🥊 🤘 🉐 Introduction au SSD. Partie 4. Physique 🎫 ✖️ 💫

Les parties précédentes de la série Introduction aux SSD ont raconté au lecteur l'histoire de l'apparition des disques SSD, de leurs interfaces d'interaction et des facteurs de forme populaires. La quatrième partie parlera du stockage des données dans les disques.

Dans les articles précédents de la série:

Le stockage des données dans des disques SSD peut être divisé en deux parties logiques: le stockage des informations dans une cellule et l'organisation du stockage des cellules.

Chaque cellule SSD stocke un ou plusieurs bits d'informations . Divers processus physiques sont utilisés pour stocker des informations . Lors du développement de disques SSD, les quantités physiques suivantes ont été étudiées pour le codage des informations:

les charges électriques (y compris la mémoire flash);
moments magnétiques (mémoire magnétorésistive);
états de phase (mémoire avec changement d'état de phase).

Mémoire de charge électrique

L'encodage d'informations à l'aide d'une charge négative sous-tend plusieurs solutions:

ROM effaçable (EPROM);
ROM électriquement effaçable (EEPROM);
Mémoire flash

Chaque cellule mémoire est un transistor MOS à grille flottante qui stocke une charge négative. Sa différence avec un transistor MOS conventionnel est la présence d'une grille flottante - un conducteur dans la couche diélectrique.

Lors de la création d'une différence de potentiel entre le drain et la source et la présence d'un potentiel positif à la grille, un courant circule de la source au drain. Cependant, s'il y a une différence de potentiel suffisamment grande, certains électrons «traversent» la couche diélectrique et se retrouvent dans une grille flottante. Ce phénomène est appelé effet tunnel .

Une grille flottante chargée négativement crée un champ électrique qui interfère avec le flux de courant de la source au drain. De plus, la présence d'électrons dans la grille flottante augmente la tension de seuil à laquelle le transistor s'ouvre. A chaque "enregistrement" dans la grille flottante du transistor, la couche diélectrique est légèrement endommagée, ce qui impose une limite au nombre de cycles de réécriture de chaque cellule.

Les MOSFET à grille flottante ont été développés par Dawon Kahng et Simon Min Sze des Bell Labs en 1967. Plus tard, lors de l'étude des défauts des circuits intégrés, il a été remarqué qu'en raison de la charge dans la grille flottante, la tension de seuil qui ouvrait le transistor a changé. Cette découverte a incité Dov Frohman à commencer à travailler sur la mémoire basée sur ce phénomène.

La modification de la tension de seuil vous permet de "programmer" les transistors. Les transistors chargés dans une grille flottante ne s'ouvriront pas lorsqu'une tension appliquée à la grille est supérieure à la tension de seuil pour un transistor sans électrons, mais inférieure à la tension de seuil pour un transistor avec électrons. Cette valeur est appelée tension de lecture .

Mémoire morte programmable effaçable

En 1971, un employé d'Intel, Dov Frohman, a créé une mémoire réinscriptible à transistors appelée mémoire effaçable programmable en lecture seule (EPROM) . L'écriture dans la mémoire a été effectuée à l'aide d'un appareil spécial - un programmeur. Le programmateur fournit une tension plus élevée à la puce que celle utilisée dans les circuits numériques, «enregistrant» ainsi les électrons aux grilles flottantes des transistors, si nécessaire.

La mémoire EPROM n'était pas censée nettoyer électriquement les grilles flottantes des transistors. Au lieu de cela, il a été suggéré que les transistors soient exposés à un fort rayonnement ultraviolet, dont les photons donnent l'énergie aux électrons l'énergie nécessaire pour quitter la grille flottante. Pour accéder aux ultraviolets profondément dans la puce, du verre de quartz a été ajouté au boîtier.

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

La mémoire EPROM est plus chère que les dispositifs de mémoire morte (ROM) «uniques» utilisés auparavant, cependant, la possibilité de reprogrammation vous permet de déboguer les circuits plus rapidement et de réduire le temps de développement du nouveau matériel.

La reprogrammation du ROM avec la lumière ultraviolette a été une percée importante, cependant, l'idée de réécriture électrique était déjà dans l'air.

Mémoire morte programmable effaçable électriquement

En 1972, trois Japonais: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi et Kiyoko Nagai ont présenté la première mémoire morte programmable effaçable électriquement, EEPROM ou E ² PROM. Plus tard, leurs recherches feront partie des brevets pour la mise en œuvre commerciale de la mémoire EEPROM.

Chaque cellule mémoire EEPROM est constituée de plusieurs transistors:

transistor à grille flottante pour stocker des bits;
transistor pour contrôler le mode lecture-écriture.

Cette conception complique considérablement le câblage du circuit électrique, de sorte que la mémoire EEPROM a été utilisée dans les cas où une petite quantité de mémoire n'était pas critique. L'EPROM était encore utilisée pour stocker une grande quantité de données.

Mémoire flash

Mémoire flash combinant les meilleures fonctionnalités de l'EPROM et de l'EEPROM, développée en 1980 par le professeur japonais Fujio Masuoka (Fujio Masuoka), ingénieur chez Toshiba. Le premier développement a été appelé NOR à mémoire flash de type NOR et, comme ses prédécesseurs, est basé sur des MOSFET à grille flottante.

La mémoire flash de type NOR est un réseau bidimensionnel de transistors. Les grilles des transistors sont connectées à la ligne de mots et les drains à la ligne de bits. Lorsqu'une tension est appliquée à la ligne de mots, les transistors contenant des électrons, c'est-à-dire stockant «l'unité», ne s'ouvrent pas et le courant ne circule pas. Par la présence ou l'absence de courant sur la ligne de bits, une conclusion est faite sur la valeur du bit.

Sept ans plus tard, Fujio Masuoka a développé une mémoire flash de type NAND. Ce type de mémoire se distingue par le nombre de transistors sur la ligne de bit. Dans la mémoire NOR, chaque transistor est directement connecté à une ligne de bits, tandis que dans la mémoire NAND, les transistors sont connectés en série.

La lecture à partir de la mémoire d'une telle configuration est plus compliquée: la tension nécessaire à la lecture est fournie à la ligne nécessaire du mot, et la tension est appliquée à toutes les autres lignes du mot, ce qui ouvre le transistor quel que soit le niveau de charge qu'il contient. Etant donné que tous les autres transistors sont garantis ouverts, la présence de tension sur la ligne de bit dépend d'un seul transistor, auquel la tension de lecture est appliquée.

L'invention de la mémoire flash de type NAND permet de compacter de manière significative le circuit, en accueillant une plus grande quantité de mémoire à la même taille. Jusqu'en 2007, la quantité de mémoire a été augmentée en réduisant le processus de fabrication de la puce.

En 2007, Toshiba a présenté une nouvelle version de la mémoire NAND: Vertical NAND (V-NAND) , également connue sous le nom de 3D NAND. Cette technologie se concentre sur le placement des transistors en plusieurs couches, ce qui vous permet à nouveau de compacter le circuit et d'augmenter la quantité de mémoire. Cependant, le compactage des circuits ne peut pas être répété indéfiniment, donc d'autres méthodes ont été explorées pour augmenter la taille de la mémoire stockée.

Initialement, chaque transistor stockait deux niveaux de charge: un zéro logique et une unité logique. Cette approche est appelée Single-Level Cell (SLC) . Les lecteurs dotés de cette technologie sont extrêmement fiables et ont des cycles de réécriture maximaux.

Au fil du temps, il a été décidé d'augmenter le volume des disques au détriment de la durabilité. Ainsi, le nombre de niveaux de charge dans la cellule peut atteindre quatre, et la technologie a été appelée cellule à plusieurs niveaux (MLC) . Viennent ensuite les cellules à trois niveaux (TLC) et les cellules à quatre niveaux (QLC) . Dans le futur, un nouveau niveau apparaîtra - Penta-Level Cell (PLC) avec cinq bits dans une cellule. Plus il y a de bits dans une cellule, plus le volume du lecteur est élevé pour le même coût, mais moins de résistance à l'usure.

Le compactage du circuit en réduisant la technologie de traitement et en augmentant le nombre de bits dans un transistor affecte négativement les données stockées. Malgré le fait que les mêmes transistors sont utilisés en EPROM et EEPROM, EPROM et EEPROM sont capables de stocker des données sans alimentation pendant dix ans, tandis que la mémoire flash moderne peut "tout oublier" en un an.

L'utilisation de la mémoire flash dans l'industrie spatiale est difficile, car le rayonnement affecte négativement les électrons dans les portes flottantes.

Ces problèmes empêchent Flash de devenir le leader incontesté dans le domaine du stockage d'informations. Malgré le fait que les dispositifs de stockage basés sur flash soient répandus, des études sont en cours sur d'autres types de mémoire dépourvus de ces lacunes, y compris le stockage d'informations dans les moments magnétiques et les états de phase.

Mémoire magnétorésistive

Le codage de l'information par des moments magnétiques est apparu en 1955 sous forme de mémoire sur des noyaux magnétiques. Jusqu'au milieu des années 1970, la mémoire en ferrite était la principale forme de mémoire. La lecture un peu de ce type de mémoire a entraîné une démagnétisation de l'anneau et une perte d'informations. Ainsi, après avoir lu un peu, il a dû être réécrit.

Dans les développements modernes de la mémoire magnétorésistive, au lieu d'anneaux, deux couches d'un ferromagnétique sont utilisées, séparées par un diélectrique. Une couche est un aimant permanent et la seconde change la direction de l'aimantation. Lire un peu d'une telle cellule se réduit à mesurer la résistance lors du passage du courant: si les couches sont magnétisées dans des directions opposées, alors la résistance est plus grande et cela équivaut à la valeur «1».

La mémoire ferrite ne nécessite pas de source d'alimentation constante pour maintenir les informations enregistrées, cependant, le champ magnétique de la cellule peut affecter le «voisin», ce qui impose une restriction sur le compactage du circuit.

Selon JEDEC, les SSD basés sur une mémoire flash sans alimentation devraient stocker des informations pendant au moins trois mois à une température ambiante de 40 ° C. Une puce basée sur Intel basée sur une mémoire magnétorésistive promet de stocker les données pendant dix ans à une température de 200 ° C.

Malgré la complexité du développement, la mémoire magnétorésistive ne se dégrade pas lors de son utilisation et présente les meilleures performances parmi les autres types de mémoire, ce qui ne permet pas d'effacer ce type de mémoire.

Mémoire à changement de phase

La troisième forme de mémoire prometteuse est la mémoire à transition de phase. Ce type de mémoire utilise les propriétés des chalcogénures pour basculer entre les états cristallins et amorphes lorsqu'ils sont chauffés.

Les chalcogénures sont des composés binaires de métaux du 16e groupe (6e groupe du sous-groupe principal) du tableau périodique. Par exemple, les disques CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM et Blu-ray utilisent du tellurure de germanium (GeTe) et de l'antimoine (III) telluride (Sb ₂ Te ₃ ).

Des recherches sur l'utilisation de la transition de phase pour stocker des informations ont été effectuées dans les années 1960 par Stanford Ovshinsky, mais elles n'ont pas abouti à une réalisation commerciale. Dans les années 2000, l'intérêt pour la technologie est réapparu, Samsung a breveté une technologie permettant de commuter des bits en 5 ns, et Intel et STMicroelectronics ont augmenté le nombre d'états à quatre, doublant ainsi le volume possible.

Lorsqu'il est chauffé au-dessus du point de fusion, le chalcogénure perd sa structure cristalline et, en se refroidissant, se transforme en une forme amorphe, caractérisée par une résistance électrique élevée. À son tour, lorsqu'il est chauffé à une température supérieure au point de cristallisation, mais inférieure au point de fusion, le chalcogénure revient à l'état cristallin avec un faible niveau de résistance.

La mémoire avec un changement de transition de phase ne nécessite pas de «recharge» dans le temps et n'est pas non plus sensible aux radiations, contrairement à la mémoire avec des charges électriques. Ce type de mémoire peut stocker des informations pendant 300 ans à une température de 85 ° C.

On pense que le développement d'Intel, la technologie 3D Crosspoint (3D XPoint) utilise des transitions de phase pour stocker des informations. 3D XPoint est utilisé dans les lecteurs de mémoire Intel® Optane ™ pour lesquels une plus grande durabilité est revendiquée.

Conclusion

La structure physique des disques SSD a subi de nombreux changements en plus d'un demi-siècle d'histoire, cependant, chaque solution a ses propres inconvénients. Malgré la popularité indéniable de la mémoire flash, plusieurs sociétés, dont Samsung et Intel, travaillent sur la possibilité de créer de la mémoire sur les moments magnétiques.

La réduction de l'usure des cellules, leur compactage et l'augmentation de la capacité globale du lecteur sont les domaines qui sont actuellement prometteurs pour le développement ultérieur des lecteurs à semi-conducteurs.

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À votre avis, la technologie de stockage des informations sur les charges électriques sera-t-elle remplacée par d'autres, par exemple des disques de quartz ou une mémoire optique sur des nanocristaux de sel?

Introduction au SSD. Partie 4. Physique