🗃️ 🌪️ 🧑🏻‍🤝‍🧑🏻 Pengantar SSD. Bagian 4. Fisik ✋ 👩🏽‍🔧 🥗

Bagian sebelumnya dari seri Pengantar SSD memberi tahu pembaca tentang sejarah penampilan drive SSD, antarmuka interaksinya, dan faktor bentuk populer. Bagian keempat akan berbicara tentang menyimpan data di dalam drive.

Dalam artikel sebelumnya dalam seri:

Penyimpanan data dalam solid-state drive dapat dibagi menjadi dua bagian logis: penyimpanan informasi dalam satu sel dan organisasi penyimpanan sel.

Setiap sel SSD menyimpan satu atau lebih bit informasi . Berbagai proses fisik digunakan untuk menyimpan informasi . Saat mengembangkan solid-state drive, jumlah fisik berikut dipelajari untuk mengkodekan informasi:

muatan listrik (termasuk memori flash);
momen magnetik (memori magnetoresistif);
status fase (memori dengan perubahan status fase).

Memori muatan listrik

Pengkodean informasi menggunakan muatan negatif mendasari beberapa solusi:

ROM yang bisa dihapus (EPROM);
ROM Dihapus Secara Elektrik (EEPROM);
Memori flash

Setiap sel memori adalah transistor MOS gerbang mengambang yang menyimpan muatan negatif. Perbedaannya dari transistor MOS konvensional adalah adanya gerbang mengambang - konduktor di lapisan dielektrik.

Saat membuat perbedaan potensial antara saluran dan sumber dan kehadiran potensi positif di pintu gerbang, arus akan mengalir dari sumber ke saluran. Namun, jika ada perbedaan potensial yang cukup besar, beberapa elektron “menerobos” lapisan dielektrik dan berakhir di gerbang mengambang. Fenomena ini disebut efek terowongan .

Gerbang terapung bermuatan negatif menciptakan medan listrik yang mengganggu aliran arus dari sumber ke saluran. Selain itu, keberadaan elektron di gerbang mengambang meningkatkan tegangan ambang batas di mana transistor terbuka. Pada setiap "perekaman" di gerbang mengambang transistor, lapisan dielektrik sedikit rusak, yang memaksakan batas pada jumlah siklus penulisan ulang setiap sel.

Floating-gate MOSFET dikembangkan oleh Dawon Kahng dan Simon Min Sze dari Bell Labs pada tahun 1967. Kemudian, ketika mempelajari cacat pada sirkuit terintegrasi, diketahui bahwa karena muatan di gerbang mengambang, tegangan ambang yang membuka transistor berubah. Penemuan ini mendorong Dov Frohman untuk mulai bekerja berdasarkan ingatan berdasarkan fenomena ini.

Mengubah tegangan ambang batas memungkinkan Anda untuk "memprogram" transistor. Transistor dengan muatan di gerbang mengambang tidak akan terbuka ketika tegangan diterapkan ke gerbang yang lebih besar dari tegangan ambang untuk transistor tanpa elektron, tetapi kurang dari tegangan ambang untuk transistor dengan elektron. Nilai ini disebut tegangan baca .

Memori Hanya Baca yang Dapat Diprogram yang Dapat Dihapus

Pada tahun 1971, seorang karyawan Intel, Dov Frohman, menciptakan memori yang dapat ditulis ulang transistor yang disebut Memori Programmable Read-Only (EPROM) yang dapat dihapus . Menulis ke memori dilakukan menggunakan perangkat khusus - seorang programmer. Programmer memasok tegangan yang lebih tinggi ke chip daripada yang digunakan dalam sirkuit digital, sehingga "merekam" elektron ke gerbang mengambang transistor, jika perlu.

EPROM-memory tidak seharusnya membersihkan gerbang mengambang dari transistor. Sebagai gantinya, disarankan agar transistor terkena radiasi ultraviolet yang kuat, yang fotonnya memberikan energi kepada elektron energi yang diperlukan untuk meninggalkan gerbang mengambang. Untuk mengakses ultraviolet jauh ke dalam chip, kaca kuarsa telah ditambahkan ke kasing.

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

Memori EPROM lebih mahal daripada perangkat memori read-only (ROM) "satu kali" yang digunakan sebelumnya, namun, kemungkinan pemrograman ulang memungkinkan Anda untuk debug sirkuit lebih cepat dan mengurangi waktu pengembangan perangkat keras baru.

Pemrograman ulang ROM dengan sinar ultraviolet adalah terobosan yang signifikan, namun, gagasan penulisan ulang listrik sudah ada di udara.

Memori Read-Only Programmable yang Dapat Dihapus Secara Listrik

Pada tahun 1972, tiga orang Jepang: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi, dan Kiyoko Nagai memperkenalkan Memori Read-Only Hanya Dapat Diprogram yang Dapat Dihapus Secara Elektrik, EEPROM atau E ² PROM. Nantinya, penelitian mereka akan menjadi bagian dari paten untuk implementasi komersial dari memori EEPROM.

Setiap sel memori EEPROM terdiri dari beberapa transistor:

floating gate transistor untuk menyimpan bit;
transistor untuk mengendalikan mode baca-tulis.

Desain ini sangat menyulitkan pengkabelan sirkuit listrik, sehingga memori EEPROM digunakan dalam kasus-kasus di mana sejumlah kecil memori tidak kritis. EPROM masih digunakan untuk menyimpan sejumlah besar data.

Memori flash

Memori flash menggabungkan fitur terbaik EPROM dan EEPROM, yang dikembangkan oleh profesor Jepang Fujio Masuoka (Fujio Masuoka), seorang insinyur di Toshiba, pada tahun 1980. Pengembangan pertama disebut Flash-memory type NOR dan, seperti pendahulunya, didasarkan pada MOSFET dengan gerbang mengambang.

Memori flash tipe NOR adalah array transistor dua dimensi. Gerbang transistor terhubung ke baris kata, dan saluran ke baris bit. Ketika tegangan diterapkan pada baris kata, transistor yang mengandung elektron, yaitu, menyimpan "unit", tidak akan terbuka dan arus tidak akan mengalir. Dengan ada atau tidaknya arus pada bit line, sebuah kesimpulan dibuat tentang nilai bit.

Tujuh tahun kemudian, Fujio Masuoka mengembangkan memori flash tipe NAND. Jenis memori ini dibedakan dengan jumlah transistor pada garis bit. Dalam memori NOR, masing-masing transistor terhubung langsung ke garis bit, sementara di memori NAND, transistor dihubungkan secara seri.

Membaca dari memori konfigurasi seperti itu lebih rumit: tegangan yang diperlukan untuk membaca disuplai ke baris kata yang diperlukan, dan tegangan diterapkan ke semua baris kata lainnya, yang membuka transistor, terlepas dari tingkat muatan di dalamnya. Karena semua transistor lain dijamin terbuka, keberadaan tegangan pada garis bit hanya bergantung pada satu transistor, yang digunakan tegangan baca.

Penemuan memori flash tipe NAND memungkinkan untuk memadat sirkuit secara signifikan, mengakomodasi jumlah memori yang lebih besar pada ukuran yang sama. Hingga 2007, jumlah memori meningkat dengan mengurangi proses pembuatan chip.

Pada tahun 2007, Toshiba memperkenalkan versi baru memori NAND: Vertical NAND (V-NAND) , juga dikenal sebagai 3D NAND. Teknologi ini berfokus pada penempatan transistor dalam beberapa lapisan, yang lagi-lagi memungkinkan Anda untuk memadatkan sirkuit dan menambah jumlah memori. Namun, pemadatan sirkuit tidak dapat diulang tanpa batas waktu, sehingga metode lain telah dieksplorasi untuk meningkatkan ukuran memori yang disimpan.

Awalnya, setiap transistor menyimpan dua level muatan: nol logis dan satuan logis. Pendekatan ini disebut Single-Level Cell (SLC) . Drive dengan teknologi ini sangat andal dan memiliki siklus penulisan ulang maksimum.

Seiring waktu, diputuskan untuk meningkatkan volume drive dengan biaya daya tahan. Jadi jumlah level muatan dalam sel hingga empat, dan teknologinya disebut Multi-Level Cell (MLC) . Berikutnya adalah Triple-Level Cell (TLC) dan Quad-Level Cell (QLC) . Di masa depan, level baru akan muncul - Penta-Level Cell (PLC) dengan lima bit dalam satu sel. Semakin banyak bit ditempatkan dalam satu sel, semakin besar volume drive dengan biaya yang sama, tetapi ketahanan aus yang lebih sedikit.

Pemadatan sirkuit dengan mengurangi teknologi proses dan meningkatkan jumlah bit dalam satu transistor berdampak buruk pada data yang disimpan. Terlepas dari kenyataan bahwa transistor yang sama digunakan dalam EPROM dan EEPROM, EPROM dan EEPROM mampu menyimpan data tanpa daya selama sepuluh tahun, sementara memori Flash modern dapat "melupakan" segalanya dalam setahun.

Penggunaan memori flash dalam industri luar angkasa sulit, karena radiasi berdampak buruk pada elektron di gerbang mengambang.

Masalah-masalah ini mencegah Flash dari menjadi pemimpin yang tidak perlu di bidang penyimpanan informasi. Terlepas dari kenyataan bahwa perangkat penyimpanan berbasis flash tersebar luas, penelitian sedang dilakukan untuk jenis memori lain yang tidak memiliki kekurangan ini, termasuk menyimpan informasi dalam momen magnetik dan keadaan fase.

Memori magnetoresistif

Pengodean informasi oleh momen magnetik muncul pada tahun 1955 dalam bentuk memori pada inti magnetik. Hingga pertengahan 1970-an, memori ferit adalah bentuk utama dari memori. Membaca sedikit dari jenis memori ini menyebabkan demagnetisasi cincin dan hilangnya informasi. Jadi, setelah membaca sedikit, harus ditulis kembali.

Dalam perkembangan modern dari memori magnetoresistif, bukannya cincin, dua lapisan feromagnet digunakan, dipisahkan oleh dielektrik. Satu lapisan adalah magnet permanen, dan yang kedua mengubah arah magnetisasi. Membaca sedikit dari sel semacam itu direduksi menjadi pengukuran hambatan ketika melewati arus: jika lapisan-lapisan tersebut bermagnet dengan arah yang berlawanan, maka hambatannya lebih besar dan ini setara dengan nilai “1”.

Memori ferit tidak memerlukan sumber daya yang konstan untuk mempertahankan informasi yang direkam, namun medan magnet sel dapat mempengaruhi "tetangga", yang memaksakan pembatasan pada segel rangkaian.

Menurut JEDEC, SSD yang berbasis pada memori Flash tanpa daya harus menyimpan informasi setidaknya selama tiga bulan pada suhu sekitar 40 ° C. Chip berbasis Intel yang didasarkan pada memori magnetoresistif berjanji untuk menyimpan data selama sepuluh tahun pada suhu 200 ° C.

Meskipun kompleksitas pengembangan, memori magnetoresistif tidak menurun selama penggunaan dan memiliki kinerja terbaik di antara jenis memori lainnya, yang tidak memungkinkan untuk menghapus jenis memori ini.

Fase Ubah Memori

Bentuk memori ketiga yang menjanjikan adalah memori transisi fase. Jenis memori ini menggunakan sifat-sifat chalcogenides untuk beralih antara keadaan kristal dan amorf ketika dipanaskan.

Chalcogenides adalah senyawa biner dari logam dengan kelompok ke-16 (kelompok ke-6 dari subkelompok utama) dari tabel periodik. Misalnya, CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM, dan cakram Blu-ray menggunakan germanium telluride (GeTe) dan antimony (III) telluride (Sb ₂ Te ₃ ).

Penelitian tentang penggunaan transisi fase untuk menyimpan informasi dilakukan pada tahun 1960 oleh Stanford Ovshinsky, tetapi kemudian tidak sampai pada realisasi komersial. Pada 2000-an, minat pada teknologi muncul kembali, Samsung mematenkan teknologi yang memungkinkan pengalihan bit dalam 5 ns, dan Intel dan STMicroelectronics meningkatkan jumlah negara menjadi empat, sehingga menggandakan kemungkinan volume.

Ketika dipanaskan di atas titik leleh, chalcogenide kehilangan struktur kristalnya dan, pendinginan, berubah menjadi bentuk amorf, ditandai dengan hambatan listrik yang tinggi. Pada gilirannya, ketika dipanaskan ke suhu di atas titik kristalisasi, tetapi di bawah titik leleh, chalcogenide kembali ke keadaan kristal dengan tingkat resistansi rendah.

Memori dengan perubahan dalam fase transisi tidak memerlukan "pengisian" dari waktu ke waktu, dan juga tidak rentan terhadap radiasi, berbeda dengan memori dengan muatan listrik. Jenis memori ini dapat menyimpan informasi selama 300 tahun pada suhu 85 ° C.

Diyakini bahwa perkembangan Intel, teknologi 3D Crosspoint (3D XPoint) menggunakan transisi fase untuk menyimpan informasi. 3D XPoint digunakan dalam drive Memori Intel® Optane ™ yang diklaim memiliki daya tahan lebih tinggi.

Kesimpulan

Struktur fisik SSD telah mengalami banyak perubahan dalam lebih dari setengah abad sejarah, namun masing-masing solusi memiliki kekurangannya sendiri. Terlepas dari popularitas Flash-memory yang tidak dapat dipungkiri, beberapa perusahaan, termasuk Samsung dan Intel, bekerja pada kemungkinan untuk menciptakan memori pada momen-momen magnetik.

Mengurangi keausan sel, pemadatannya, dan meningkatkan kapasitas drive secara keseluruhan adalah area yang saat ini menjanjikan untuk pengembangan drive solid state lebih lanjut.

Anda dapat menguji drive NAND dan 3D XPoint paling keren hari ini di Selectel LAB kami .

Menurut Anda, akankah teknologi menyimpan informasi tentang muatan listrik diganti dengan yang lain, misalnya, cakram kuarsa atau memori optik pada garam nano kristal?

Pengantar SSD. Bagian 4. Fisik