ФИЗИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО SSD

Что такое NAND память, как она работает и каких типов бывает. 

 

 Флеш память, используемая в твердотельных накопителях, была изобретена Fujio Masuoka, когда он работал в компании Toshiba, на дворе шел 1984 год. Имя Flash было придумано также в Toshiba, коллегой Fujio - Shoji Ariizumi. Столь странное название было выбрано потому, что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (от ангийского слова flash). Fujio Masuoka представил свою разработку на IEEE 1984 (International Electron Devices Meeting), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш чип, только был он NOR типа. 

NAND тип флеш памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на Международной конференции посвященной твердотельным дискам (International Solid-State Circuits Conference). У NAND памяти была большая скорость записи и меньшая площадь чипа.  

 

В SSD используется два типа NAND памяти - SLC и MLC, в чем их отличие, мы объясним позже. Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками ( SLC), каждая из них может хранить только один бит. Многоуровневые ячейками (MLC) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора. Самое главное, что их объединяет схожая схема строения. Ни для кого не секрет, что вся современная компьютерная техника основана на транзисторах. Бывают они различных типов, но нас интересует тот, которые служит для производства NAND памяти.  

 

Полевой транзистор с изолированным затвором. Современная терминология описывает его, как Mosfet. Вернемся к курсу физики, и вспомним, как устроен полевой транзистор с плавающим затвором. 

 

У полевого транзистора проводимость (электрическим сопротивлением рабочего p-n перехода) управляется разностью потенциалов, которая создает электрическое поле, воздействующее на состояние p-n переходов. Управляющий электрод называется затвором. Дополнительную функциональность транзистору придали после внедрения еще одного затвора, выполненного из поликристаллического кремния. Располагается он между управляющим затвором и подложкой из p-n переходов. В связи с тем, что дополнительный "свободный" затвор не имеет электрического контакта с элементами транзистора и окружен слоем диэлектрика, он получил названия "плавающий". Последний способен удерживать электроны, т.е. заряд до 10 лет.

В транзисторе имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении. Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш памяти потребляют достаточно большой ток при записи, а при чтении затраты энергии наоборот малы. Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят на исток. Недостатком этой архитектуры может считаться лишь отсутствие возможности обращаться к произвольной ячейке. Далее транзисторы объединили в группы и задали возможность изменять состояние плавающего затвора. Его состояние и определяло логическое состояние 1 или 0, которое сохраняется после обесточивания транзистора.

Схемы работы транзисторов - чтения, сохранения состояния, записи и стирания:

При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток. 

 

 

 

Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает. 

 

При программировании (записи) на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.

При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.

Свойства флеш памяти. Необратимый процесс разрушения.

NAND память, умеет хранить данные без внешнего источника энергии, но имеет серьезный недостаток - ограниченное число изменения логического состояния ячейки, после многочисленных циклов записи дальнейшее изменение ее состояния будет невозможно ввиду того, что происходит разрушение диэлектрического слоя. Особенно это актуально для MLC ячеек, так как там меньше резерва изменения заряда плавающего затвора из-за конструктивных особенностей. "Износ" происходит и при чтении, но наносится несравнимо меньше вреда чем при записи/стирании, поэтому считается, что за весь срок службы устройства количество циклов чтения не ограничено.

Теперь становится понятно, почему диск изготовленный с использованием slc микросхем будет теоретически быстрее читать чем диск с mlc в 2 раза, и в 3 с лишним раза записывать данные.

Физический размер ячейки, страницы, блоки NAND памяти.

Вся память объединена в массивы, которые имеет несколько уровней структурных особенностей. Если одна ячейка хранит в себе один (для SLC) или как правило два (для нынешнего поколения MLC) бита данных, то принято считать, что они образуют группу. Такие группы организованны в виде страниц, которая имеет размер в 4кб. Де-факто считается стандартом для SSD.

Массив представляет собой 1024 блоков или 512Мб, зачастую им управляет один канал контроллера, блоки состоят из 128 страниц, что эквивалентно 512кб. Страница имеет размер 4кб.

Различия NAND памяти, тип - MLC и SLC.

SLC (одноуровневая ячейка), а MLC - соответственно многоуровневая ячейка. принцип кодирования (логического 0 или 1) информации в обеих случаях одинаков, он описан рисунками выше. Различия заключаются в строении ячеек. Глубина уровней MLC может доходить до 4х разрядов, то есть хранить до 4-ех бит информации, в то время как SLC является более простой единицей, и хранит 1 бит.

C одной стороны - наращивание уровней MLC позволит существенно увеличить размер диска, с другой стороны, с каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознать уровень сигнала, уменьшается ресурс, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается вероятность ошибок. Контролировать ошибки можно аппаратно, но это повлечет за собой установку в накопитель дополнительных микросхем и увеличит итак не дешевый SSD. И тут уже обратная стороны медали может перевесить весь полезный смысл в увеличении уровней. SLC хоть и являются очень скоростной памятью, но не обладает емкостью MLC. Поэтому производителям приходится использовать большее количество микросхем при меньшем суммарном объеме диска. К тому же SLC память обходится дороже в изготовлении, что суммарно приводит к удорожанию относительно MLC SSD более чем в два раза.