up
ua ru
menu


ASUS_Quiz_1.gif

logo minifile

::>Накопичувачі > 2010 > 06 > ...

Версія для друку
Переопублікувати статтю

28-06-2010


rss

Диски SSD на основі NAND-пам’яті: технології, принцип роботи, різновиди

В основу зародження NAND-пам'яті лягла флеш-пам'ять, що з'явилася набагато раніше та використовується у твердотільних накопичувачах з явно меншою швидкістю роботи, довговічністю і більшою площею чіпа, ніж у NAND-пам'яті. Флеш-пам'ять винайшов Fujio Masuoka в 1984 році, працюючи в компанії Toshiba. Після представлення розробки Fujio Masuoka на IEEE 1984 (International Electron Devices Meeting) у Сан-Франциско (Каліфорнія) компанія Intel в 1988 році випустила перший комерційний флеш-чіп типу NOR. Поява NAND-типу флеш-пам'яті було анонсовано Toshiba в 1989 році на Міжнародній конференції, присвяченій твердотільним дискам (International Solid-State Circuits Conference).

Flash-пам'ять, типи NAND-пам'яті

Принциповою відмінністю флеш-пам'яті є зберігання нею одного біта інформації в масиві транзисторів з плаваючим затвором, що мають назву клітинок. Існує два типи NAND-пам'яті, використовуваної у SSD дисках – SLC і MLC. Чим же відрізняються SLC і MLC типи пам'яті? SLC-пристрої мають однорівневі комірки, які зберігають у кожному транзисторі тільки один біт, а багаторівневі MLC можуть зберігати в кожній клітинці декілька біт інформації. Це наслідок використання різних рівнів електричного заряду на плаваючому затворі транзистора. Принцип кодування (логічного 0 або 1) інформації у всіх випадках однаковий, він буде описаний нами нижче. Різниться лише у будові комірок. Глибина рівнів MLC може доходити до 4-х, тобто зберігати до 4-х біт інформації, у той час як SLC є більш простою одиницею і зберігає 1 біт.

Технологія MLC дозволяє за рахунок нарощування рівнів суттєво збільшити об'єм диска, залишивши його фізичні розміри незмінними, що зменшує собівартість кожного гігабайта. На цьому позитивні якості даної технології закінчуються. З кожним додатковим рівнем ускладнюється завдання розпізнавання рівня сигналу, не кажучи вже про зменшення ресурсу роботи SSD-диска, збільшується час пошуку адреси комірок, підвищується імовірність помилок. Контроль над помилками здійснюється апаратно, що у випадку технології MLC веде до подорожчання керуючої електроніки і відповідно збільшує кінцеву вартість SSD. Диски, котрі зараз масово зустрічаються на ринку, використовують технологію MLC з чотирирівневим методом запису. При цьому дані кодуються як (11), (10), (01), (00). Для SLC однорівнева комірка може приймати лише значення 0 або 1.

Різниця між комірками SLC і MLC у SSD дисків.

Різниця між комірками SLC і MLC у SSD дисків.

Рішення з комірками SLC при тих же розмірах і вартості явно програють MLC в об'ємі збереженої на них інформації, але при цьому є більш швидкими і довговічними. Тому виробникам доводиться використовувати більшу кількість мікросхем при меншому сумарному об'ємі диска, що в кінцевому підсумку підвищує вартість диска SLC більш ніж вдвічі у порівнянні з таким же по обсягу диском MLC.

Механізми запису і читання елементарної комірки NAND-пам'ять

Постараємося більш докладно описати роботу транзистора для NAND-пам'яті, яким є польовий транзистор з ізольованим затвором або MOSFET.

Польовий транзистор з ізольованим затвором або MOSFET

Польовий транзистор з ізольованим затвором або MOSFET

Головною особливість польового транзистора, яка дозволила його використання для зберігання інформації, стала можливість утримувати електричний заряд на «плаваючому» затворі до 10 років. Сам «плаваючий» затвор виконаний з полікристалічного кремнію і повністю оточений шаром діелектрика, що забезпечує йому повну відсутність електричного контакту з елементами транзистора. Він розташований між керуючим затвором і основою з p-n переходів. Керуючий електрод польового транзистора називається затвором. У цьому випадку провідність p-n переходу, що обумовлена електричним опором, залежить від різниці потенціалів, яка створює електричне поле, впливаючи на стан p-n переходів.

Не менш важливими елементами транзистора є також стік і джерело. Для зміни біта записуваної інформації в комірку, напругою на керуючому затворі створюється електричне поле і виникає тунельний ефект. Це дозволяє деяким електронам перейти через шар діелектрика на плаваючий затвор, забезпечивши його зарядом, а значить і наповнення елементарної комірки бітом інформації.

Програмування польового транзистора – запис даних.

Програмування польового транзистора – запис даних.

Накопичений заряд на плаваючому затворі впливає на провідність каналу стік-джерело, що використовується при читанні.

Механізм читання даних і стан зберігання інформації.

Механізм читання даних і стан зберігання інформації.

Така різниця механізму запису і читання явно позначається на різному енергоспоживанні цих режимів. NAND-пам'ять споживає досить великий струм при записі, а при читанні витрати енергії навпаки малі. Для стирання інформації на керуючий затвор подається висока негативна напруга, і електрони з плаваючого затвора переходять на джерело. Сучасний твердотільний накопичувач складається саме з таких елементарних клітинок, об'єднаних у сторінки, блоки та масиви.

Термін життя NAND-пам'яті

Головною особливістю NAND-пам'яті, що дозволяє її використання в SSD-дисках, стало її вміння зберігати дані без зовнішнього джерела енергії. Однак така технологія накладає обмеження на кількість змін логічного стану комірка, що приводить до кінцевої кількості циклів перезапису цієї комірки. Це пов’язано з поступовим руйнуванням діелектричного шару. Даний ефект наступає набагато швидше у клітинок MLC через їх малий резерв зміни заряду плаваючого затвору, отже через конструктивні особливості. Читання комірки теж впливає на термін її життя, але цей вплив набагато менш суттєвий, ніж при записі/стиранні, що дозволяє вважати цикли читання не обмеженими, а термін життя SSD-диска виміряється кількістю можливих циклів перезапису.

На всіх SSD- дисках є недосяжна для стандартних операцій запису/читання частина. Вона необхідна як резерв у випадку зношування клітинок, за аналогією з магнітними накопичувачами HDD, де є резерв для заміни bad-блоків. Додатковий резерв клітинок використовується динамічно, і в міру фізичного зношування основних клітинок надається резервна комірка на заміну.

Наведемо приблизну порівняльну таблицю основних характеристик, що відрізняють роботу SSD-дисків з технологією SLC і дисків з комірками MLC.

 

SLC

MLC

Читання сторінки, мкс

25

50

Стирання блоку, мс

2

2

Запис сторінки, мкс

250

900

Кількість циклів, разів

1 000 000

100 000

З таблиці бачимо всі переваги і недоліки цих технологій. У ній бачимо перевагу SLC рішень над MLC, але не зазначений головний критерій популярності SSD-дисків – їх ціна. Вказувати її немає сенсу через швидке здешевлення таких рішень. Скажемо лише, що MLC диски хоч і поступаються у всьому SLC, але вони більш ніж вдвічі виграють у вартості та можуть бути компактніші при тих же об'ємах збереження даних.

Структура SSD-диска: розмір комірки, сторінки, блоку NAND-пам'яті

Для більш ефективного використання елементарних клітинок пам'яті, вони були об'єднані в масиви з декілька рівневою структурою. Одна комірка, що зберігає один (для SLC) чи, як правило, два (для нинішнього покоління MLC) біта даних, об'єднана в групу названу сторінкою, що і вміщає 4 КБ даних.

Далі 128 сторінок об'єднані в блок об'ємом 512 КБ, а 1024 блоки дають масив, що представляє 512 МБ. Керування даними в одному масиві зазвичай здійснюється одним контролером.


Социальные комментарии Cackle
Пошук на сайті
Поштова розсилка
top10

ТОП-10 Матеріалів

  1. Огляд і тестування жорсткого диска WD Red (WD80EFZX) з об'ємом 8 ТБ: рішення для NAS-систем і RAID-масивів
  2. Огляд і тестування твердотільного накопичувача Kingston HyperX FURY SSD обсягом 240 ГБ
  3. Огляд і тестування SSD-накопичувача Kingston A400 (SA400S37/240G) з об’ємом 240 ГБ: для найбільш заощадливих
  4. Огляд і тестування SSD GOODRAM Iridium PRO (SSDPR-IRIPRO-240) об’ємом 240 ГБ
  5. Огляд і тестування жорсткого диска Western Digital Blue об’ємом 1 ТБ - WD10EZEX
  6. Огляд і тестування флеш-накопичувача ADATA Superior S107 об’ємом 16 ГБ інтерфейсом USB 3.0
  7. Огляд і тестування SSD-накопичувача GOODRAM CX100 обсягом 240 ГБ
  8. Огляд і тестування HDD Seagate BarraCuda Pro (ST10000DM0004) з об'ємом 10 ТБ: універсальне рішення
  9. Огляд і тестування гібридного накопичувача Seagate Desktop SSHD (ST2000DX001) об’ємом 2 ТБ
  10. Огляд і тестування зовнішнього накопичувача Transсend StoreJet 25M3 ємністю 1TB

vote

Голосування