👩🏾‍🏭 👩🏻‍🚀 🍵 SSD简介。第4部分。物理 🙅🏼 👆 👂

“ SSD简介”系列的先前部分向读者介绍了SSD驱动器的外观，它们的交互接口以及流行的外形尺寸的历史。第四部分将讨论在驱动器内部存储数据。

在该系列的先前文章中：

固态驱动器中的数据存储可以分为两个逻辑部分：一个单元中的信息存储和单元存储的组织。

每个SSD单元存储一个或多个信息位。各种物理过程用于存储信息。在开发固态驱动器时，研究了以下物理量来编码信息：

电荷（包括闪存）；
磁矩（磁阻记忆）；
相状态（具有相状态变化的内存）。

电荷记忆

使用负电荷对信息进行编码是以下几种解决方案的基础：

可擦写ROM（EPROM）;
电可擦除ROM（EEPROM）;
快闪记忆体

每个存储单元是一个存储负电荷的浮栅MOS晶体管。它与传统MOS晶体管的区别在于浮栅的存在-介电层中的导体。

当在漏极和源极之间形成电势差并且在栅极处存在正电势时，电流将从源极流向漏极。但是，如果存在足够大的电势差，则某些电子会“穿透”介电层并最终到达浮栅中。这种现象称为隧道效应。

带负电的浮栅产生一个电场，该电场干扰电流从源极流向漏极。此外，浮栅中电子的存在增加了晶体管打开的阈值电压。在晶体管的浮动栅极中的每个“记录”处，电介质层都被轻微损坏，这对每个单元的重写周期数施加了限制。

浮栅MOSFET由Bell Labs的Dawon Kahng和Simon Min Sze于1967年开发。后来，当研究集成电路中的缺陷时，注意到由于浮置栅极中的电荷，打开晶体管的阈值电压发生了变化。这一发现促使Dov Frohman基于此现象开始进行内存工作。

更改阈值电压使您可以“编程”晶体管。当施加到栅极的电压大于无电子晶体管的阈值电压，但小于有电子晶体管的阈值电压时，浮置栅极中带电荷的晶体管将不会打开。该值称为读取电压。

可擦可编程只读存储器

1971年，英特尔的一名员工Dov Frohman创建了称为可擦可编程只读存储器（EPROM）的晶体管可擦写存储器。写入内存是使用特殊设备（程序员）进行的。与数字电路中使用的电压相比，编程器向芯片提供的电压更高，从而在必要时将电子“记录”到晶体管的浮栅。

EPROM内存不应该以电子方式清洁晶体管的浮栅。取而代之的是，建议将晶体管暴露在强紫外线辐射下，其光子为电子提供能量，使电子离开浮栅。为了使紫外线更深地进入芯片，外壳中增加了石英玻璃。

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

EPROM存储器比以前使用的“一次性”只读存储器设备（ROM）昂贵，但是，重新编程的可能性使您可以更快地调试电路并减少新硬件的开发时间。

用紫外线对ROM进行重新编程是一项重大突破，但是，电气重写的想法已经浮出水面。

电可擦可编程只读存储器

1972年，三个日本人：Tarui Yasuo Tarui，Yutaka Hayashi和Naii Kiyoko推出了第一个电可擦可编程只读存储器，EEPROM或E ² PROM。后来，他们的研究将成为EEPROM存储器商业实现的专利的一部分。

每个EEPROM存储单元由几个晶体管组成：

浮栅晶体管用于存储位；
用于控制读写模式的晶体管。

这种设计极大地增加了电路的布线复杂性，因此在存储器数量不是很关键的情况下，可以使用EEPROM存储器。EPROM仍用于存储大量数据。

快闪记忆体

结合了EPROM和EEPROM最佳功能的闪存，由日本教授藤冈昌夫（Fujio Masuoka）于1980年由东芝的工程师开发。第一个开发称为闪存NOR，与之前的产品一样，它基于具有浮栅的MOSFET。

NOR型闪存是晶体管的二维阵列。晶体管的栅极连接到字线，漏极连接到位线。当向字线施加电压时，包含电子（即存储“单位”）的晶体管将不会打开，并且电流将不会流动。通过在位线上存在或不存在电流，可以得出关于位的值的结论。

七年后，藤冈增冈开发了NAND型闪存。这类存储器的特征在于位线上的晶体管数量。在NOR存储器中，每个晶体管直接连接到位线，而在NAND存储器中，晶体管串联连接。

从这种配置的存储器中读取更为复杂：读取所需的电压被提供给字的必要行，并且电压被施加至字的所有其他行，这将打开晶体管，而不管晶体管中的电荷水平如何。由于保证所有其他晶体管都断开，因此位线上电压的存在仅取决于向其施加读取电压的一个晶体管。

NAND型闪存的发明允许显着地压缩电路，以相同的尺寸容纳大量的存储器。直到2007年，通过减少芯片的制造工艺来增加了内存量。

2007年，东芝推出了新版本的NAND存储器：垂直NAND（V-NAND），也称为3D NAND。。该技术着重于将晶体管放置在多层中，这又使您可以缩小电路并增加存储量。然而，电路压缩不能无限地重复，因此已经探索了其他方法来增加存储的存储器大小。

最初，每个晶体管存储两个电荷电平：逻辑零和逻辑单元。这种方法称为单层单元（SLC）。采用该技术的驱动器具有高度的可靠性，并具有最长的重写周期。

随着时间的流逝，决定以耐用性为代价增加驱动器的数量。因此，该单元中的电荷级别数最多为4，因此该技术称为多级单元（MLC）。接下来是三级单元（TLC）和四级单元（QLC）。将来，将出现一个新级别- 一个单元中具有五位的五级单元（PLC）。一个单元中放置的位数越多，在相同成本下驱动器的体积越大，但耐磨性越差。

通过减少处理技术和增加一个晶体管中的位数来压缩电路会对存储的数据产生不利影响。尽管在EPROM和EEPROM中使用了相同的晶体管，但是EPROM和EEPROM能够在没有电源的情况下存储数据十年，而现代闪存可以在一年内“忘记”所有信息。

由于辐射会对浮栅中的电子产生不利影响，因此在太空工业中使用闪存非常困难。

这些问题阻止Flash成为信息存储领域无可争议的领导者。尽管基于闪存的存储设备广为流行，但是正在研究没有这些缺点的其他类型的存储器，包括以磁矩和相态存储信息。

磁阻记忆

通过磁矩对信息进行编码于1955年以磁芯上的存储器形式出现。直到1970年代中期，铁氧体存储器一直是存储器的主要形式。从这种类型的存储器中读取一些信息会导致磁环退磁并丢失信息。因此，在读了一点之后，必须将其写回。

在磁阻存储器的现代发展中，代替环，而是使用由电介质隔开的两层铁磁体。一层是永磁体，第二层改变磁化方向。从这样的单元读取一点被减少为在通过电流时测量电阻：如果这些层在相反的方向上被磁化，则电阻会更大，这等于值“ 1”。

铁氧体存储器不需要恒定的电源来维护记录的信息，但是，单元的磁场会影响“邻居”，这对电路的紧凑性造成了限制。

根据JEDEC的说法，基于不带闪存的闪存的SSD在40°C的环境温度下应至少存储三个月的信息。基于磁阻存储器的基于 Intel的芯片有望在200°C的温度下存储十年的数据。

尽管开发过程很复杂，但是磁阻存储器在使用过程中不会降级，并且在其他类型的存储器中具有最佳性能，这不允许注销此类存储器。

相变记忆

存储器的第三种有希望的形式是相变存储器。这种类型的存储器在加热时利用硫族化物的特性在晶态和非晶态之间切换。

硫族化物是具有周期表第16组（主要子组的第6组）的金属的二元化合物。例如，CD-RW，DVD-RW，DVD-RAM和蓝光光盘使用碲化锗（GeTe）和碲化锑（III）（Sb ₂ Te ₃）。

斯坦福·奥夫辛斯基（Stanford Ovshinsky）于1960年代对使用相变来存储信息进行了研究，但后来并未实现商业化。在2000年代，人们重新出现了对技术的兴趣，三星申请了一项允许在5 ns内切换位的技术，而英特尔和意法半导体将状态数增加到了4种，从而使可能的容量增加了一倍。

当加热到熔点以上时，硫族化物失去其晶体结构，并且冷却后变成无定形形式，其特征在于高电阻。继而，当加热到高于结晶点但低于熔点的温度时，硫属化物返回到具有低电阻水平的结晶状态。

与带电荷的存储器相比，具有相变变化的存储器不需要随时间进行“充电”，并且也不易受到辐射的影响。这种类型的内存可以在85°C的温度下存储300年的信息。

据信，英特尔3D Crosspoint技术（3D XPoint）的开发使用相变来存储信息。3D XPoint用于具有更高耐用性的英特尔®傲腾™内存驱动器。

结论

SSD的物理结构在半个多世纪的历史中经历了许多变化，但是，每种解决方案都有其自身的缺点。尽管闪存的普及度不可否认，但包括三星和英特尔在内的多家公司仍在努力在磁矩上创建内存的可能性。

减少电池的磨损，紧凑化并增加驱动器的整体容量是当前有望进一步开发固态驱动器的领域。

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您认为，将电荷存储信息的技术会被其他石英盐盘或盐纳米晶体上的光存储器等替代吗？

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