🖕 🏇 🕶️ SSD का परिचय। भाग 4. शारीरिक 👨🏽‍💻 ❌ 🦍

SSD श्रृंखला के परिचय के पिछले हिस्सों ने पाठक को SSD ड्राइव की उपस्थिति के इतिहास, उनके इंटरैक्शन इंटरफेस और लोकप्रिय लोकप्रिय कारकों के बारे में बताया। चौथा भाग ड्राइव के अंदर डेटा स्टोर करने के बारे में बात करेगा।

श्रृंखला के पिछले लेखों में:

सॉलिड-स्टेट ड्राइव में डेटा का भंडारण दो तार्किक भागों में विभाजित किया जा सकता है: एक सेल में जानकारी का भंडारण और कोशिकाओं के भंडारण का संगठन।

प्रत्येक SSD सेल एक या अधिक बिट्स की जानकारी संग्रहीत करता है । जानकारी को संग्रहीत करने के लिए विभिन्न शारीरिक प्रक्रियाओं का उपयोग किया जाता है । ठोस-अवस्था ड्राइव विकसित करते समय, एन्कोडिंग जानकारी के लिए निम्न भौतिक मात्राओं का अध्ययन किया गया था:

इलेक्ट्रिक चार्ज (फ्लैश मेमोरी सहित);
चुंबकीय क्षण (मैग्नेटोरसिस्टिव मेमोरी);
चरण की स्थिति (चरण अवस्था परिवर्तन के साथ मेमोरी)।

इलेक्ट्रिक चार्ज मेमोरी

नकारात्मक चार्ज का उपयोग कर जानकारी को एन्कोड करना कई समाधानों को रेखांकित करता है:

इरेज़ेबल रॉम (EPROM);
विद्युत रूप से मिटा देने योग्य ROM (EEPROM);
फ्लैश मेमोरी

प्रत्येक मेमोरी सेल एक फ्लोटिंग गेट MOS ट्रांजिस्टर है जो एक नकारात्मक चार्ज को स्टोर करता है। एक पारंपरिक एमओएस ट्रांजिस्टर से इसका अंतर एक अस्थायी गेट की उपस्थिति है - ढांकता हुआ परत में एक कंडक्टर।

जब गेट पर नाली और स्रोत और एक सकारात्मक क्षमता की उपस्थिति के बीच एक संभावित अंतर पैदा होता है, तो स्रोत से नाली तक एक धारा प्रवाहित होगी। हालांकि, अगर पर्याप्त रूप से बड़ा संभावित अंतर है, तो कुछ इलेक्ट्रॉन ढांकता हुआ परत के माध्यम से "टूट जाते हैं" और एक अस्थायी गेट में समाप्त हो जाते हैं। इस घटना को सुरंग प्रभाव कहा जाता है ।

एक नकारात्मक चार्ज फ्लोटिंग गेट एक विद्युत क्षेत्र बनाता है जो स्रोत से नाली तक प्रवाह के साथ हस्तक्षेप करता है। इसके अलावा, फ्लोटिंग गेट में इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति थ्रेशोल्ड वोल्टेज को बढ़ाती है जिस पर ट्रांजिस्टर खुलता है। ट्रांजिस्टर के फ्लोटिंग गेट में प्रत्येक "रिकॉर्डिंग" पर, ढांकता हुआ परत थोड़ा क्षतिग्रस्त होता है, जो प्रत्येक सेल के पुनर्लेखन चक्र की संख्या पर एक सीमा लगाता है।

फ्लोटिंग-गेट MOSFETs का विकास 1967 में बेल लैब्स के डावोन कहेंग और साइमन मिन सेज़ द्वारा किया गया था। बाद में, जब एकीकृत सर्किट में दोषों का अध्ययन किया गया, तो यह देखा गया कि फ्लोटिंग गेट में चार्ज के कारण, ट्रांजिस्टर खोलने वाले थ्रेशोल्ड वोल्टेज बदल गए। इस खोज ने डो फ्राहमन को इस घटना के आधार पर स्मृति पर काम शुरू करने के लिए प्रेरित किया।

थ्रेसहोल्ड वोल्टेज को बदलने से आप ट्रांजिस्टर को "प्रोग्राम" कर सकते हैं। फ्लोटिंग गेट में एक चार्ज के साथ ट्रांजिस्टर तब नहीं खुलेगा जब एक वोल्टेज गेट पर लागू किया जाता है जो कि इलेक्ट्रॉनों के बिना एक ट्रांजिस्टर के लिए थ्रेशोल्ड वोल्टेज से अधिक है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों के साथ एक ट्रांजिस्टर के लिए थ्रेशोल्ड वोल्टेज से कम है। इस मान को रीड वोल्टेज कहा जाता है।

इरेजेबल प्रोग्रामेबल रीड-ओनली मेमोरी

1971 में, एक इंटेल कर्मचारी, डॉव फ्रॉमैन ने, ट्रांजिस्टर रीराइटेबल मेमोरी बनाई, जिसे एरासेबल प्रोग्रामेबल रीड-ओनली मेमोरी (EPROM) कहा जाता है । मेमोरी के लिए लेखन एक विशेष उपकरण का उपयोग करके किया गया था - एक प्रोग्रामर। प्रोग्रामर चिप की तुलना में एक उच्च वोल्टेज की आपूर्ति करता है, जिसका उपयोग डिजिटल सर्किट में किया जाता है, जिससे ट्रांजिस्टर के अस्थायी फाटकों पर इलेक्ट्रॉनों की "रिकॉर्डिंग" की जाती है, जहां आवश्यक है।

EPROM- मेमोरी को ट्रांजिस्टर के फ्लोटिंग गेट को विद्युत रूप से साफ़ नहीं करना चाहिए था। इसके बजाय, यह सुझाव दिया गया था कि ट्रांजिस्टर को मजबूत पराबैंगनी विकिरण के संपर्क में लाया जा सकता है, जिसके फोटॉन फ्लोटिंग गेट को छोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा देते हैं। चिप में गहरे पराबैंगनी तक पहुंचने के लिए, मामले में क्वार्ट्ज ग्लास को जोड़ा गया है।

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

EPROM मेमोरी पहले इस्तेमाल किए गए "वन-टाइम" रीड-ओनली मेमोरी डिवाइसेस (ROM) की तुलना में अधिक महंगी है, हालाँकि, रीप्रोग्रामिंग की संभावना आपको सर्किट को तेजी से डीबग करने और नए हार्डवेयर के विकास के समय को कम करने की अनुमति देती है।

अल्ट्रावॉयलेट लाइट के साथ रॉम को फिर से सक्रिय करना एक महत्वपूर्ण सफलता थी, हालांकि, इलेक्ट्रिक पुनर्लेखन का विचार पहले से ही हवा में था।

विद्युत व्यामार्जनीय क्रमादेश केवल पढने की यादास्त

1972 में, तीन जापानी लोग: यासुओ तरुई, युताका हयाशी, और कियोको नगाई ने पहली विद्युत-योग्य प्रोग्रामेबल रीड-ओनली मेमोरी, EEPROM, या E ² PROM की शुरुआत की । बाद में, उनका शोध EEPROM स्मृति के व्यावसायिक कार्यान्वयन के लिए पेटेंट का हिस्सा बन जाएगा।

प्रत्येक EEPROM मेमोरी सेल में कई ट्रांजिस्टर होते हैं:

बिट्स के भंडारण के लिए फ्लोटिंग गेट ट्रांजिस्टर;
रीड-राइट मोड को नियंत्रित करने के लिए ट्रांजिस्टर।

यह डिज़ाइन विद्युत सर्किट के तारों को बहुत जटिल करता है, इसलिए EEPROM मेमोरी का उपयोग उन मामलों में किया जाता था जहां स्मृति की एक छोटी मात्रा महत्वपूर्ण नहीं थी। EPROM का उपयोग अभी भी बड़ी मात्रा में डेटा को स्टोर करने के लिए किया जाता था।

फ्लैश मेमोरी

1980 में तोशिबा के एक इंजीनियर जापानी प्रोफेसर फुजियो मसूका (फुजियो मसूका) द्वारा विकसित ईपीआरओएम और ईईप्रॉम की सर्वश्रेष्ठ विशेषताओं को मिलाकर फ्लैश मेमोरी। पहले विकास को फ्लैश-मेमोरी प्रकार NOR कहा जाता था और, अपने पूर्ववर्तियों की तरह, एक अस्थायी गेट के साथ MOSFETs पर आधारित है।

NOR प्रकार फ्लैश मेमोरी ट्रांजिस्टर का एक दो आयामी सरणी है। ट्रांजिस्टर के द्वार शब्द लाइन, और नालियों से बिट लाइन से जुड़े होते हैं। जब वोल्टेज को शब्दों की लाइन पर लागू किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉनों वाले ट्रांजिस्टर, जो "यूनिट" को स्टोर करते हैं, खुले नहीं होंगे और करंट प्रवाहित नहीं होगा। बिट लाइन पर करंट की मौजूदगी या अनुपस्थिति से, बिट के मूल्य के बारे में निष्कर्ष निकाला जाता है।

सात साल बाद, फुजियो मासूका ने नंद टाइप फ्लैश मेमोरी विकसित की। इस प्रकार की मेमोरी बिट लाइन पर ट्रांजिस्टर की संख्या से भिन्न होती है। NOR मेमोरी में, प्रत्येक ट्रांजिस्टर सीधे एक बिट लाइन से जुड़ा होता है, जबकि NAND मेमोरी में, ट्रांजिस्टर श्रृंखला में जुड़े होते हैं।

इस तरह के कॉन्फ़िगरेशन की मेमोरी से पढ़ना अधिक जटिल है: पढ़ने के लिए आवश्यक वोल्टेज को शब्द की आवश्यक लाइन को आपूर्ति की जाती है, और वोल्टेज को शब्द के अन्य सभी लाइनों पर लागू किया जाता है, जो ट्रांजिस्टर को खोलता है, इसमें चार्ज के स्तर की परवाह किए बिना। चूंकि अन्य सभी ट्रांजिस्टर खुले होने की गारंटी है, इसलिए बिट लाइन पर वोल्टेज की उपस्थिति केवल एक ट्रांजिस्टर पर निर्भर करती है, जिसमें रीड वोल्टेज लगाया जाता है।

नंद-प्रकार की फ्लैश मेमोरी का आविष्कार सर्किट को महत्वपूर्ण रूप से कॉम्पैक्ट करने की अनुमति देता है, जिसमें एक ही आकार में बड़ी मात्रा में मेमोरी होती है। 2007 तक, चिप की निर्माण प्रक्रिया को कम करके मेमोरी की मात्रा बढ़ाई गई थी।

2007 में, तोशिबा ने NAND मेमोरी: वर्टिकल नंद (V-NAND) का एक नया संस्करण पेश किया , जिसे 3D NAND के रूप में भी जाना जाता है। यह तकनीक कई परतों में ट्रांजिस्टर के प्लेसमेंट पर केंद्रित है, जो आपको फिर से सर्किट को कॉम्पैक्ट करने और मेमोरी की मात्रा बढ़ाने की अनुमति देती है। हालांकि, सर्किट संघनन को अनिश्चित काल तक दोहराया नहीं जा सकता है, इसलिए संग्रहीत मेमोरी आकार को बढ़ाने के लिए अन्य तरीकों का पता लगाया गया है।

प्रारंभ में, प्रत्येक ट्रांजिस्टर ने दो चार्ज स्तर संग्रहीत किए: एक तार्किक शून्य और एक तार्किक इकाई। इस दृष्टिकोण को सिंगल-लेवल सेल (SLC) कहा जाता है । इस तकनीक के साथ ड्राइव अत्यधिक विश्वसनीय हैं और अधिकतम पुनर्लेखन चक्र हैं।

समय के साथ, स्थायित्व की कीमत पर ड्राइव की मात्रा बढ़ाने का निर्णय लिया गया। इसलिए सेल में आवेश स्तर की संख्या चार तक है, और प्रौद्योगिकी को मल्टी-लेवल सेल (MLC) कहा जाता था । इसके बाद ट्रिपल-लेवल सेल (TLC) और क्वाड-लेवल सेल (QLC) आए । भविष्य में, एक नया स्तर दिखाई देगा - पेंटा-स्तर सेल (पीएलसी) एक सेल में पांच बिट्स के साथ। जितना अधिक बिट्स को एक सेल में रखा जाता है, उतनी ही लागत पर ड्राइव की मात्रा अधिक होती है, लेकिन कम प्रतिरोध होता है।

प्रक्रिया प्रौद्योगिकी को कम करके और एक ट्रांजिस्टर में बिट्स की संख्या बढ़ाकर सर्किट का संघनन संग्रहीत डेटा को प्रतिकूल रूप से प्रभावित करता है। इस तथ्य के बावजूद कि एक ही ट्रांजिस्टर का उपयोग EPROM और EEPROM में किया जाता है, EPROM और EEPROM दस वर्षों तक बिना बिजली के डेटा स्टोर करने में सक्षम हैं, जबकि आधुनिक फ्लैश-मेमोरी एक वर्ष में सब कुछ "भूल" सकती है।

अंतरिक्ष उद्योग में फ्लैश मेमोरी का उपयोग मुश्किल है, क्योंकि फ्लोटिंग फाटकों में विकिरण इलेक्ट्रॉनों पर प्रतिकूल प्रभाव डालता है।

ये समस्याएं फ्लैश को सूचना भंडारण के क्षेत्र में निर्विवाद नेता बनने से रोकती हैं। इस तथ्य के बावजूद कि फ्लैश-आधारित स्टोरेज डिवाइस व्यापक हैं, इन कमियों से रहित अन्य प्रकार की मेमोरी से अध्ययन चल रहा है, जिसमें चुंबकीय क्षणों और चरण अवस्थाओं में जानकारी संग्रहीत करना शामिल है।

मैग्नेटोरेसिस्टिव मेमोरी

चुंबकीय क्षणों द्वारा सूचना का कोडिंग 1955 में चुंबकीय कोर पर स्मृति के रूप में दिखाई दिया। 1970 के दशक के मध्य तक, फेराइट मेमोरी स्मृति का मुख्य रूप था। इस प्रकार की स्मृति से थोड़ा पढ़ने से रिंग का विमुद्रीकरण और जानकारी का नुकसान हुआ। इस प्रकार, थोड़ा पढ़ने के बाद, इसे वापस लिखना पड़ा।

मैग्नेटोरेसिस्टिव मेमोरी के आधुनिक विकास में, रिंगों के बजाय, फेरोमैग्नेट की दो परतों का उपयोग किया जाता है, एक ढांकता हुआ द्वारा अलग किया जाता है। एक परत एक स्थायी चुंबक है, और दूसरा चुंबककरण की दिशा को बदल देता है। ऐसी सेल से थोड़ा सा पढ़ना करंट पास करते समय प्रतिरोध को मापने के लिए कम किया जाता है: यदि परतें विपरीत दिशाओं में चुम्बकीय होती हैं, तो प्रतिरोध अधिक होता है और यह मान "1" के बराबर होता है।

फेराइट मेमोरी को रिकॉर्ड की गई जानकारी को बनाए रखने के लिए एक निरंतर शक्ति स्रोत की आवश्यकता नहीं होती है, हालांकि, सेल का चुंबकीय क्षेत्र "पड़ोसी" को प्रभावित कर सकता है, जो सर्किट सील पर प्रतिबंध लगाता है।

जेईडीईसी के अनुसार , बिना बिजली के फ्लैश-मेमोरी पर आधारित एसएसडी को 40 डिग्री सेल्सियस के परिवेश के तापमान पर कम से कम तीन महीने तक जानकारी संग्रहीत करनी चाहिए। मैग्नेटोरोसिस्टिव मेमोरी पर आधारित एक इंटेल-आधारित चिप 200 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर दस साल के लिए डेटा स्टोर करने का वादा करता है।

विकास की जटिलता के बावजूद, मैग्नेटोरेसिस्टिव मेमोरी उपयोग के दौरान नीचा नहीं होती है और अन्य प्रकार की मेमोरी के बीच सबसे अच्छा प्रदर्शन होता है, जो इस प्रकार की मेमोरी को लिखने की अनुमति नहीं देता है।

चरण बदलें मेमोरी

स्मृति का तीसरा होनहार रूप चरण संक्रमण स्मृति है। इस प्रकार की मेमोरी गर्म होने पर क्रिस्टलीय और अनाकार राज्यों के बीच स्विच करने के लिए चॉकोजेन के गुणों का उपयोग करती है।

चाल्कोजेनाइड्स आवर्त सारणी के 16 वें समूह (मुख्य उपसमूह के 6 वें समूह) के साथ धातुओं के द्विआधारी यौगिक हैं। उदाहरण के लिए, सीडी-आरडब्ल्यू, डीवीडी-आरडब्ल्यू, डीवीडी-रैम और ब्लू-रे डिस्क जर्मेनियम टेल्यूराइड (जीईटीई) और एंटीमनी (III) टेल्यूराइड (एसबी ₂ टी ₃ ) का उपयोग करते हैं।

स्टॉरफोर्ड सूचना के लिए चरण संक्रमण के उपयोग पर अनुसंधान स्टैनफोर्ड ओवशिंस्की द्वारा 1960 के दशक में किया गया था , लेकिन तब यह वाणिज्यिक प्राप्ति के लिए नहीं आया था। 2000 के दशक में, प्रौद्योगिकी में रुचि फिर से प्रकट हुई, सैमसंग ने एक ऐसी तकनीक का पेटेंट कराया जिसमें 5 ns में स्विचिंग बिट्स की अनुमति दी गई, और Intel और STMicroelectronics ने राज्यों की संख्या चार कर दी, जिससे संभावित मात्रा दोगुनी हो गई।

जब पिघलने बिंदु के ऊपर गरम किया जाता है, तो चाकोजेनाइड अपनी क्रिस्टलीय संरचना खो देता है और ठंडा करता है, उच्च शक्ति प्रतिरोध की विशेषता वाले अनाकार रूप में बदल जाता है। बदले में, जब क्रिस्टलीकरण बिंदु से ऊपर के तापमान पर गर्म किया जाता है, लेकिन पिघलने बिंदु के नीचे, क्लोजेनाइड एक कम प्रतिरोध स्तर के साथ क्रिस्टलीय स्थिति में लौटता है।

चरण संक्रमण में परिवर्तन के साथ मेमोरी को समय के साथ "रिचार्जिंग" की आवश्यकता नहीं होती है, और यह विद्युत चार्ज के साथ मेमोरी के विपरीत, विकिरण के लिए भी अतिसंवेदनशील नहीं है। इस प्रकार की मेमोरी 300 वर्षों के लिए 85 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर जानकारी संग्रहीत कर सकती है।

यह माना जाता है कि इंटेल, 3 डी क्रॉसपॉइंट तकनीक (3 डी XPoint) का विकास सूचना संग्रह करने के लिए चरण संक्रमण का उपयोग करता है। 3D XPoint का उपयोग Intel® Optane ™ मेमोरी ड्राइव में किया जाता है जिसके लिए अधिक स्थायित्व का दावा किया जाता है।

निष्कर्ष

SSDs की भौतिक संरचना ने इतिहास की आधी सदी से अधिक समय में कई बदलाव किए हैं, हालांकि, प्रत्येक समाधान की अपनी कमियां हैं। फ्लैश-मेमोरी की निर्विवाद लोकप्रियता के बावजूद, सैमसंग और इंटेल सहित कई कंपनियां चुंबकीय क्षणों पर स्मृति बनाने की संभावना पर काम कर रही हैं।

कोशिकाओं के पहनने को कम करने, उनके संघनन और ड्राइव की समग्र क्षमता में वृद्धि ऐसे क्षेत्र हैं जो वर्तमान में ठोस राज्य ड्राइव के आगे के विकास के लिए वादा कर रहे हैं।

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आपकी राय में, क्या इलेक्ट्रिक चार्ज पर सूचनाओं को संग्रहीत करने की तकनीक को अन्य द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा, उदाहरण के लिए, नमक नैनोक्रिस्टल्स पर क्वार्ट्ज डिस्क या ऑप्टिकल मेमोरी?

SSD का परिचय। भाग 4. शारीरिक