Современным миром правит информация! С каждой секундой наш мир создаёт всё больше и больше данных! Необходимость хранить множество мультимедиа, растущие требования к скорости передачи информации, приводит к совершенствованию технологий создания носителей информации, а следовательно, и к совершенствованию самих носителей.
Трудно себе представить, что в основе любого электронного устройства хранения информации лежит совместная работа миллиардов транзисторов!!! (предлагаю ознакомиться со статьёй "Простыми словами о транзисторах в процессорах и памяти")
Кстати:
Название "Флешка" или "Flash" досталось нам от разработчиков этого устройства - в момент его создания разработчики были удивлены быстротой стирания информации (flash ≈ молниеносный). Кроме этого, в первых поколениях флешек использовались особенные транзисторы, в которых данные стирались световыми электромагнитными волнами - вспышками света (слово "flash"переводится с английского как "вспышка"); сейчас такие транзисторы не используются, но название за носителями данных укрепилось.
Итак, давайте снова поговорим о транзисторах, но об особой категории - "транзистор с плавающим затвором". Куда этот затвор плавает узнаем совсем скоро!
Технологии NOR и NAND
Существует 2 технологии памяти: NOR и NAND. Отличаются они друг от друг от друга, по сути соединением транзисторов друг с другом.
Память NAND имеет более высокую плотность компоновки (по сравнению с NOR), поэтому NAND используется во всех современных мобильных устройствах (смартфонах, планшетах), в MicroSD картах, флешках, SSD-накопителях и т.д.
Память NOR нашла применение в умной встраиваемой технике, где не требуется хранить большой объём данных, но нужна простота доступа к этим данным.
Транзисторы с плавающим затвором
Итак, долговременное хранение информации и в технологии NOR, и в технологии NAND до 2010 года осуществлялось за счёт транзисторов с плавающим затвором. В транзисторах с плавающим затвором стирание данных производится электрически (а не светом, как в первых транзисторах для флеш-памяти).
Вот так (в огромном увеличении) примерно выглядит транзистор с плавающим затвором:
У транзистора с плавающим затвором дополнительно к основным частям транзистора, имеются плавающий и управляющий затворы:
Плавающий затвор - электрически изолированная часть транзистора, хранящая двоичные данные (электрический заряд, или отсутствие заряда). Именно в плавающих затворах хранятся все наши данные!
Управляющий затвор - электрически соединён с металлическим контактом затвора транзистора. Управляющий затвор управляет поведением плавающего затвора, позволяя записать на него данные, или удалить их.
Работа транзистора с плавающим затвором
Как уже было сказано, в транзисторе с плавающим затвором электрический заряд сохраняется на изолированном плавающем затворе после отключения электричества.
Работает такой транзистор следующим образом. Допустим, мы хотим записать логическую "1". Для этого делаем следующее:
- На исток и управляющий затвор транзистора подаём напряжения, из-за чего электрический ток потечёт от истока к стоку.
- Часть электронов с управляющего затвора проскочит через диэлектрик и останется на изолированном плавающем затворе.
- Накопленные на плавающем затворе электроны создадут электрическое поле, которое запрёт транзистор.
- После отключения электричества заряд на плавающем затворе останется, то есть в нём останется записанная логическая "1".
Как же компьютер считает данные? Он подаст напряжения на исток и управляющий затвор (на управляющий затвор подаст меньшее напряжение, которое не позволит электронам проникать через изоляцию в плавающий затвор). и будет ожидать напряжения на стоке транзистора. Если на стоке 0 вольт (из-за электрического поля плавающего затвора), значит в транзистор записана логическая "1".
Чтобы "стереть" данные с транзистора на управляющий затвор подают заряд противоположного знака, который притягивает к себе все электроны плавающего затвора, "освобождая" его.
Плавающий затвор может хранить больше данных!
Плавающий затвор способен хранить не только 2 комбинации - логические "0" и "1". Число комбинаций будет определяется количеством возможных значений величин хранимых на плавающем затворе зарядов:
- Однобитные ячейки SLC (Single-Level Cell) используют всего 2 комбинации - заряд есть (логическая "1") или заряда нет (логический "0"), то есть одна ячейка хранит всего 1 бит данных. Однобитные ячейки выдерживают больше всего циклов перезаписи, поэтому устройства с однобитными ячейками - самые дорогие на рынке.
- Многобитные ячейки - DLC, TLC, QLC, MLC (соответственно, Double/Triple/Quad/Multi-Layer Cell) будут хранить больше 1 бита информации в одной ячейке. Реализуется эта возможность за счёт хранения всех возможных двоичных комбинаций. Например, двухбитная ячейка (DLC) будет находиться в одном из 4 двоичных состояний - "00", "01", "10" и "11". Для этого потребуется 4 величины заряда, который будет записан в ячейку. Многобитные ячейки хранят больше данных, но менее живучие, чем SLC, поэтому выдерживают меньше циклов перезаписи.
Новый виток развития - новый тип транзисторов: CTF
Объём устройств с постоянной памяти постоянно растёт, поэтому производители снижали техпроцесс производства (то есть, размеры транзисторов). Из-за появившихся сложностей дальнейшего уменьшения техпроцесса (а также из-за проблемы утечки зарядов с плавающих затворов очень малых размеров), примерно в 2008-2010 годах (техпроцесс около 20 нм) большинство производителей постоянной памяти перешло с плавающих затворов на другую технологию - транзисторы CTF.
Например, компания Samsung решила выпускать "трёхмерные" ячейки, представив технологию 3D NAND. В этой технологии используются особенные транзисторы CTF (Charge Trap Flash - память с "ловушкой" для зарядов).
Транзисторы CTF (в отличие от транзисторов с плавающим затвором) используют для хранения электронов плёнку нитрида кремния Si₃N₄, а не легированный кремний. Логические "0" и "1" хранятся теперь не в плавающем затворе, а в "ловушке" из нитрида кремния.
Трёхмерные ячейки памяти от Samsumg представляют собой многослойные цилиндры (например, 32 слоя), состоящие из слоя управляющего затвора (внешний слой), изоляции (нитрид кремния), канала и поликристаллического кремния:
Принцип действия транзисторов CTF схож с принципом действия транзисторов с плавающим затвором, за исключением того, что теперь заряд (двоичные данные) хранится в слое изоляции ячейки памяти.
Естественно, не одним самсунгом планета живёт - другие производители вслед за самсунгом начали выпускать похожие "трёхмерные" решения.
Современный рынок ёмких SSD-дисков и флешек - это именно многослойные устройства.
Любая электронная полупроводниковая память берёт своё начало с кремния! Почитайте на досуге статью про то, Почему кремниевая пластина круглая, а микросхемы на ней делают квадратыми.
В статье "Магия полупроводникового кремния" я постарался простыми словами рассказать о том, как получают p-n переходы в транзисторах.
Заметка "TSMC: компания, к которой стоят в очереди AMD и Intel" расскажет Вам о тайваньском производителе полупроводниковых микросхем, компании, у которой заказывают производство микропроцессоров и AMD, и Apple.
Что же общего у флешки и SSD-диска?
И флешки, и SSD диски изготавливаются с использованием одинаковых технологий - каждое устройство содержит в себе миллиарды транзисторов, хранящих данные. Отличаются лишь контроллеры, осуществляющие доступ к этим данным, и разъёмы подключения.
Да, SSD-диски развивают очень большие скорости, поскольку напрямую подключаются к шине PCIe (к CPU или чипсету). Зато флешки более компактны и их можно подключить в любой компьютер (спасибо USB за это).
Технологии не стоят на месте, и лет через 20 мы с удивлением будем смотреть на USB флешки (и SSD тоже), думая про себя об устаревшей, некогда популярной технологии!
#nand #nor #транзисторы #память #mosfet #ctf #samsung
