👫 🖕🏼 🗾 Introducción a SSD. Parte 4. Física 💾 👩🏼‍🤝‍👩🏻 🆕

Las partes anteriores de la serie Introducción a SSD le contaron al lector la historia de la aparición de unidades SSD, sus interfaces de interacción y los factores de forma populares. La cuarta parte hablará sobre el almacenamiento de datos dentro de las unidades.

En artículos anteriores de la serie:

El almacenamiento de datos en unidades de estado sólido se puede dividir en dos partes lógicas: almacenamiento de información en una celda y organización del almacenamiento de celdas.

Cada celda SSD almacena uno o más bits de información . Se utilizan varios procesos físicos para almacenar información . Al desarrollar unidades de estado sólido, se estudiaron las siguientes cantidades físicas para codificar información:

cargas eléctricas (incluida la memoria flash);
momentos magnéticos (memoria magnetorresistiva);
estados de fase (memoria con cambio de estado de fase).

Memoria de carga eléctrica

La codificación de información con una carga negativa subyace a varias soluciones:

ROM borrable (EPROM);
ROM borrable eléctricamente (EEPROM);
Memoria flash

Cada celda de memoria es un transistor MOS de puerta flotante que almacena una carga negativa. Su diferencia con un transistor MOS convencional es la presencia de una puerta flotante, un conductor en la capa dieléctrica.

Al crear una diferencia de potencial entre el drenaje y la fuente y la presencia de un potencial positivo en la puerta, fluirá una corriente desde la fuente al drenaje. Sin embargo, si hay una diferencia de potencial suficientemente grande, algunos electrones "rompen" la capa dieléctrica y terminan en una puerta flotante. Este fenómeno se llama efecto túnel .

Una puerta flotante cargada negativamente crea un campo eléctrico que interfiere con el flujo de corriente desde la fuente hasta el drenaje. Además, la presencia de electrones en la puerta flotante aumenta el voltaje umbral al que se abre el transistor. En cada "grabación" en la puerta flotante del transistor, la capa dieléctrica está ligeramente dañada, lo que impone un límite en el número de ciclos de reescritura de cada celda.

Los MOSFET de puerta flotante fueron desarrollados por Dawon Kahng y Simon Min Sze de Bell Labs en 1967. Más tarde, al estudiar los defectos en los circuitos integrados, se notó que debido a la carga en la puerta flotante, el voltaje de umbral que abrió el transistor cambió. Este descubrimiento llevó a Dov Frohman a comenzar a trabajar en la memoria basada en este fenómeno.

Cambiar el voltaje de umbral le permite "programar" los transistores. Los transistores con una carga en una puerta flotante no se abrirán cuando se aplique un voltaje a la puerta que sea mayor que el voltaje umbral para un transistor sin electrones, pero menor que el voltaje umbral para un transistor con electrones. Este valor se llama voltaje de lectura .

Memoria de solo lectura programable borrable

En 1971, un empleado de Intel, Dov Frohman, creó una memoria regrabable por transistor llamada Memoria de solo lectura programable borrable (EPROM) . La escritura en la memoria se realizó utilizando un dispositivo especial: un programador. El programador suministra un voltaje más alto al chip que el que se usa en los circuitos digitales, por lo tanto, "registra" electrones en las puertas flotantes de los transistores, cuando es necesario.

La memoria EPROM no debía limpiar eléctricamente las puertas flotantes de los transistores. En cambio, se sugirió que los transistores se expongan a una fuerte radiación ultravioleta, cuyos fotones dan la energía a los electrones la energía necesaria para salir de la puerta flotante. Para acceder a la profundidad ultravioleta en el chip, se ha agregado vidrio de cuarzo a la caja.

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

La memoria EPROM es más cara que los dispositivos de memoria de solo lectura (ROM) "únicos" utilizados anteriormente, sin embargo, la posibilidad de reprogramación le permite depurar circuitos más rápido y reducir el tiempo de desarrollo de nuevo hardware.

La reprogramación de la ROM con luz ultravioleta fue un avance significativo, sin embargo, la idea de la reescritura eléctrica ya estaba en el aire.

Eléctricamente programable y borrable memoria de sólo lectura

En 1972, tres japoneses: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Nagai presentaron la primera memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente, EEPROM o E ² PROM. Más tarde, su investigación pasará a formar parte de las patentes para la implementación comercial de la memoria EEPROM.

Cada celda de memoria EEPROM consta de varios transistores:

transistor de puerta flotante para almacenar bits;
transistor para controlar el modo lectura-escritura.

Este diseño complica enormemente el cableado del circuito eléctrico, por lo que la memoria EEPROM se usó en casos en los que una pequeña cantidad de memoria no era crítica. EPROM todavía se usaba para almacenar una gran cantidad de datos.

Memoria flash

Memoria flash que combina las mejores características de EPROM y EEPROM, desarrollada por el profesor japonés Fujio Masuoka (Fujio Masuoka), ingeniero de Toshiba, en 1980. El primer desarrollo se llamó memoria flash tipo NOR y, al igual que sus predecesores, se basa en MOSFET con una puerta flotante.

La memoria flash tipo NOR es una matriz bidimensional de transistores. Las puertas de los transistores están conectadas a la línea de palabras y los drenajes a la línea de bits. Cuando se aplica voltaje a la línea de palabras, los transistores que contienen electrones, es decir, almacenar la "unidad", no se abrirán y la corriente no fluirá. Por la presencia o ausencia de corriente en la línea de bits, se llega a una conclusión sobre el valor del bit.

Siete años después, Fujio Masuoka desarrolló la memoria flash tipo NAND. Este tipo de memoria se distingue por el número de transistores en la línea de bits. En la memoria NOR, cada transistor está conectado directamente a una línea de bits, mientras que en la memoria NAND, los transistores están conectados en serie.

La lectura de la memoria de dicha configuración es más complicada: el voltaje necesario para la lectura se suministra a la línea necesaria de la palabra, y el voltaje se aplica a todas las demás líneas de la palabra, lo que abre el transistor, independientemente del nivel de carga en él. Como se garantiza que todos los demás transistores están abiertos, la presencia de voltaje en la línea de bits depende de un solo transistor, al que se aplica el voltaje de lectura.

La invención de la memoria flash tipo NAND permite compactar significativamente el circuito, acomodando una mayor cantidad de memoria en el mismo tamaño. Hasta 2007, la cantidad de memoria se incrementó al reducir el proceso de fabricación del chip.

En 2007, Toshiba presentó una nueva versión de memoria NAND: Vertical NAND (V-NAND) , también conocida como 3D NAND. Esta tecnología se enfoca en la colocación de transistores en varias capas, lo que nuevamente le permite compactar el circuito y aumentar la cantidad de memoria. Sin embargo, la compactación de circuitos no puede repetirse indefinidamente, por lo que se han explorado otros métodos para aumentar el tamaño de la memoria almacenada.

Inicialmente, cada transistor almacenaba dos niveles de carga: un cero lógico y una unidad lógica. Este enfoque se llama celda de nivel único (SLC) . Las unidades con esta tecnología son altamente confiables y tienen ciclos máximos de reescritura.

Con el tiempo, se decidió aumentar el volumen de las unidades a costa de la durabilidad. Por lo tanto, el número de niveles de carga en la celda es de hasta cuatro, y la tecnología se llamó Celda de varios niveles (MLC) . Luego vino la celda de triple nivel (TLC) y la celda de cuatro niveles (QLC) . En el futuro, aparecerá un nuevo nivel: Penta-Level Cell (PLC) con cinco bits en una celda. Cuantos más bits se coloquen en una celda, mayor será el volumen del disco al mismo costo, pero menor resistencia al desgaste.

La compactación del circuito al reducir la tecnología de proceso y aumentar el número de bits en un transistor afecta negativamente a los datos almacenados. A pesar de que se usan los mismos transistores en EPROM y EEPROM, EPROM y EEPROM pueden almacenar datos sin energía durante diez años, mientras que la memoria Flash moderna puede "olvidar" todo en un año.

El uso de la memoria flash en la industria espacial es difícil, ya que la radiación afecta negativamente a los electrones en las puertas flotantes.

Estos problemas evitan que Flash se convierta en el líder indiscutible en el campo del almacenamiento de información. A pesar del hecho de que los dispositivos de almacenamiento basados en flash están muy extendidos, se están realizando estudios sobre otros tipos de memoria desprovistos de estas deficiencias, incluido el almacenamiento de información en momentos magnéticos y estados de fase.

Memoria magnetorresistiva

La codificación de la información por momentos magnéticos apareció en 1955 en forma de memoria en núcleos magnéticos. Hasta mediados de la década de 1970, la memoria de ferrita era la principal forma de memoria. Leer un poco de este tipo de memoria condujo a la desmagnetización del anillo y la pérdida de información. Por lo tanto, después de leer un poco, tuvo que ser reescrito.

En los desarrollos modernos de memoria magnetorresistiva, en lugar de anillos, se utilizan dos capas de ferromagnet, separadas por un dieléctrico. Una capa es un imán permanente, y la segunda cambia la dirección de magnetización. La lectura de un bit de dicha celda se reduce a medir la resistencia al pasar corriente: si las capas están magnetizadas en direcciones opuestas, entonces la resistencia es mayor y esto es equivalente al valor "1".

La memoria de ferrita no requiere una fuente de energía constante para mantener la información registrada, sin embargo, el campo magnético de la celda puede afectar al "vecino", lo que impone una restricción en la compactación del circuito.

Según JEDEC, los SSD basados en memoria Flash sin alimentación deben almacenar información durante al menos tres meses a una temperatura ambiente de 40 ° C. Un chip basado en Intel basado en memoria magnetorresistiva promete almacenar datos durante diez años a una temperatura de 200 ° C.

A pesar de la complejidad del desarrollo, la memoria magnetorresistiva no se degrada durante el uso y tiene el mejor rendimiento entre otros tipos de memoria, lo que no permite cancelar este tipo de memoria.

Memoria de cambio de fase

La tercera forma prometedora de memoria es la memoria de transición de fase. Este tipo de memoria utiliza las propiedades de los calcogenuros para cambiar entre los estados cristalino y amorfo cuando se calienta.

Los calcogenuros son compuestos binarios de metales con el 16º grupo (6º grupo del subgrupo principal) de la tabla periódica. Por ejemplo, los discos CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM y Blu-ray usan telururo de germanio (GeTe) y telururo de antimonio (III) (Sb ₂ Te ₃ ).

Stanford Ovshinsky realizó una investigación sobre el uso de la transición de fase para almacenar información en la década de 1960 , pero luego no se realizó comercialmente. En la década de 2000, reapareció el interés en la tecnología, Samsung patentó una tecnología que permite cambiar bits en 5 ns, e Intel y STMicroelectronics aumentaron el número de estados a cuatro, duplicando así el posible volumen.

Cuando se calienta por encima del punto de fusión, el calcogenuro pierde su estructura cristalina y, al enfriarse, se convierte en una forma amorfa, caracterizada por una alta resistencia eléctrica. A su vez, cuando se calienta a una temperatura por encima del punto de cristalización, pero por debajo del punto de fusión, el calcogenuro vuelve al estado cristalino con un bajo nivel de resistencia.

La memoria con un cambio en la transición de fase no requiere "recargarse" con el tiempo, y tampoco es susceptible a la radiación, en contraste con la memoria con cargas eléctricas. Este tipo de memoria puede almacenar información durante 300 años a una temperatura de 85 ° C.

Se cree que el desarrollo de Intel, la tecnología 3D Crosspoint (3D XPoint) utiliza transiciones de fase para almacenar información. 3D XPoint se utiliza en las unidades de memoria Intel® Optane ™ para las cuales se reclama una mayor durabilidad.

Conclusión

La estructura física de los SSD ha sufrido muchos cambios en más de medio siglo de historia, sin embargo, cada solución tiene sus propios inconvenientes. A pesar de la innegable popularidad de la memoria Flash, varias compañías, incluidas Samsung e Intel, están trabajando en la posibilidad de crear memoria en momentos magnéticos.

La reducción del desgaste de las células, su compactación y el aumento de la capacidad general de la unidad son las áreas que actualmente prometen un mayor desarrollo de unidades de estado sólido.

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En su opinión, ¿la tecnología de almacenamiento de información sobre cargas eléctricas será reemplazada por otra, por ejemplo, discos de cuarzo o memoria óptica en nanocristales de sal?

Introducción a SSD. Parte 4. Física