В каких режимах работает ячейка памяти

Обновлено: 01.07.2024

В зависимости от задействованной технологии, микросхемы памяти «NAND» различаются плотностью хранения данных. Читайте о твердотельных накопителях с разными вариантами используемых видов памяти . Какие у них характеристики и чем они отличаются.

Введение

Твердотельные накопители значительно улучшают общую производительность персональных компьютеров, позволяя существенно сократить время загрузки операционной системы, и повышают общее быстродействие, превращая, укомплектованные данным типом хранилища, компьютеры в высокоскоростные. Но когда пользователи непосредственно выбирают для своего устройства конкретную модель накопителя «SSD» , то часто приходится сталкиваться с различными специализированными терминами, такими как «SLC» , «SATA III» , «NVMe» , «M.2» и т.д. Не многие пользователи знают определение данных терминов и далее в нашем руководстве мы подробнее остановимся на некоторых основных понятиях.

Несколько слов о ячейках

В зависимости от задействованной технологии, микросхемы памяти «NAND» различаются плотностью хранения данных, и далее мы рассмотрим твердотельные накопители с разными вариантами используемых видов памяти, выделенными в отдельную характеристику.

Запоминающее устройство «SSD» с одноуровневыми ячейками ( «SLC» )

Основным типом твердотельного накопителя является «SSD» с микросхемой «NAND» , внутренняя организация которой реализована посредством использования одноуровневых ячеек ( «Single-Level Cell» , сокращенно «SLC» ). Технология «SLC» обеспечивает плотность хранения данных один бит на ячейку памяти. Это немного, но у данной организации есть отдельные неоспоримые преимущества. Во-первых, твердотельные накопители, выполненные по технологии «SLC» – это самый быстрый тип запоминающего устройства «SSD» из всех доступных вариантов. Они также более долговечны и менее подвержены развитию ошибок, поэтому считаются наиболее надежными среди всех видов твердотельных дисков.

Твердотельные накопители «SSD» на основе «SLC» в первую очередь популярны в корпоративных средах, где потеря данных неприемлема и может привести к значительным тратам, а надежность запоминающих является ключевым фактором. Технология «SLC» существенно повышает конечную стоимость накопителя, особенно в пересчете цены за единицу дискового пространства, и носители данных на ее основе обычно не доступны для обычных потребителей. Для сравнения, на «Amazon» доступен для приобретения твердотельный накопитель «SSD» , выполненный по технологии «SLC» с емкостью «128 ГБ» , и его конечная цена равна стоимости запоминающего устройства «SSD» с объемом памяти «1 ТБ» , изготовленного по технологии «TLC NAND» .

Поэтому, если пользователям предлагается потребительский твердотельный накопитель «SSD» с технологией плотности хранения данных «SLC» , то, вероятно, он имеет другой тип памяти «NAND» и просто дополнен кэшем «SLC» для повышения производительности.

Твердотельный накопитель «SSD» с многоуровневыми ячейками ( «MLC» )

Конкретное понятие «многоуровневые» , применительно к твердотельным накопителям, выполненным на основе «NAND – памяти» с многоуровневой ячейкой ( «Multi-Level Cell» , сокращенно «MLC» ), не особо точно отображает смысл определения и создает ложное впечатление о доступной плотности данных. Как можно было бы сделать вывод из названия, организация пространства ячейки должна поддерживать много уровней, однако она ограничивается только двумя битами на ячейку, что конечно превышает количество битов ячейки «SLC» в два раза, но не является слишком большим значением. Схема озаглавливания примененной технологии плотности данных не предполагала ориентацию на будущее развитие, поэтому и был выбран данный формат названия.

Скорость взаимодействия с данными у накопителей «MLC» несколько ниже, по сравнению с «SLC» , поскольку для записи двух битов в ячейку требуется больше времени, чем для записи одного. Увеличение количества битов в одной ячейке также снижает долговечность и надежность твердотельных накопителей «MLS» , потому что данные записываются на флэш-память «NAND» чаще, чем в предыдущем одноуровневом варианте «SLC» .

Тем не менее, «MLC» – это прочный и добротный образец твердотельного накопителя. Его емкость не настолько высока, как у других типов твердотельных накопителей, но уровень надежности и долговечности способен удовлетворить самые высокие требования пользователей, и на рынке твердотельных накопителей уже можно найти достойный вариант запоминающего устройства «MLS» емкостью в «1 ТБ» по приемлемой цене, полностью соответствующей его возможностям.

«SSD-накопители» с трехуровневыми ячейками ( «TLC» )

Как напрямую следует из названия «Triple-Level Cell» , твердотельный накопитель «SSD» формата исполнения «TLC» записывает три бита в каждую ячейку. На момент написания данного руководства «TLC» является наиболее распространенным типом накопителя «SSD» .

Накопители с данной технологией плотности данных предлагают пользователям хранилища «SSD» с гораздо большей емкостью, чем диски «SLC» и «MLC» , но вынуждены, по сравнению с ними, жертвовать относительной скоростью, надежностью и долговечностью. Это не значит, что диски «TLC» плохие и пользователям не стоит их рассматривать для применения на своих устройствах. На самом деле, в настоящий момент они, вероятно, являются самым лучшим предложением, сочетающим высокие показатели скорости обработки данных, времени загрузки системы и реакции на системные и пользовательские команды, в сравнении с остальными вариантами дисков, по достаточно низкой цене.

Не позволяйте понятию меньшей прочности заставить вас отказаться от использования твердотельного накопителя «TLS» , ведь, обычно, он гарантированно и безошибочно работает в течение нескольких лет.

Показатель суммарного объема записи данных ( «TBW» )

Разработчики твердотельных накопителей стремятся не только сохранить и преумножить преимущество «SSD» в скорости, но и работают над увеличением продолжительности гарантированного срока службы накопителей . И с целью маркировки значения долговечности к характеристикам «SSD» было добавлено понятие «TBW» ( «Total Bytes Written» ), которое принято исчислять в терабайтах ( «ТБ» ). Числовое значение обычно означает количество терабайт, которое можно гарантированно записать на диск до того момента, как он окончательно выйдет из строя.

Например, модель твердотельного накопителя «Samsung 860 Evo» емкостью «500 ГБ» (очень популярный «SSD» несколько лет назад) имеет рейтинг «TBW 600» , а модель объемом в «1 ТБ» – «1200 TBW» . Это невероятно огромное количество данных, поэтому такой диск непременно прослужит вам долгие годы.

«TBW» также дополнительно является оценкой «уровня безопасности» , и твердотельные накопители «SSD» , по своим технологическим возможностям, обычно превышают установленные предельные значения. Это означает, что диск, как минимум, указанное количество данных сможет гарантированно записать. Однако, чтобы обезопасить себя от непредвиденного выхода из строя накопителя, сделайте его резервную копию, чтобы минимизировать потерю данных, особенно на старых дисках.

Накопители «SSD» с четырьмя уровнями ячеек ( «QLC» )

Твердотельные запоминающие устройства с технологией плотности данных, подразумевающей использование четырехуровневых ячеек ( «Quad-level Cell» , сокращенно «QLC» ), могут записывать четыре бита в каждую ячейку.

«QLC NAND» может упаковать намного больше данных, чем другие типы твердотельных накопителей, но повышение общего количества, доступной для записи, информации напрямую оказывает сильное влияние на диск и уменьшает общую производительность запоминающего устройства «QLC» . Это особенно заметно, когда исчерпан кэш диска, например, во время передачи больших файлов (сорок гигабайт и выше). Производители дисков с технологией «QLC» пытаются оптимизировать работу накопителей, и, с большой долей вероятности, можно утверждать, что в краткосрочной перспективе данной проблемы удастся избежать.

Долговечность твердотельных накопителей «QLC» также является проблемой. Однако с другой стороны, бюджетный накопитель «Crucial P1 QLC NVMe» имеет показатель суммарного объема записи данных на уровне «100 TBW» для модели с емкостью диска «500 ГБ» и «200 TBW» для объема диска в «1 ТБ» , что, хотя и меньше установленных значений дисков «TLC» , но все же вполне достаточно для ежедневного домашнего использования.

Твердотельные накопители «Penta-Level Cell» ( «PLC» )

Запоминающие устройства твердотельного формата «SSD» , выполненные по технологии «PLC» , которые могут записывать пять бит на ячейку, для потребителей в данный момент еще не предлагаются, но процесс их представления уже в пути. Например, компания «Toshiba» уже упоминает приводы формата «PLC» в конце августа 2019 года, а корпорация «Intel» – в сентябре, что означает серьезность намерений в стремлении компаний предложить и завершить готовые разработки. Твердотельные накопители «PLC» должны быть в состоянии вместить гораздо больше данных и могут быть представлены значительными емкостями. Тем не менее, они также будут иметь схожие проблемы, что и диски «TLC» и «QLC» , когда речь заходит об уровнях долговечности и производительности.

Нет необходимости сразу приобретать готовый «SSD» с технологией плотности хранения данных «PLC» , а стоит некоторое время подождать и ознакомиться со специализированными отзывами и готовыми тестами. Кроме того, также необходимо обратить особое внимание на рейтинг «TBW» , чтобы иметь представление о гарантированном сроке службы, указанном производителем, и ознакомиться с результатами работы диска в реальных условиях, получив подтверждение склонности к возникновению поломок (на основе все тех же тестов).

Например, привод «QLC» , о котором мы упоминали в предыдущем разделе, имеет более низкий рейтинг «TBW» , но он гарантированно позволяет записывать до пятидесяти четырех гигабайт информации в день в течение пяти лет. Никто из пользователей не пишет так много данных в домашних условиях, поэтому можно ожидать, что данный диск будет работать довольно длительное время, несмотря на более низкий рейтинг «TBW» .

Другие понятия «SSD»

Ранее мы рассмотрели основные типы флэш-памяти «NAND» , но пользователям встречаются и другие определения, и далее мы дополнительно опишем несколько терминов, которые могут вам помочь полнее понять характеристики «SSD» :

«3D NAND» : в какой-то момент производители «NAND» попытались расположить ячейки памяти ближе друг к другу на плоской поверхности, чтобы уменьшить размер дисков и увеличить емкость. Такой подход работал до определенного момента, но флэш-память начинает терять свою надежность, когда ячейки расположены слишком близко друг к другу. Чтобы обойти данное ограничение, разработчики поместили ячейки памяти друг на друга, чтобы увеличить емкость. Такая архитектура обычно называется «3D NAND» , а иногда и вертикальным «NAND» .
«Технология выравнивания износа» : ячейки памяти «SSD» начинают разрушаться сразу в момент их первичного использования и процесс продолжается безостановочно при каждой записи. Чтобы избежать неравномерного снижения ресурса отдельных ячеек и помочь накопителям гарантированно прослужить заявленный срок, производители применяют технологию износа, которая пытается записывать данные в ячейки памяти как можно более равномерно. Вместо того, чтобы постоянно записывать определенный блок в один раздел диска, данная технология распределяет данные равномерно, поэтому все ячейки имеют одинаковый или соизмеримый показатель износа.
«Кэш» : каждый твердотельный накопитель «SSD» укомплектован кэшем, в котором данные кратковременно хранятся перед их непосредственной записью на диск. Данная специальная выделенная область быстрого доступа для временного хранения информации имеет решающее значение для повышения производительности «SSD» . Кэш-память обычно состоит из ячеек «SLC» или «MLC NAND» . Когда кэш заполнен, производительность имеет тенденцию к значительному снижению – это особенно верно для некоторых накопителей «TLC» и большинства дисков «QLC» .
«SATA III» : это наиболее распространенный интерфейс подключения жесткого диска «HDD» и твердотельного накопителя «SSD» в персональном компьютере. В этом контексте понятие «интерфейс» просто означает, каким образом происходит прямое соединение диска с материнской платой. «SATA III» имеет максимальную пропускную способность шестьсот мегабайт в секунду.
«NVMe» : данный интерфейс соединяет запоминающее устройство «SSD» с материнской платой. «NVMe» позволяет развивать молниеносную скорость передачи данных. Показатели скорости современных потребительских накопителей с интерфейсом «NVMe» примерно в три раза выше, чем у «SATA III» .
«M.2» : это форм-фактор (физический размер, форма и дизайн) накопителей «NVMe» . Их часто называют дисками «gumstick» , потому что они крошечные и прямоугольные. Накопители монтируются в специальные слоты на большинстве современных материнских плат.

Заключение

Стремительный рост объемов разнообразных видов цифровых материалов и существенное увеличение трудоемкости, ежедневно исполняемых пользователями, процессов вынуждает постоянно усовершенствовать существующие персональные компьютерные устройства, и особое внимание уделять применению надежных, обладающих высокой скоростью взаимодействия с данными, и долговечных запоминающих устройств значительной емкости.

Производители современных хранилищ данных, благодаря внедрению продвинутых методик, предлагают пользователям новый вид твердотельных накопителей, выполненных на основе флэш-памяти «NAND» . Доступные варианты различаются между собой технологиями, обеспечивающими плотность хранения данных, которые, в свою очередь, влекут за собой градацию твердотельных накопителей по количеству циклов чтения/записи цифровых материалов, предлагаемой емкости, гарантированном показателе суммарного объема записи данных и окончательной стоимости.

Ознакомившись с представленным руководством, пользователи смогут более осознанно подойти к вопросу комплектации своего персонального компьютера твердотельным накопителем «SSD» и выбрать наиболее лучший вариант , исходя из собственных возможностей и заявленных приоритетов.

Для данной статьи существует видоеверсия с большим количеством анимаций, рекомендую к просмотру именно её, вместо текстовой версии:

Принципы работы ячеек памяти, определение носителя информации, принципы считывания состояния ячейки памяти

Запись данных в ячейку памяти и причины ограниченности ресурса работы SSD

При подаче высокого напряжения на Затвор и Сток электроны вынужденно проходят в область плавающего затвора

И имея вокруг нашего хитрого затвора достаточную разность потенциалов можно в него насильно впихнуть электроны, или наоборот высосать из него электроны, тем самым придав ему некий заряд, который сам по себе, без этих повышенных напряжений, никуда уже не денется долгие годы. Собственно таким образом и производится запись в ячейки памяти.

Проблема только в том, что эти насильственные действия над транзистором на повышенном напряжении разрушают диоксид кремния вокруг затвора раз за разом при каждом прохождении через него заряда.

Многобитные ячейки памяти. MLC, TLC, QLC. Принципы работы и отличия от однобитных. Причины падения скорости от увеличения битности.

С точки зрения работы транзистора наш дополнительный затвор позволяет сдвигать сток затворную характеристику. И кардинальное наличие заряда в плавающем затворе сдвигает эту характеристику так далеко, что рабочие напряжения для транзистора его не открывают.

Отрицательные заряды сильно смещают напряжение Затвор-исток при котором начинает идти ток сток-исток

И в показанной схеме у нас есть некий широкий диапазон напряжений на затворе который нам позволяет понять что записано условно 0 или 1. То есть мы сохраняем 1 бит информации.

Набор стоко-затворных характеристик для разного уровня заряда плавающего затвора

для трёх бит нужно распознать 8 уровней величины заряда,

и для 4-х бит нужно распознавать до 16 уровней заряда.

Причины снижения ресурса работы накопителей, запись накопителей с уплотнением данных.

Разберёмся в том, что при этом происходило с накопителем.

Вначале накопитель занимал весь свой объём записывая всё в однобитном режиме. То есть абы какой заряд уже абы как смещает стоко-затворную характеристику, но этого достаточно чтобы записать один бит на ячейку. И в таком режиме весь объём ячеек быстро заканчивается. По данным о диске он ещё записан совсем чуть-чуть, но на самом деле он полностью забит данными. И для дальнейшего записывания накопитель начинает уплотнять запись. Но происходит это исключительно перезаписыванием. То есть надо во временное место скопировать данные страницы, далее затереть записанные данные, то есть вытащить из плавающих затворов заряды, дальше взять новый кусок информации, собрать его со старым куском информации и записать в те же ячейки, но уже не абы как, а, допустим, в MLC режиме, то есть с 4-мя градациями уровней заряда плавающих затворов. Далее накопитель так же заполняется полностью уже в режиме MLC. Если надо продолжить запись, а в MLC режиме место опять закончилось, то процесс уплотнения, то есть перезаписи в более плотном формате производиться уже в TLC режиме. Далее ещё может быть произведена запись в QLC режиме. Подобный механизм работает и в случае если вам хватило места до уплотнения. Как только вы перестаёте заполнять накопитель он автоматически начинает уплотнять запись, чтобы в случае необходимости он мог опять кратковременно вести запись в однобитном режиме используя свободный остаток. Хотя ещё раз напомню, что не все накопители так делают. В некоторых выделен фиксированный объём для быстрой записи и дальше накопитель заполняется уже с финальной плотностью.

Надеюсь теперь полученные знания сделают для вас тесты накопителей увлекательнее.

Видео на YouTube канале "Этот компьютер"

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:

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

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.

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

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 E 2 PROM). 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.

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.

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

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.

Принципы работы ячеек памяти, определение носителя информации, принципы считывания состояния ячейки памяти

Каждая ячейка памяти — это полевой транзистор с изолированным затвором, но не простой, а хитрый. Со сдвоенным затвором. Если кто не в курсе общая суть полевого транзистора заключается в следующем:

У нас есть исток и сток, проще говоря вход и выход, и между ними область через которую может проходить заряд от стока к истоку, и есть ещё одна отделённая область от этих структур диэлектриком, которая называется — затвор. И если подать заряд на затвор, то затвор своим электромагнитным полем начинает влиять на легированную часть транзистора между стоком и истоком и этим перекрывает возможность протекания тока между ними.

То есть если поместить в него какой-то заряд, то этот заряд сам никуда не денется. И тут начинается самое интересное. Предположим, что заряда на плавающем затворе — нет. В таком случае — транзистор работает ровно так же, как и в случае когда второго затвора не было вообще. То есть не подаём заряд на затвор ток не идёт — подаём — ток идёт. Но если в плавающий затвор подать отрицательный заряд, то логика работы меняется. Если не подавать заряд на обычный затвор, то ток идти не будет, но если падать положительный заряд, то этот заряд будет компенсирован отрицательным зарядом плавающего затвора и в сумме они не дадут необходимого заряда чтобы ток через транзистор пошёл. То есть в случае активации транзистора ток через него всё равно не идёт. Иными словами — в случае подачи положительного заряда, если на плавающем ничего нет, то транзистор будет открыт, а если заряд есть — то транзистор будет закрыт. А теперь вспоминаем, что заряд в плавающем затворе никуда не девается, в том числе и в моменты когда питание на весь накопитель не подаётся вообще. То есть в любой момент времени мы можем по поведению тока сток исток понять есть ли заряд в нашем хитром затворе или нет. То есть прочитать заранее сохранённое состояние нашего транзистора, который стал уже вовсе и не транзистором, а ячейкой памяти.

Запись данных в ячейку памяти и причины ограниченности ресурса работы SSD

С запоминанием информации в целом понятно. С тем как понять что записано надеюсь тоже понятно. Остаётся понять только то, как осуществляется зарядка и разрядка плавающего изолированного затвора. То есть изменение состояния самой ячейки памяти. Иными словами — запись и стирание данных. И тут всё в общем-то не так сложно. Общая суть в том, что если приложить достаточное напряжение — то электроны могут пройти через диэлектрик, в нашем случае диоксид кремния.

При подаче высокого напряжения на Затвор и Сток электроны вынужденно проходят в область плавающего затвора

Что ведёт к деградации свойств, и в конечном итоге к выходу ячейки памяти из строя. То есть при многократном воздействии на изолированный плавающий затвор для изменения его заряда — разрушается транзистор. То есть для транзистора существует предельное количество циклов изменения состояния этого затвора перед тем как ячейка памяти перестанет работать должным образом. Естественно разработчики накопителей в курсе проблемы, это всё учитывается в создаваемых контроллеров памяти, которые стремятся равномерно производить износ всего накопителя, вводятся резервные области для замены вышедших из строя ячеек, есть и другие софтовые оптимизации уже и на уровне операционных систем позволяющие максимально редко производить ненужные перезаписи.

Многобитные ячейки памяти. MLC, TLC, QLC. Принципы работы и отличия от однобитных. Причины падения скорости от увеличения битности.

Отрицательные заряды сильно смещают напряжение Затвор-исток при котором начинает идти ток сток-исток

И описанный метод записи и чтения — полностью цифровой. То есть транзистор либо проводит ток, либо — нет, и это мы можем интерпретировать условно в то, что записан условно 0 или 1.

Набор стоко-затворных характеристик для разного уровня заряда плавающего затвора

И это уже не цифровая запись, а аналоговая, то есть если мы зарядили чуть-чуть плавающий затвор, то и сместили мы характеристику чуть-чуть и у нас транзистор открывается если подать на затвор напряжение чуть выше чем минимально нужное, если зарядить плавающий затвор чуть сильнее, то и открыть транзистор будет ещё сложнее и т.д. В теории можно допустить бесконечное количество градаций уровней записей. Сейчас наверное некоторые из вас в шоке, но ячейки памяти в MLC, TLC и QLC SSD накопителях — это аналоговые носители информации, а не цифровые. Потому что именно таким образом и производиться запись многобитных ячеек памяти. Ячейка всё равно может сохранить только одно состояние записи, но если для однобитных ячеек записью было наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе, то в многобитных ячейках под записью понимается не факт наличия или отсутствия заряда — а величина заряда. И уже эта величина при чтении должна быть оцифрована таким образом, чтобы это можно было записать в более чем один бит информации. И при оцифровывании любого аналогового сигнала емкость его данных в цифровом виде зависит от получаемой дискретности уровней распознавания сигнала. То есть чем больше градаций сигнала можно распознать, тем выше ёмкость данных аналогового сигнала. В текущий момент дискретизация сигнала производиться не очень сильная.

Для двух битов данных нужно распознать 4 уровня величины сохранённого заряда,

для трёх бит нужно распознать 8 уровней величины заряда,

и для 4-х бит нужно распознавать до 16 уровней заряда.

И распознование производится по смещению характеристики открытия транзистора. Грубо говоря, если у нас разбит весь диапазон тестирования открытия транзистора на 16 диапазонов, то надо по очереди тестировать каждое напряжение на затвор и зная при каком из них у нас в достаточной степени открылся транзистор — такой уровень и считать записанным в этом транзисторе. И просто каждой градации этих напряжений даются порядковые номера которые и есть цифровая интерпретация уровня заряда плавающего затвора. И для 16 градаций или для QLC памяти — это 4 бита. Некоторые компании грозятся сейчас выпустить 5 битные ячейки.

Как вы понимаете именно по технике разницы с 4-х битными не будет, но градаций будет уже не 16, а 32. То есть надо очень точно попадать в нужный диапазон заряда при наполнении плавающего затвора, и гораздо сложнее становится процесс считывания сигнала, вернее процесс оцифровки уровня заряда плавающего затвора. Естественно при этом снижается скорость работы с памятью. Кроме того — напомню, что процесс наполнения затвора зарядом — это аварийный для транзистора режим работы, и этот аварийный режим надо ещё очень точно контролировать, чтобы действительно был помещён нужный заряд, а не чуть больше или чуть меньше, потому что если заряд не попал в строгие рамки, то при его интерпритации он может дать другие цифровые значения. И, естественно, чем больше градаций — тем сложнее попасть в нужный диапазон. И в многобитных ячейках — неверная запись не является чем-то очень редким, поэтому для записи всегда требуется контроль на ошибки, что отнимает время, снижая скорость работы, вдобавок в случае ошибочной записи требуется перезапись ячеек в странице в которой была произведена ошибочная запись, что, как вы понимаете, ещё и снижает ресурс.

Причины снижения ресурса работы накопителей, запись накопителей с уплотнением данных.

Но не только этим снижается ресурс записи на многобитных ячейках. Как вы могли понять из теории — аппаратных различий для MLC, TLC или QLC памяти — нет. Меняется только процесс интерпретации записи, который задаётся программно. Иными словами если контроллер накопителя это позволяет, то QLC можно записывать в более простых для записи TLC, MLC или SLC режимах. Что сейчас активно и делается, хотя не на всех накопителях, но если пару лет назад было редкость — перезапись накопителей с уплотнением, то сейчас редкость когда такого не происходит. Работу уплотнения записи отлично было видно в тестах накопителей, когда при полной последовательной записи скорость падала в несколько градаций.

Разберёмся в том, что при этом происходило с накопителем.

Естественно такое огромное количество травмирующих ячейки перезаписей а также перезаписей из-за ошибок — крайне негативно сказывается на долговечности работы ячеек. Кроме того при большей плотности записи для изменения одного и того же объёма данных записанных случайным образом потребуется перезаписать больше страниц накопителя. Иными словами — ресурс накопителей от увеличения плотности резко падает и, в общем-то, причин на это аж несколько.

Надеюсь теперь полученные знания сделают для вас тесты накопителей увлекательнее.

Читайте также: