👩🏿‍🚒 🆒 🈚️ Introdução ao SSD. Parte 4. Física 🔫 👦🏻 👉🏽

As partes anteriores da série Introdução ao SSD informaram ao leitor sobre o histórico da aparência das unidades SSD, suas interfaces de interação e fatores de forma populares. A quarta parte abordará o armazenamento de dados nas unidades.

Nos artigos anteriores da série:

O armazenamento de dados em unidades de estado sólido pode ser dividido em duas partes lógicas: armazenamento de informações em uma célula e organização do armazenamento de células.

Cada célula SSD armazena um ou mais bits de informação . Vários processos físicos são usados para armazenar informações . Ao desenvolver unidades de estado sólido, as seguintes quantidades físicas foram estudadas para codificar informações:

cargas elétricas (incluindo memória flash);
momentos magnéticos (memória magnetoresistiva);
estados de fase (memória com alteração de estado de fase).

Memória de carga elétrica

A codificação de informações usando uma carga negativa é subjacente a várias soluções:

ROM apagável (EPROM);
ROM eletricamente apagável (EEPROM);
Memória flash

Cada célula de memória é um transistor MOS de porta flutuante que armazena uma carga negativa. Sua diferença em relação a um transistor MOS convencional é a presença de uma porta flutuante - um condutor na camada dielétrica.

Ao criar uma diferença de potencial entre o dreno e a fonte e a presença de um potencial positivo no portão, uma corrente fluirá da fonte para o dreno. No entanto, se houver uma diferença de potencial suficientemente grande, alguns elétrons "rompem" a camada dielétrica e terminam em um portão flutuante. Esse fenômeno é chamado de efeito de túnel .

Um portão flutuante com carga negativa cria um campo elétrico que interfere no fluxo de corrente da fonte para o dreno. Além disso, a presença de elétrons na porta flutuante aumenta a tensão limiar na qual o transistor se abre. Em cada "gravação" no portão flutuante do transistor, a camada dielétrica é levemente danificada, o que impõe um limite no número de ciclos de reescrita de cada célula.

Os MOSFETs de porta flutuante foram desenvolvidos por Dawon Kahng e Simon Min Sze do Bell Labs em 1967. Posteriormente, ao estudar defeitos em circuitos integrados, notou-se que, devido à carga no portão flutuante, a tensão limiar que abriu o transistor mudou. Essa descoberta levou Dov Frohman a começar o trabalho de memória com base nesse fenômeno.

Alterar a tensão limite permite "programar" os transistores. Os transistores com carga em uma porta flutuante não abrirão quando uma tensão for aplicada à porta que seja maior que a tensão limite para um transistor sem elétrons, mas menor que a tensão limite para um transistor com elétrons. Este valor é chamado de tensão de leitura .

Memória somente leitura programável apagável

Em 1971, um funcionário da Intel, Dov Frohman, criou uma memória regravável de transistor chamada EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) . A gravação na memória foi realizada usando um dispositivo especial - um programador. O programador fornece ao chip uma voltagem mais alta do que a usada nos circuitos digitais, “gravando” elétrons nos portões flutuantes dos transistores, quando necessário.

A memória EPROM não deveria limpar eletricamente as portas flutuantes dos transistores. Em vez disso, sugeriu-se que os transistores fossem expostos a forte radiação ultravioleta, cujos fótons fornecem energia aos elétrons a energia necessária para deixar o portão flutuante. Para acessar o ultravioleta profundamente no chip, foi adicionado vidro de quartzo ao gabinete.

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

A memória EPROM é mais cara que os dispositivos de memória "somente leitura" (ROM) usados anteriormente, no entanto, a possibilidade de reprogramação permite depurar circuitos mais rapidamente e reduzir o tempo de desenvolvimento de novo hardware.

Reprogramar a ROM com luz ultravioleta foi um avanço significativo, no entanto, a idéia de reescrita elétrica já estava no ar.

Memória somente leitura programável apagável eletricamente

Em 1972, três japoneses: Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi e Kiyoko Nagai introduziram a primeira memória somente leitura programável apagável eletricamente, EEPROM ou E ² PROM. Mais tarde, suas pesquisas se tornarão parte de patentes para a implementação comercial da memória EEPROM.

Cada célula de memória EEPROM consiste em vários transistores:

transistor de porta flutuante para armazenar bits;
transistor para controlar o modo de leitura e gravação.

Esse projeto complica bastante a fiação do circuito elétrico; portanto, a memória EEPROM foi usada nos casos em que uma pequena quantidade de memória não era crítica. A EPROM ainda era usada para armazenar uma grande quantidade de dados.

Memória flash

Memória flash combinando os melhores recursos da EPROM e EEPROM, desenvolvida pelo professor japonês Fujio Masuoka (Fujio Masuoka), engenheiro da Toshiba, em 1980. O primeiro desenvolvimento foi chamado de memória flash tipo NOR e, como seus antecessores, é baseado em MOSFETs com um portão flutuante.

A memória flash do tipo NOR é uma matriz bidimensional de transistores. Os portões dos transistores são conectados à linha de palavras e os drenos à linha de bits. Quando a tensão é aplicada à linha de palavras, os transistores contendo elétrons, ou seja, armazenando a "unidade", não abrem e a corrente não flui. Pela presença ou ausência de corrente na linha de bits, é feita uma conclusão sobre o valor do bit.

Sete anos depois, a Fujio Masuoka desenvolveu a memória flash do tipo NAND. Esse tipo de memória é diferenciado pelo número de transistores na linha de bits. Na memória NOR, cada transistor é conectado diretamente a uma linha de bit, enquanto na memória NAND, os transistores são conectados em série.

Ler a partir da memória dessa configuração é mais complicado: a voltagem necessária para a leitura é fornecida à linha necessária da palavra e a voltagem é aplicada a todas as outras linhas da palavra, que abrem o transistor, independentemente do nível de carga nele. Como é garantido que todos os outros transistores estejam abertos, a presença de tensão na linha de bits depende de apenas um transistor, ao qual a tensão de leitura é aplicada.

A invenção da memória flash do tipo NAND permite compactar significativamente o circuito, acomodando uma quantidade maior de memória no mesmo tamanho. Até 2007, a quantidade de memória foi aumentada pela redução do processo de fabricação do chip.

Em 2007, a Toshiba lançou uma nova versão da memória NAND: Vertical NAND (V-NAND) , também conhecido como 3D NAND. Essa tecnologia se concentra no posicionamento de transistores em várias camadas, o que novamente permite compactar o circuito e aumentar a quantidade de memória. No entanto, a compactação do circuito não pode ser repetida indefinidamente; portanto, outros métodos foram explorados para aumentar o tamanho da memória armazenada.

Inicialmente, cada transistor armazenava dois níveis de carga: um zero lógico e uma unidade lógica. Essa abordagem é chamada célula de nível único (SLC) . As unidades com essa tecnologia são altamente confiáveis e têm ciclos máximos de reescrita.

Com o tempo, decidiu-se aumentar o volume de unidades com o custo de durabilidade. Portanto, o número de níveis de carga na célula é de até quatro, e a tecnologia foi chamada de célula multinível (MLC) . Em seguida vieram as células de nível triplo (TLC) e as células de nível quádruplo (QLC) . No futuro, um novo nível aparecerá - Penta-Level Cell (PLC) com cinco bits em uma célula. Quanto mais bits são colocados em uma célula, maior o volume da unidade pelo mesmo custo, mas menor resistência ao desgaste.

A compactação do circuito, reduzindo a tecnologia do processo e aumentando o número de bits em um transistor, afeta adversamente os dados armazenados. Apesar de os mesmos transistores serem usados na EPROM e na EEPROM, a EPROM e a EEPROM conseguem armazenar dados sem energia por dez anos, enquanto a memória Flash moderna pode "esquecer" tudo em um ano.

O uso de memória flash na indústria espacial é difícil, pois a radiação afeta adversamente os elétrons em portões flutuantes.

Esses problemas impedem que o Flash se torne o líder indiscutível no campo de armazenamento de informações. Apesar de os dispositivos de armazenamento baseados em flash serem difundidos, estão em andamento estudos de outros tipos de memória sem essas deficiências, incluindo o armazenamento de informações em momentos magnéticos e estados de fase.

Memória magnetoresistiva

A codificação da informação por momentos magnéticos apareceu em 1955 na forma de memória nos núcleos magnéticos. Até meados da década de 1970, a memória de ferrite era a principal forma de memória. Ler um pouco desse tipo de memória levou à desmagnetização do anel e à perda de informações. Assim, depois de ler um pouco, teve que ser escrito de volta.

Nos desenvolvimentos modernos da memória magnetoresistiva, em vez de anéis, duas camadas de um ferro-ímã são usadas, separadas por um dielétrico. Uma camada é um ímã permanente e a segunda altera a direção da magnetização. Ler um pouco dessa célula é reduzido para medir a resistência ao passar corrente: se as camadas são magnetizadas em direções opostas, a resistência é maior e isso é equivalente ao valor "1".

A memória de ferrite não requer uma fonte de energia constante para manter as informações registradas; no entanto, o campo magnético da célula pode afetar o “vizinho”, o que impõe uma restrição à vedação do circuito.

Segundo o JEDEC, os SSDs baseados na memória Flash sem energia devem armazenar informações por pelo menos três meses a uma temperatura ambiente de 40 ° C. Um chip Intel baseado em memória magnetoresistiva promete armazenar dados por dez anos a uma temperatura de 200 ° C.

Apesar da complexidade do desenvolvimento, a memória magnetoresistiva não se degrada durante o uso e apresenta o melhor desempenho entre outros tipos de memória, o que não permite anular esse tipo de memória.

Memória de mudança de fase

A terceira forma promissora de memória é a memória de transição de fase. Esse tipo de memória usa as propriedades dos calcogenetos para alternar entre os estados cristalino e amorfo quando aquecido.

Os calcogenetos são compostos binários de metais com o 16º grupo (6º grupo do subgrupo principal) da tabela periódica. Por exemplo, os discos CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM e Blu-ray usam telureto de germânio (GeTe) e telureto de antimônio (III) (Sb ₂ Te ₃ ).

A pesquisa sobre o uso da transição de fase para o armazenamento de informações foi realizada na década de 1960 por Stanford Ovshinsky, mas não chegou à realização comercial. Nos anos 2000, o interesse pela tecnologia reapareceu, a Samsung patenteou uma tecnologia que permitia trocar bits em 5 ns, e a Intel e a STMicroelectronics aumentaram o número de estados para quatro, dobrando o volume possível.

Quando aquecido acima do ponto de fusão, o calcogeneto perde sua estrutura cristalina e, resfriando, se transforma em uma forma amorfa, caracterizada por alta resistência elétrica. Por sua vez, quando aquecido a uma temperatura acima do ponto de cristalização, mas abaixo do ponto de fusão, o calcogeneto retorna ao estado cristalino com um baixo nível de resistência.

A memória com uma mudança na transição de fase não requer "recarga" ao longo do tempo e também não é suscetível à radiação, em contraste com a memória com cargas elétricas. Esse tipo de memória pode armazenar informações por 300 anos a uma temperatura de 85 ° C.

Acredita-se que o desenvolvimento da tecnologia Intel, 3D Crosspoint (3D XPoint) use transições de fase para armazenar informações. O 3D XPoint é usado em unidades de memória Intel® Optane ™ para as quais é reivindicada maior durabilidade.

Conclusão

A estrutura física dos SSDs passou por muitas mudanças em mais de meio século de história, no entanto, cada solução tem suas próprias desvantagens. Apesar da inegável popularidade da memória Flash, várias empresas, incluindo Samsung e Intel, estão trabalhando na possibilidade de criar memória em momentos magnéticos.

Reduzir o desgaste das células, sua compactação e aumentar a capacidade geral da unidade são as áreas que atualmente são promissoras para o desenvolvimento adicional de unidades de estado sólido.

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Na sua opinião, a tecnologia para armazenar informações sobre cargas elétricas será substituída por outros, por exemplo, discos de quartzo ou memória óptica em nanocristais de sal?

Introdução ao SSD. Parte 4. Física