ROM (EPROM);
  • Elektrisch löschbares ROM (EEPROM);
  • Flash-Speicher


Jede Speicherzelle ist ein Floating-Gate-MOS-Transistor , der eine negative Ladung speichert. Der Unterschied zu einem herkömmlichen MOS-Transistor besteht in der Anwesenheit eines schwebenden Gates - eines Leiters in der dielektrischen Schicht.

Wenn eine Potentialdifferenz zwischen Drain und Source erzeugt wird und am Gate ein positives Potential vorhanden ist, fließt ein Strom von der Source zum Drain. Wenn jedoch eine ausreichend große Potentialdifferenz vorliegt, "durchbrechen" einige Elektronen die dielektrische Schicht und landen in einem schwebenden Gate. Dieses Phänomen wird als Tunneleffekt bezeichnet .


Ein negativ geladenes Floating Gate erzeugt ein elektrisches Feld, das den Stromfluss von Source zu Drain stört. Darüber hinaus erhöht das Vorhandensein von Elektronen im Floating Gate die Schwellenspannung, bei der sich der Transistor öffnet. Bei jeder "Aufzeichnung" in dem schwebenden Gate des Transistors wird die dielektrische Schicht leicht beschädigt, was die Anzahl der Umschreibzyklen jeder Zelle begrenzt.

Floating-Gate-MOSFETs wurden 1967 von Dawon Kahng und Simon Min Sze von Bell Labs entwickelt. Später, als Defekte in integrierten Schaltkreisen untersucht wurden, wurde festgestellt, dass sich aufgrund der Ladung im Floating Gate die Schwellenspannung, die den Transistor öffnete, änderte. Diese Entdeckung veranlasste Dov Frohman, mit der Arbeit an der Erinnerung zu beginnen, die auf diesem Phänomen basiert.
Durch Ändern der Schwellenspannung können Sie die Transistoren "programmieren". Transistoren mit einer Ladung in einem schwebenden Gate öffnen sich nicht, wenn an das Gate eine Spannung angelegt wird, die größer als die Schwellenspannung für einen Transistor ohne Elektronen ist, aber kleiner als die Schwellenspannung für einen Transistor mit Elektronen. Dieser Wert wird als Lesespannung bezeichnet .

Löschbarer programmierbarer schreibgeschützter Speicher



1971 schuf ein Intel-Mitarbeiter, Dov Frohman, einen wiederbeschreibbaren Transistorspeicher, den erasierbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM) . Das Schreiben in den Speicher wurde mit einem speziellen Gerät - einem Programmierer - durchgeführt. Der Programmierer liefert dem Chip eine höhere Spannung als in digitalen Schaltungen verwendet wird, wodurch bei Bedarf Elektronen in die schwebenden Gates von Transistoren "aufgezeichnet" werden.


Der EPROM-Speicher sollte die Floating Gates von Transistoren nicht elektrisch reinigen. Stattdessen wurde vorgeschlagen, die Transistoren starker ultravioletter Strahlung auszusetzen, deren Photonen den Elektronen die Energie geben, die zum Verlassen des Floating Gates erforderlich ist. Um das Ultraviolett tief in den Chip zu gelangen, wurde dem Gehäuse Quarzglas hinzugefügt.


EPROM 1971 . : « EPROM. , , Intel . … , , . ». — newsroom.intel.com
EPROM-Speicher ist teurer als bisher verwendete "einmalige" Nur-Lese-Speichergeräte (ROM). Die Möglichkeit der Neuprogrammierung ermöglicht es Ihnen jedoch, Schaltkreise schneller zu debuggen und die Entwicklungszeit neuer Hardware zu verkürzen.

Die Neuprogrammierung des ROM mit ultraviolettem Licht war ein bedeutender Durchbruch, die Idee des elektrischen Umschreibens lag jedoch bereits in der Luft.

Elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher


1972 stellten drei Japaner: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi und Kiyoko Nagai den ersten elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher, EEPROM oder E 2 PROM, vor. Später wird ihre Forschung Teil von Patenten für die kommerzielle Implementierung von EEPROM-Speichern.

Jede EEPROM-Speicherzelle besteht aus mehreren Transistoren:

  • Floating-Gate-Transistor zum Speichern von Bits;
  • Transistor zur Steuerung des Lese- / Schreibmodus.

Dieses Design verkompliziert die Verkabelung des Stromkreises erheblich, so dass der EEPROM-Speicher in Fällen verwendet wurde, in denen eine kleine Speichermenge nicht kritisch war. Das EPROM wurde immer noch zum Speichern einer großen Datenmenge verwendet.

Flash-Speicher


Flash-Speicher, der die besten Funktionen von EPROM und EEPROM kombiniert und 1980 von dem japanischen Professor Fujio Masuoka (Fujio Masuoka), einem Ingenieur bei Toshiba, entwickelt wurde. Die erste Entwicklung hieß Flash-Memory-Typ NOR und basiert wie ihre Vorgänger auf MOSFETs mit Floating Gate.


Der Flash-Speicher vom Typ NOR ist eine zweidimensionale Anordnung von Transistoren. Die Gates der Transistoren sind mit der Wortleitung verbunden und die Drains mit der Bitleitung. Wenn Spannung an die Wortzeile angelegt wird, öffnen sich Transistoren, die Elektronen enthalten, dh die „Einheit“ speichern, nicht und der Strom fließt nicht. Durch das Vorhandensein oder Fehlen von Strom auf der Bitleitung wird eine Schlussfolgerung über den Wert des Bits gezogen.


Sieben Jahre später entwickelte Fujio Masuoka einen Flash-Speicher vom Typ NAND. Diese Art von Speicher unterscheidet sich durch die Anzahl der Transistoren auf der Bitleitung. Im NOR-Speicher ist jeder Transistor direkt mit einer Bitleitung verbunden, während im NAND-Speicher die Transistoren in Reihe geschaltet sind.


Das Lesen aus dem Speicher einer solchen Konfiguration ist komplizierter: Die zum Lesen erforderliche Spannung wird an die erforderliche Zeile des Wortes geliefert, und an alle anderen Zeilen des Wortes wird Spannung angelegt, wodurch der Transistor unabhängig vom Ladungspegel darin geöffnet wird. Da garantiert ist, dass alle anderen Transistoren offen sind, hängt das Vorhandensein einer Spannung auf der Bitleitung nur von einem Transistor ab, an den die Lesespannung angelegt wird.

Die Erfindung des Flash-Speichers vom NAND-Typ ermöglicht eine signifikante Verdichtung der Schaltung, wobei eine größere Speichermenge bei gleicher Größe aufgenommen wird. Bis 2007 wurde die Speichermenge durch Reduzierung des Herstellungsprozesses des Chips erhöht.

2007 führte Toshiba eine neue Version des NAND-Speichers ein: Vertical NAND (V-NAND) , auch als 3D-NAND bekannt. Diese Technologie konzentriert sich auf die Platzierung von Transistoren in mehreren Schichten, wodurch Sie die Schaltung wieder verdichten und den Speicherplatz erhöhen können. Die Schaltungsverdichtung kann jedoch nicht auf unbestimmte Zeit wiederholt werden, so dass andere Verfahren untersucht wurden, um die Größe des gespeicherten Speichers zu erhöhen.


Zu Beginn speicherte jeder Transistor zwei Ladungspegel: eine logische Null und eine logische Einheit. Dieser Ansatz wird als Single-Level-Cell (SLC) bezeichnet . Laufwerke mit dieser Technologie sind sehr zuverlässig und haben maximale Umschreibzyklen.

Im Laufe der Zeit wurde beschlossen, das Laufwerksvolumen auf Kosten der Haltbarkeit zu erhöhen. Die Anzahl der Ladungspegel in der Zelle beträgt also bis zu vier, und die Technologie wurde als Multi-Level-Zelle (MLC) bezeichnet . Als nächstes kamen die Triple-Level-Zelle (TLC) und die Quad-Level-Zelle (QLC) . In Zukunft wird eine neue Ebene erscheinen - Penta-Level-Zelle (PLC) mit fünf Bits in einer Zelle. Je mehr Bits in einer Zelle platziert sind, desto größer ist das Volumen des Laufwerks bei gleichen Kosten, aber geringerer Verschleißfestigkeit.

Die Verdichtung der Schaltung durch Reduzieren der Prozesstechnologie und Erhöhen der Anzahl von Bits in einem Transistor wirkt sich nachteilig auf die gespeicherten Daten aus. Trotz der Tatsache, dass in EPROM und EEPROM dieselben Transistoren verwendet werden, können EPROM und EEPROM zehn Jahre lang Daten ohne Strom speichern, während der moderne Flash-Speicher alles in einem Jahr "vergessen" kann.
Die Verwendung von Flash-Speichern in der Raumfahrtindustrie ist schwierig, da Strahlung die Elektronen in schwebenden Gates nachteilig beeinflusst.
Diese Probleme verhindern, dass Flash unbestritten führend auf dem Gebiet der Informationsspeicherung wird. Trotz der Tatsache, dass Flash-basierte Speichergeräte weit verbreitet sind, werden derzeit Studien zu anderen Speichertypen durchgeführt, bei denen diese Mängel nicht vorliegen, einschließlich der Speicherung von Informationen in magnetischen Momenten und Phasenzuständen.

Magnetoresistives Gedächtnis



Die Codierung von Informationen durch magnetische Momente erschien 1955 in Form eines Gedächtnisses auf Magnetkernen. Bis Mitte der 1970er Jahre war das Ferritgedächtnis die Hauptform des Gedächtnisses. Ein wenig Lesen aus dieser Art von Speicher führte zur Entmagnetisierung des Rings und zum Verlust von Informationen. Nach einigem Lesen musste es also zurückgeschrieben werden.

In modernen Entwicklungen des magnetoresistiven Gedächtnisses werden anstelle von Ringen zwei Schichten eines Ferromagneten verwendet, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Eine Schicht ist ein Permanentmagnet und die zweite ändert die Magnetisierungsrichtung. Das Ablesen eines Bits aus einer solchen Zelle reduziert sich auf die Messung des Widerstands beim Durchleiten von Strom: Wenn die Schichten in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind, ist der Widerstand größer und entspricht dem Wert „1“.

Für den Ferritspeicher ist keine konstante Stromquelle erforderlich, um die aufgezeichneten Informationen aufrechtzuerhalten. Das Magnetfeld der Zelle kann jedoch den „Nachbarn“ beeinflussen, wodurch die Verdichtung der Schaltung eingeschränkt wird.
Laut JEDEC sollten SSDs, die auf einem Flash-Speicher ohne Strom basieren, Informationen mindestens drei Monate lang bei einer Umgebungstemperatur von 40 ° C speichern. Ein Intel-basierter Chip auf der Basis eines magnetoresistiven Speichers verspricht, Daten zehn Jahre lang bei einer Temperatur von 200 ° C zu speichern.
Trotz der Komplexität der Entwicklung verschlechtert sich der magnetoresistive Speicher während der Verwendung nicht und weist unter anderen Speichertypen die beste Leistung auf, wodurch dieser Speichertyp nicht abgeschrieben werden kann.

Phasenwechselspeicher


Die dritte vielversprechende Form des Speichers ist der Phasenübergangsspeicher. Diese Art von Gedächtnis nutzt die Eigenschaften von Chalkogeniden, um beim Erhitzen zwischen kristallinen und amorphen Zuständen umzuschalten.
Chalkogenide sind binäre Metallverbindungen mit der 16. Gruppe (6. Gruppe der Hauptuntergruppe) des Periodensystems. Beispielsweise verwenden CD-RW-, DVD-RW-, DVD-RAM- und Blu-ray-Discs Germaniumtellurid (GeTe) und Antimon (III) -Tellurid (Sb 2 Te 3 ).
Untersuchungen zur Verwendung des Phasenübergangs zum Speichern von Informationen wurden in den 1960er Jahren von Stanford Ovshinsky durchgeführt, kamen dann aber nicht zur kommerziellen Realisierung. In den 2000er Jahren trat das Interesse an Technologie wieder auf, Samsung patentierte eine Technologie, die das Umschalten von Bits in 5 ns ermöglichte, und Intel und STMicroelectronics erhöhten die Anzahl der Zustände auf vier, wodurch sich das mögliche Volumen verdoppelte.

Beim Erhitzen über den Schmelzpunkt verliert Chalkogenid seine kristalline Struktur und geht beim Abkühlen in eine amorphe Form über, die durch einen hohen elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist. Wenn das Chalkogenid auf eine Temperatur oberhalb des Kristallisationspunktes, aber unterhalb des Schmelzpunkts erhitzt wird, kehrt es wiederum mit einem niedrigen Widerstandsniveau in den kristallinen Zustand zurück.

Speicher mit einer Änderung des Phasenübergangs erfordert kein "Aufladen" über die Zeit und ist im Gegensatz zu Speicher mit elektrischen Ladungen auch nicht strahlungsempfindlich. Diese Art von Speicher kann Informationen 300 Jahre lang bei einer Temperatur von 85 ° C speichern.

Es wird angenommen, dass bei der Entwicklung der 3D-Crosspoint- Technologie (3D XPoint) von Intel Phasenübergänge zum Speichern von Informationen verwendet werden. 3D XPoint wird in Intel® Optane ™ Speicherlaufwerken verwendet, für die eine längere Lebensdauer beansprucht wird.

Fazit


Die physische Struktur von SSDs hat in mehr als einem halben Jahrhundert Geschichte viele Veränderungen erfahren. Jede Lösung hat jedoch ihre eigenen Nachteile. Trotz der unbestreitbaren Beliebtheit von Flash-Speichern arbeiten mehrere Unternehmen, darunter Samsung und Intel, an der Möglichkeit, Speicher für magnetische Momente zu erstellen.

Die Verringerung des Verschleißes von Zellen, ihre Verdichtung und die Erhöhung der Gesamtkapazität des Laufwerks sind die Bereiche, die derzeit für die weitere Entwicklung von Solid-State-Laufwerken vielversprechend sind.
Sie können die coolsten NAND- und 3D-XPoint-Laufwerke heute in unserem Selectel LAB testen .
Wird Ihrer Meinung nach die Technologie zum Speichern von Informationen über elektrische Ladungen durch andere beispielsweise Quarzscheiben oder optische Speicher auf Salznanokristallen ersetzt?

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