अलविदा सर पढ़ना! या फ्लैश मेमोरी कैसे काम करती है

हाय गीकटाइम्स! हम अक्सर एसएसडी के लाभों के बारे में बात करते हैं, ठोस राज्य ड्राइव के बारे में मिथकों को मिटाते हैं , और हाल ही में हम उत्पादन में भी गए । लेकिन, वास्तव में, फ्लैश मेमोरी कैसे काम करती है? नंद के विभिन्न प्रकारों में क्या अंतर है? इन मुद्दों को समझने की इच्छा रखने वाले सभी लोगों का बिल्ली के लिए स्वागत है।

अतीत में देखो

इससे पहले कि हम अपनी बातचीत शुरू करें, आइए संक्षेप में हार्ड ड्राइव को याद करते हैं। जैसा कि आप जानते हैं, बाद के स्टोर की जानकारी कई चुंबकीय प्लेटों पर होती है, जिन्हें लोकप्रिय रूप से प्लैटर कहा जाता है। सरलीकृत रूप में, रीड हेड्स वाला एक एक्ट्यूएटर जानकारी प्राप्त करता है, और पढ़ने / लिखने की प्रक्रिया को पूरा करने के लिए, डिस्क हर समय घूमता रहता है। यह शायद ही लंबे समय तक यहां रहने के लिए समझ में आता है, लेकिन बिंदु को पकड़ना महत्वपूर्ण है।

चूंकि डेटा को पढ़ने या लिखने के लिए डिस्क हेड्स के ब्लॉक को एक निश्चित क्षेत्र (ट्रैक) के साथ मेल खाना चाहिए, और डिस्क लगातार घूमती है, इससे कुछ समय लगता है इससे पहले कि वे जानकारी तक पहुंच सकें और वांछित क्षेत्र सिर के नीचे होगा, खासकर अगर अनुरोध अराजक हैं। यद्यपि एचडीडी की देरी को मिलीसेकंड में मापा जाता है, यह सीपीयू प्रतीक्षा करने के लिए पर्याप्त है, जिसमें से देरी को नैनोसेकंड में मापा जाता है। एक मिलीसेकंड में, एक मिलियन नैनोसेकंड, और औसतन, हार्ड ड्राइव को जानकारी खोजने और उसे पढ़ने के लिए 10 से 15 मिलीसेकंड की आवश्यकता होती है। हां, अब ऐसे समाधान हैं जिनकी रोटेशन की गति प्रति मिनट 15 हजार क्रांतियों तक पहुंचती है, लेकिन यहां तक ​​कि सबसे तेज एचडीडी भी उतना तेज नहीं होगा जितना हम चाहते हैं।

सिद्धांत की बिट

शायद आप और मैं "बहुत" तेजी से एचडीडी के साथ संतुष्ट होंगे (जैसा कि हेनरी फोर्ड ने कहा: "अगर मैंने लोगों से पूछा कि वे क्या चाहते हैं, तो वे मुझे तेज घोड़े बनाने के लिए कहेंगे"), लेकिन निर्माताओं को ड्राइव करें, जिनमें से तुम्हारा है विनम्र सेवक, लाभ अभी भी खड़ा नहीं है । SSD (सॉलिड-स्टेट ड्राइव या सॉलिड-स्टेट ड्राइव) दिखाई दिया, जहाँ जानकारी को घुमाने वाले डिस्क पर नहीं, बल्कि NAND फ़्लैश मेमोरी का उपयोग करके स्टोर किया जाता है। हम इस पर विस्तार से ध्यान देंगे।

NAND के मामले में, सूचना को मेमोरी कोशिकाओं की एक सरणी में संग्रहीत किया जाता है - ये एक अस्थायी गेट (फ्लोटिंग गेट) के साथ ट्रांजिस्टर हैं। वोल्टेज की दिशा के आधार पर, इलेक्ट्रॉन नियंत्रण गेट और नंद चैनल के बीच चलते हैं।

जैसे ही वोल्टेज नियंत्रण गेट पर लागू होता है, इलेक्ट्रॉनों को ऊपर की ओर आकर्षित होना शुरू हो जाता है - परिणामस्वरूप विद्युत क्षेत्र उन्हें ऑक्साइड से बने एक बाधा पर काबू पाने में, अस्थायी गेट तक पहुंचने में मदद करता है। उत्तरार्द्ध एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करता है, क्योंकि यह इसके लिए धन्यवाद है कि इलेक्ट्रॉन फ्लोटिंग गेट से आगे नहीं बढ़ते हैं। इस तरह सेल प्रोग्रामिंग होती है।

सेल को मिटाने की प्रक्रिया ठीक इसके विपरीत दिखती है - वोल्टेज को चैनल पर लागू किया जाता है, इलेक्ट्रॉन फ्लोटिंग गेट से ऑक्साइड के माध्यम से वापस कंट्रोल गेट के ग्राउंडिंग के माध्यम से चलते हैं।

एकल ट्रांजिस्टर वाला एक सेल निम्नानुसार संचालित होता है। फ्लोटिंग गेट पर आवेश की उपस्थिति या अनुपस्थिति के आधार पर, ट्रांजिस्टर की स्थिति निर्धारित की जाती है कि यह खुला है या बंद है। जब मेमोरी सेल के आरंभीकरण के रूप में नियंत्रण द्वार पर वोल्टेज की आपूर्ति पर विचार करते हैं, तो कोई स्रोत और नाली के बीच वोल्टेज द्वारा फ्लोटिंग गेट पर चार्ज की उपस्थिति या अनुपस्थिति का न्याय कर सकता है। यदि आप एक फ्लोटिंग गेट पर एक इलेक्ट्रॉन रखते हैं और वोल्टेज को कंट्रोल गेट पर लागू करते हैं, तो ट्रांजिस्टर बंद हो जाएगा। हमें एक मेमोरी सेल मिलती है जो एक बिट को स्टोर कर सकती है। गर्म इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन विधि का उपयोग करते समय, वोल्टेज नाली और नियंत्रण द्वार पर लागू होता है, जो अवरोध के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की आवाजाही की ओर जाता है।

दो ट्रांजिस्टर के साथ एक सेल एक एकल ट्रांजिस्टर का एक संशोधन है। इस मामले में, ट्रांजिस्टर (सामान्य) फ्लोटिंग गेट ट्रांजिस्टर से बिट लाइन को अलग करता है।

चार्ज को फ्लोटिंग गेट से नेगेटिव वोल्टेज को कंट्रोल गेट (सोर्स पर पॉजिटिव वोल्टेज) लगाकर हटा दिया जाता है। नतीजतन, हमारे पास फाउलर - नॉर्डहाइम टनलिंग है: फ्लोटिंग गेट के स्रोत से इलेक्ट्रॉन चाल (सुरंग)।

फिर से साइकिल चलाना। नए इलेक्ट्रॉनों के साथ एक नया सेल प्रोग्रामिंग करने से पहले, आपको पहले पुराने को साफ़ करना होगा। व्यवहार में, अधिकांश उपयोगकर्ताओं को पुनर्लेखन चक्रों की संख्या पर ध्यान देने की आवश्यकता नहीं है, क्योंकि एसएसडी संसाधन किसी भी दर्ज डेटा के लिए आसानी से पर्याप्त है। सच है, कष्टप्रद अपवाद हैं, लेकिन ऐसा क्यों हैनिर्माता से वारंटी ।

SSDs में, फ़्लैश मेमोरी में ब्लॉक होते हैं, जबकि बाद में पेज होते हैं। इन पृष्ठों पर जानकारी लिखी जाती है, और डेटा अपडेट करने के लिए, यह केवल अप्रासंगिक पृष्ठों को फिर से लिखने के लिए पर्याप्त नहीं है। इसलिए पहले डेटा को पुराने पृष्ठों से नए में ले जाया जाता है, फिर दूसरे ब्लॉक में भेजा जाता है, और उसके बाद ही अप्रासंगिक डेटा वाले ब्लॉक को मिटा दिया जाता है। जैसे ही ब्लॉक मिटा दिया जाता है, यह नया डेटा लिखने के लिए स्वतंत्र होगा। इस तरह की एक मुश्किल प्रक्रिया - दृश्य प्रारूप में, यह बहुत अधिक समझ में आता है।

जाहिर है, चलती डिस्क की अनुपस्थिति (और वास्तव में चलती भागों) हार्ड डिस्क पर एसएसडी के मुख्य लाभों में से एक है, और यही वह है जो एसएसडी को एचडीडी से काफी अधिक गति से संचालित करने की अनुमति देता है। स्पष्टता के लिए, यहां विभिन्न प्रकार के नंद और एचडीडी के विलंब समय पर एक सारांश तालिका है।

एसएलसी, एमएलसी, टीएलसी केवल संक्षिप्त नहीं हैं, वे प्रत्येक सेल में बिट्स की संख्या को इंगित करते हैं। एसएलसी (सिंगल) के लिए, यह एक बिट है, एमएलसी (मल्टी) के लिए, दो बिट्स के लिए, क्रमशः टीएलसी (ट्रिपल) के लिए, तीन बिट्स के लिए। इसके कारण, एमएलसी एसएलसी के रूप में दो बार अधिक जानकारी संग्रहीत करता है, और इस तथ्य के बावजूद कि कोशिकाओं की संख्या समान है। सामान्य तौर पर, इन प्रकार के नंद के लिए ऑपरेशन का सिद्धांत एक ही है, जिसे धीरज के बारे में नहीं कहा जा सकता है।

समय के साथ, कोशिकाओं की भौतिक संरचना इलेक्ट्रॉन गतिविधि के कारण ऑक्साइड परत में कमी के कारण पहनने के अधीन हो सकती है। नतीजतन, इलेक्ट्रॉन एक नकारात्मक चार्ज जमा करते हैं और अटक जाते हैं, एक उच्च वोल्टेज लगाया जाता है, और ऑक्साइड परत फिर से घट जाती है। ऐसा शातिर घेरा निकला।

एसएलसी, एमएलसी और टीएलसी धीरज में भिन्न हैं। यदि, उदाहरण के लिए, हम 16 Gbit के घनत्व के साथ एक NAND क्रिस्टल लेते हैं, तो हमें इस तथ्य के बावजूद 16 Gbit SLC मिलता है कि प्रत्येक सेल में एक बिट है। तदनुसार, MLC के लिए यह 32 Gbps होगा, और TLC के लिए - 48 Gbps। सच है, बाद के मामले में, नंद क्रिस्टल को अभी भी काटा जाना है, परिणामस्वरूप, 32 Gbit के बराबर एमएलसी के लिए प्राप्त किया जाता है। आपको क्या लगता है कि वोल्टेज में सबसे बड़े बदलावों का सामना करने में सक्षम कौन है?

दो स्तरों (0.1) के साथ, एसएलसी में इस पैरामीटर के लिए सबसे अच्छा संकेतक है - इस प्रकार का नंद वोल्टेज के उतार-चढ़ाव की एक विस्तृत श्रृंखला को रोकता है। बढ़ते स्तर के साथ, यह सीमा कम हो जाती है, इसलिए, अपने 8 स्तरों वाले टीएलसी और एक सेल में 3 बिट्स में सबसे छोटी संख्या पुनर्लेखन चक्र होती है।

चूँकि चिप की कमी की समस्या लंबे समय से एक समस्या है, 3 डी नंद आधुनिक प्लानर नंद फ्लैश मेमोरी की जगह ले रहा है। सेल में डेटा लिखते समय उच्च वोल्टेज की आवश्यकता के अभाव के कारण इसे पहनने के लिए अतिसंवेदनशील है। निर्माता इस क्षेत्र को सक्रिय रूप से विकसित कर रहे हैं और अपने स्वयं के प्रौद्योगिकी नाम (सैमसंग के लिए - 3 डी वी-नंद, तोशिबा के लिए - बीसीएस 3 डी नंद और इसी तरह) देते हैं। मुद्दा यह है कि इस मामले में हमें नियंत्रण शटर की भूमिका में एक शीर्ष परत वाला एक सिलेंडर मिलता है, जबकि आंतरिक परत एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करता है। सेल स्वयं एक दूसरे के नीचे स्थित होते हैं, एक स्टैक बनाते हैं। नियंत्रण तर्क मेमोरी सरणी के तहत स्थित है, चिप क्षेत्र को मुक्त किया गया है, जहां वे बाद में मेमोरी सेल के "होम" को ढूंढते हैं।

थोड़ा सा अभ्यास

हम उपरोक्त सभी को अपने दम पर नहीं देख सकते (कम से कम विशेष उपकरणों के बिना)। और यहाँ यह कैसे मुद्रित सर्किट बोर्डों के निर्माण के बाद दिखता है, सोल्डरिंग, स्थापित चिप्स और माइक्रोकिरेट्स:

OCZ ट्रिओन 150

यहां हम फ्लैश मेमोरी और बफर माइक्रोक्रेसीट्स और एक नियंत्रक को ध्यान से देखते हैं जो थर्मल रबर बैंड के साथ कवर किया गया है। हां, यहां विषय एसएसडी डिवाइस के बारे में नहीं है, बल्कि फ्लैश मेमोरी का काम है, लेकिन नियंत्रक के बिना कहीं नहीं है। और यहाँ क्यों है।

नियंत्रक फ्लैश मेमोरी कोशिकाओं में रिकॉर्ड वितरित करता है, मेमोरी और टीआरआईएम कोशिकाओं से पढ़ता है (इस पर बाद में) - सामान्य तौर पर, वाक्यांश "हमारे पास कोई अपूरणीय नहीं है" उसके बारे में नहीं है। यह वह है जो डेटा ट्रांसफर को नियंत्रित करता है, SATA और PCIe दोनों पर, कम पहनने के लिए NAND पर जानकारी वितरित करता है। फर्मवेयर की मदद के बिना, निश्चित रूप से, यहां कोई भी नहीं कर सकता है।

नियंत्रक को समानांतर में फ्लैश मेमोरी से जोड़ा जाता है और, जैसा कि आप देख सकते हैं, मुख्य भूमिकाओं में से एक करता है। ट्रायन 150, उदाहरण के लिए, तोशिबा नियंत्रक का उपयोग करता है, जबकि वर्टेक्स 460 ए 0 में पहले से ही सीपीसीजेड से बेयरफुट 3 एम 10 है।

अरे हाँ, मैं कैश के बारे में लगभग भूल गया था। यह एक विश्वसनीय नियंत्रक साथी है: जैसे ही फ़ाइल को SSD में बदलने की आज्ञा दी जाती है, ब्लॉक पहले कैश मेमोरी में हो जाता है, जहाँ परिवर्तन होता है। इस समय, NAND में अप्रासंगिक डेटा हटा दिया जाता है, और नियंत्रक यह पता लगाता है कि बफर में रखी गई जानकारी को कहां रखा जाए। मुख्य सिद्धांत कम से कम पहनने के साथ एक सेल चुनना है, जो कि नियंत्रक करता है, उसकी आज्ञा के बाद, परिवर्तित डेटा को एक नए "घर" में भेजा जाता है।

अब ज्यादातर SSD, OCZ के लोग भी TRIM का समर्थन करते हैं, एक विशेष तकनीक जो अप्रासंगिक डेटा को नोट करती है। इस मामले में, अन्य मेमोरी ब्लॉकों में अनावश्यक जानकारी दर्ज नहीं की जाती है, जो न केवल पुनर्लेखन चक्रों की संख्या को प्रभावित करती है, बल्कि रिकॉर्डिंग गति को भी प्रभावित करती है।

दर्शन का क्षण

जाहिर है, पारंपरिक हार्ड ड्राइव की तुलना में, नंद एक वास्तविक सफलता है, लेकिन इसकी अपनी समस्याएं और नुकसान भी हैं। हां, NAND में भंडारण क्षमता के मामले में काफी संभावनाएं हैं, लेकिन प्रति गीगाबाइट की कीमत वांछित होने के लिए बहुत अधिक है। यह संभावना नहीं है कि निकट भविष्य में यह पैरामीटर हार्ड ड्राइव को "पकड़ने" में सक्षम होगा।

एसएलसी कैश और तेजी से डेटा मानकों के उपयोग के माध्यम से, एसएसडी और भी अधिक उत्पादक बन गए हैं, अच्छी बैंडविड्थ है। फिर भी, लंबे समय में, यह माना जाता है कि नंद की जगह कुछ और आएगा। और वास्तव में, 3 डी नंद - पहला "घंटी", जो यह इंगित करता है।

अब नंद निश्चित रूप से घोड़े पर है - वे कहते हैं कि पहाड़ी का सच्चा राजा। और वह कम से कम अगले 4-5 वर्षों तक इस राजा के रूप में रहेगा।

Source: https://habr.com/ru/post/hi392891/