Введение в SSD. Часть 4. Физическая

Владимир Туров Разработчик 6 марта 2020

Прошлые части цикла «Введение в SSD» поведали читателю про историю появления SSD-накопителей, интерфейсы взаимодействия с ними и популярные форм-факторы. Четвёртая часть расскажет о хранении данных внутри накопителей. В предыдущих статьях цикла: История создания HDD и SSD Возникновение интерфейсов накопителей Особенности форм-факторов Хранение данных в твердотельных накопителях можно разделить на две логические части: хранение информации в […]

В предыдущих статьях цикла:

Хранение данных в твердотельных накопителях можно разделить на две логические части: хранение информации в одной ячейке и организация хранения ячеек.

Каждая ячейка твердотельного накопителя хранит один или несколько бит информации. Для хранения информации используются различные физические процессы. При разработке твердотельных накопителей прорабатывались следующие физические величины для кодирования информации:

электрические заряды (в том числе Flash-память);
магнитные моменты (магниторезистивная память);
фазовые состояния (память с изменением фазового состояния).

Память на основе электрических зарядов

Кодирование информации с помощью отрицательного заряда лежит в основе нескольких решений:

стираемые ультрафиолетом ПЗУ (EPROM);
электрически стираемые ПЗУ (EEPROM);
Flash-память.

Каждая ячейка памяти — это полевой МОП-транзистор с плавающим затвором, в котором хранится отрицательный заряд. Его отличие от обычного МОП-транзистора заключается в наличии плавающего затвора — проводника в слое диэлектрика.

При создании разности потенциалов между стоком и истоком и наличии положительного потенциала на затворе от истока к стоку потечет ток. Однако, при наличии достаточно большой разности потенциалов некоторые электроны «пробивают» слой диэлектрика и оказываются в плавающем затворе. Это явление называется туннельный эффект.

Отрицательно заряженный плавающий затвор создает электрическое поле, мешающее протеканию тока от истока к стоку. Более того, наличие электронов в плавающем затворе увеличивает пороговое напряжение, при котором открывается транзистор. При каждой «записи» в плавающий затвор транзистора слой диэлектрика незначительно повреждается, что накладывает ограничение на количество циклов перезаписи каждой ячейки.

Полевые МОП-транзисторы c плавающим затвором были разработаны Давоном Кангом (Dawon Kahng) и Саймоном Мин Зи (Simon Min Sze) из Bell Labs в 1967 году. Позднее, при исследовании дефектов интегральных схем, было замечено, что из-за заряда в плавающем затворе изменилось пороговое напряжение, открывающее транзистор. Это открытие побудило Дова Фромана (Dov Frohman) начать работу над памятью на основе этого феномена.

Изменение порогового напряжения позволяет «программировать» транзисторы. Транзисторы с зарядом в плавающем затворе не откроются при подаче на затвор напряжения больше порогового напряжения для транзистора без электронов, но меньше порогового напряжения для транзистора с электронами. Назовем такое значение напряжением чтения.

Erasable Programmable Read-Only Memory

*Intel® 1702A — один из первых EPROM-чипов (источник wikipedia.org)*

В 1971 году сотрудник Intel, Дов Фроман (Dov Frohman), создал перезаписываемую память на транзисторах, названную Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Запись в память проводилась с помощью специального устройства — программатора. Программатор подает на чип более высокое напряжение, чем применяется в цифровых схемах, тем самым «записывает» электроны в плавающие затворы транзисторов, где это необходимо.

*Матрица транзисторов EPROM крупным планом (источник ru.wikipedia.org)*

В EPROM-памяти не предполагалась очистка плавающих затворов транзисторов электрическим способом. Вместо этого предлагалось воздействовать на транзисторы сильным ультрафиолетовым излучением, фотоны которого придают энергию электронам энергию, необходимую, чтобы покинуть плавающий затвор. Для доступа ультрафиолета вглубь чипа на корпус добавлено кварцевое стекло.

*Битовое изображение с логотипом Intel, записанное в EPROM-памяти (источник* *intel.com*)

Фроман впервые выступил со своим прототипом EPROM в феврале 1971 года на конференции по твердотельным микросхемам в Филадельфии. Гордон Мур вспоминал демонстрацию: «Дов продемонстрировал битовый рисунок в ячейках памяти EPROM. Когда на ячейки воздействовал ультрафиолетовый свет, биты исчезали один за другим, пока не знакомый логотип Intel не стерся совсем. … Биты пропадали, и когда последний из них исчез, вся аудитория разразилась аплодисментами. Статья Дова была признана лучшей на конференции».
Перевод статьи newsroom.intel.com

EPROM-память дороже применявшихся ранее «одноразовых» постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), однако возможность перепрограммирования позволяет отлаживать схемы быстрее и сократить время разработки нового аппаратного обеспечения.

Перепрограммирование ПЗУ ультрафиолетовым светом был значительным прорывом, однако, идея электрической перезаписи уже «витала» в воздухе.

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

В 1972 году три японца: Ясуо Таруи (Yasuo Tarui), Ютака Хаяши (Yutaka Hayashi) и Кийоко Нагаи (Kiyoko Nagai) представили первое электрически стираемое постоянное запоминающее устройство (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM или E²PROM). Позже их научные исследования станут частью патентов на коммерческие реализации EEPROM-памяти.

Каждая ячейка EEPROM-памяти состоит из нескольких транзисторов:

транзистор с плавающим затвором для хранения бита;
транзистор для управления режимом чтения-записи.

Такая конструкция сильно усложняет разводку электрической схемы, поэтому EEPROM память использовалась в случаях, когда малый объем памяти не был критичен. Для хранения большого объема данных по-прежнему использовался EPROM.

Flash-память

Flash-память, совмещающая лучшие черты EPROM и EEPROM, разработана японским профессором Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka), инженером компании Toshiba, в 1980 году. Первая разработка получила название Flash-память типа NOR и, как и ее предшественники, основана на полевых МОП-транзисторах с плавающим затвором.

Flash-память типа NOR — это двухмерный массив транзисторов. Затворы транзисторов подключены к линии слов, а стоки — на линию битов. При подаче напряжения на линию слов транзисторы, содержащие электроны, то есть хранящие «единицу», не откроются и ток не потечет. По наличию или отсутствию тока на линии бита делается вывод о значении бита.

*Разводка транзисторов в памяти типа NAND*

Спустя семь лет Фудзио Маусока (Fujio Masuoka) разработал Flash-память типа NAND. Данный вид памяти отличается количеством транзисторов на битовой линии. В памяти типа NOR каждый транзистор напрямую подключен к битовой линии, в то время как в NAND-памяти транзисторы подключены последовательно.

Чтение из памяти такой конфигурации сложнее: на необходимую линию слова подается напряжение, необходимое для чтения, а на все остальные линии слова подается напряжение, которое открывает транзистор вне зависимости от уровня заряда в нем. Так как все остальные транзисторы гарантированно открыты, то наличие напряжения на битовой линии зависит только от одного транзистора, на которое подано напряжение чтения.

Изобретение Flash-памяти типа NAND позволяет значительно уплотнять схему, размещая бо́льший объем памяти при тех же размерах. До 2007 года объем памяти увеличивали путем уменьшения производственного техпроцесса чипа.

В 2007 году компания Toshiba представила новую версию NAND-памяти: Vertical NAND (V-NAND), также известную как 3D NAND. В этой технологии делается акцент на размещение транзисторов в несколько слоев, что вновь позволяет уплотнить схему и увеличить объем памяти. Тем не менее, уплотнение схемы не может повторяться до бесконечности, поэтому исследовались другие методы увеличения хранимого объема памяти.

Изначально каждый транзистор хранил два уровня заряда: логический ноль и логическую единицу. Такой подход называется Single-Level Cell (SLC). Накопители с такой технологией отличаются высокой надежностью и максимальным количеством циклов перезаписи.

Со временем было принято решение увеличить объем накопителей ценой износостойкости. Так количество уровней заряда в ячейке до четырех, а технологию назвали Multi-Level Cell (MLC). Следом появились Triple-Level Cell (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). В будущем появится новый уровень — Penta-Level Cell (PLC) с пятью битами в одной ячейке. Чем больше бит помещается в одну ячейку, тем больше объем накопителя при той же стоимости, но меньше износостойкость.

Уплотнение схемы уменьшением техпроцесса и увеличения количества бит в одном транзисторе негативно сказываются на хранимых данных. Несмотря на то, что в EPROM и EEPROM используются те же самые транзисторы, EPROM и EEPROM способны хранить данные без питания десять лет, в то время как современная Flash-память может все «забыть» уже через год.

Использование Flash-памяти в космической индустрии затруднительно, так как радиация пагубно влияет на электроны в плавающих затворах.

Перечисленные проблемы мешают Flash-памяти стать безоговорочным лидером в области хранения информации. Несмотря на то, что накопители на базе Flash-памяти широко распространены, ведутся исследования других видов памяти, лишенных этих недостатков, среди которых хранение информации в магнитных моментах и фазовых состояниях.

Магниторезистивная память

*Память на ферритовых кольцах (источник* *YouTube.com, пользователь deleter2007)*

Кодирование информации магнитными моментами появилось в 1955 году в виде памяти на магнитных сердечниках. До середины 1970-х годов ферритовая память была основным видом памяти. Чтение бита из памяти такого типа приводило к размагничиванию кольца и потере информации. Таким образом, после чтения бита его приходилось записывать обратно.

В современных разработках магниторезистивной памяти вместо колец используется два слоя ферромагнетика, разделенные диэлектриком. Один слой является постоянным магнитом, а второй меняет направление намагниченности. Чтение бита из такой ячейки сводится к измерению сопротивления при пропускании тока: если слои намагничены в противоположные стороны, то сопротивление больше и это эквивалентно значению «1».

Ферритовая память не требует постоянного источника питания для поддержания записанной информации, однако магнитное поле ячейки может влиять на «соседа», что накладывает ограничение на уплотнение схемы.

Согласно JEDEC SSD-диски на базе Flash-памяти без питания должны сохранять информацию как минимум три месяца при температуре окружающей среды 40°С. Разработанный Intel чип на базе магниторезистивной памяти обещает сохранить данные десять лет при температуре 200°С.

Несмотря на сложность разработки, магниторезистивная память не деградирует во время использования и имеет лучшее быстродействие среди остальных видов памяти, что не позволяет списать со счетов этот вид памяти.

Память с изменением фазового состояния

Третий перспективный вид памяти — память на основе фазового перехода. Данный вид памяти использует свойства халькогенидов переключаться между кристаллическим и аморфным состоянием при нагреве.

Халькогениды — бинарные соединения металлов с 16-ой группой (6-ой группы главной подгруппы) периодической таблицы Менделеева. Например, в CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM и Blu-ray дисках используются теллурид германия (GeTe) и теллурид сурьмы (III) (Sb₂Te₃).

Исследования по применению фазового перехода для хранения информации проводились в 1960-ые года Стэнфордом Овшинским (Stanford Ovshinsky), но тогда до коммерческой реализации дело не дошло. В 2000-х снова возник интерес к технологии, Samsung запатентовала технологию, позволяющую переключать бит за 5 нс, а Intel и STMicroelectronics увеличили количество состояний до четырех, тем самым увеличив возможный объем вдвое.

При нагреве выше точки плавления халькогенид теряет кристаллическую структуру и, остывая, превращается в аморфную форму, характеризующуюся высоким электрическим сопротивлением. В свою очередь при нагревании до температуры выше точки кристаллизации, но ниже точки плавления халькогенид возвращается в кристаллическое состояние с низким уровнем сопротивления.

Память с изменением фазового перехода не требует «подзарядки» с течением времени, а также не восприимчива к радиационному излучению, в отличие от памяти на электрических зарядах. Такой тип памяти может сохранять информацию в течение 300 лет при температуре 85°С.

Считается, что разработка Intel, технология 3D Crosspoint (3D XPoint) использует именно фазовые переходы для хранения информации. 3D XPoint используется в накопителях Intel® Optane™ Memory, для которых заявлена большая износостойкость.

Заключение

Физическое устройство твердотельных накопителей претерпело множество изменений за более, чем полувековую историю, однако, каждое из решений имеет свои недостатки. Несмотря на неоспоримую популярность Flash-памяти, несколько компаний, среди которых Samsung и Intel, прорабатывают возможность создания памяти на магнитных моментах.

Сокращение износа ячеек, их уплотнение и повышение общей емкости накопителя — вот направления, которые в настоящий момент являются перспективными для дальнейшего развития твердотельных накопителей.

Протестировать самые крутые на сегодняшний день накопители NAND и 3D XPoint можно уже сейчас в нашей Selectel LAB.

Как вы считаете, будет ли технологии хранения информации на электрических зарядах вытеснена другими, например, кварцевыми дисками или оптической памятью на нанокристаллах соли?

Выделенные серверы и оборудование