| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Flash память в сетевом оборудовании
СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений и условных обозначений ……………………………....... 3
Введение ………………………………………………………………………..... 4
1) История и принцип работы Flash памяти …………………………………... 5
2) Flash память и какой она бывает ……………………………………………. 9
3) Storage Class Memory (SCM) – будущее твердотельных накопителей ….. 16
4) 3D Xpoint …………………………………………………………………….. 21
Заключение ……………………………………………………………………... 23
Список используемых источников……………………………………………. 24
Приложение 1. Оценки внешних источников ………………………………... 25
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Flash – разновидность полупроводниковой технологии электрически программируемой памяти.
DRAM – dynamic random access memory – тип компьютерной памяти, отличающийся использованием полупроводниковых материалов, энергозависимостью.
NAND – вид конструкции flash памяти
SCM – Storage Class Memory – перспективный класс технологий, предлагающий повышенную производительность, меньшую стоимость и большую энергоэффективность, чем современные устройства, использующие Flash память.
FeRam – ferroelectric random access memory – оперативная память, использующая сегнетоэлектрики
MRAM - magnetoresistive random access memory – устройство памяти, с произвольным доступом на основе спиновых вентилей
CMOx – Conductive Metal Oxide
ISO – Международная организация по стандартизации
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире flash технологии чаще всего ассоциируются с устройствами хранения памяти, которые мы используем для хранения информации в фотоаппаратах, камерах, смартфонах или для передачи информации с одного компьютера на другой. Flash память завоевала эту нишу благодаря своей дешевизне, компактности, механической прочности, большим объёма памяти, низкому энергопотреблению. С развитием беспроводных сетей значение Flash памяти для хранения информации становится всё меньше. Теперь информацию можно передавать через сеть internet без использования flash носителей.
При этом спрос на DRAM и NAND памяти продолжает расти. С чем же это связано? Объединение DRAM с конденсатором и флеш-памятью приводит к созданию высоконадёжной серверной памяти, выдерживающей отказы питания.
(Фирма Intel уже начали выпуск модулей памяти с технологией 3D XPoint под названием Optane.)
Flash-память NAND в ближайшее время сможет занять своё место в иерархии памяти компьютера, как промежуточная память между уже существующими DRAM и HDD. Эта твердотельная память, скорее всего будет использована в центрах обработки данных, где наблюдается рост объёмов транзакций, облачных вычислений и аналитики больших данных.
ИСТОРИЯ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ FLASH
Основы флэш-памяти были заложены в середине 20го века, когда в подразделении Arma корпорации American Bosh Arma, учёный-баллистик Вэн Цинг Чоу (Wen Tsing Chow) работал над задачей улучшения блоков памяти координат бортового компьютера для ракет Атлас, стоявших на вооружении американского аналога РВСН. Позже технология была рассекречена, и технология PROM получила широкое распространение.
Память представляет собой пересечение двух массивов проводников, образующих координатную сетку. В узлах этой сетки проводники замкнуты специальной перемычкой. Когда нужно определить значение в ячейке, достаточно проходит ли ток через пересечение нужных проводников. Таким образом получались микросхемы с возможностью одноразовой записи.
Следующий шаг был сделан компанией Intel. Исследуя дефекты микросхем, в которых затворы транзисторов оказались разрушенными, Довом Фроманом был изобретён новый тип памяти EPROM. Каждая ячейка такой памяти представляет собой полевой транзистор с двумя затворами: первый управляющий, второй – плавающий, который не имеет связи с другими элементами схемы. Для запоминания данных нужно выбрать нужные ячейки и подать на них более высокое напряжение, что позволит электронам аккумулироваться на затворе. После того как напряжение снимается, электроны оказываются «заперты» на затворе, сохраняя информацию надолго. Для стирания данных использовались мощные ультрафиолетовые лампы.
$IMAGE1$
Рис.1 – микросхема EPROM с характерным окошком из кварцевого стекла.
В 1978 году, инженер компании Intel Джордж Перлегос представил микросхему Intel 2816, схожую по технологии с EPROM, но за счет более тонкого слоя изоляции, микросхема могла стирать свое содержимое без использования ультрафиолетового облучения. Это стало началом технологии ЭСППЗУ или по-английски EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Главными недостатками микросхем, выполненных по данной технологии являются ограниченное количество циклов записи (хотя современные чипы довели это количество где-то до миллиона) и самопроизвольное стирание данных.
В микросхемах ЭСППЗУ для стирания нужно было создать электрическое поле большой напряженности в достаточно тонком слое диэлектрика, это привело к невозможности создания микросхем перезаписываемой памяти с высокой степенью компоновки. Проблема была решена инженером компании Toshiba Фудзио Масуокой, название его открытию дал его коллега Сёдзи Ариидзуми, которому процесс стирания напомнил фотовспышку. Как не сложно догадаться, назвали они эти микросхемы flash-memory (флэш-память). Изобретение было представлено публике в 1984 году, а в 1988 — компания Intel представала коммерческие чипы памяти, построенные на принципе NOR-флеш, а в 1989 году компанией Toshiba была анонсирована NAND память.
В качестве элементов памяти, во флэш используются все те же полевые транзисторы с плавающим затвором, при этом для стирания и записи используется повышение напряжения, вызывающее уже знакомый нам эффект туннелирования. Главное отличие микросхем flash состоит в том, что чтение, запись и стирание осуществляются большими блоками, при этом блок записи по размерам не меньше блока чтения, а блок стирания — всегда больше чем блок записи. Этим обусловлена необходимость объединять ячейки памяти в иерархическую структуру, обычно: блоки — сектора — страницы.
NOR использует классическую матрицу строк и столбцов, в пересечении которых находятся ячейки, NAND — трехмерный массив. В этом случае можно сильно увеличить площадь компоновки, но за это придется «платить» усложнением алгоритмов доступа к ячейкам. Отличаются и скорости доступа, так, например, для NOR скорость чтения составляет десятки наносекунд, для NAND — десятки микросекунд.
Основная область применения NOR — микросхемы небольшого объема, но с повышенными требованиями к надежности хранение: микросхемы начальной загрузки компьютеров, встраиваемая память однокристальных контроллеров и т.п. NAND — это традиционные хранилища данных максимального объема: карты памяти, SSD диски и так далее. В случаях использования NAND обычно применяется избыточность хранения данных и контрольные суммы для защиты от сбоев.
Рис.2 Электрические схемы NOR и NAND элементов
Современные флэш-накопители не возможны без использования сервисных микросхем, управляющих хранением данных на чипах NAND. Эти микросхемы получили название FSP (Flash Storage Processor) или процессоры, управляющие хранением на флэш-памяти.
Рис.3 Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти.
FLASH - ПАМЯТЬ И КАКОЙ ОНА БЫВАЕТ
Флэш-память энергонезависима и ей не нужно электричество для хранения данных. Всю хранящуюся информацию во флэш-памяти можно считать бесконечное количество раз, а вот количество полных циклов записи ограничено.
Таблица 1 – преимущества и недостатки типов ПЗУ
Во флэш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC.
Рис.4 Отображение бит информации через величину заряда
• Флэш-память с MLC (Multi-level cell — многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).
• Флэш-память, которая содержит в себе SLC (Single-level cell — одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа.
Изменение заряда (запись/стирание) выполняется приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.
ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ С ОДНИМ ТРАНЗИСТОРОМ
Если на управляющий затвор подать положительное напряжения (инициализация ячейки памяти) то он будет находиться в открытом состоянии, что будет соответствовать логическому нулю.
А если на плавающий затвор поместить избыточный отрицательный заряд (электрон) и подать положительное напряжение на управляющий затвор, то он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не даст образовываться каналу проводимости, а значит транзистор будет находиться в закрытом состоянии.
Рис. 5 Чтение из ячейки памяти на основе полевого транзистора с плавающим затвором.
Поместить заряд на плавающий затвор (процесс записи) можно методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons) или методом туннелирования Фаулера-Нордхейма.
ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ С ДВУМЯ ТРАНЗИСТОРАМИ
Двухтранзисторная ячейка памяти, это модифицированная однотранзисторная ячейка, в которой находится обычный КМОП-транзистор и транзистор с плавающим затвором. В этой структуре обычный транзистор выполняет роль изолятора транзистора с плавающим затвором от битовой линии.
Рис.6 Структура двухтранзисторной ячейки памяти
Имеет ли преимущества двухтранзисторная ячейка памяти? Да, ведь с ее помощью можно создавать более компактные и хорошо масштабируемые микросхемы памяти, потому что здесь транзистор с плавающим затвором изолируется от битовой линии. Ко всему прочему, в отличии от однотранзисторной ячейки памяти, где информация записывается методом инжекции горячих электронов, в двухтранзисторной ячейки памяти для записи и стирания информации используется метод квантового туннелирования Фаулера — Нордхейма. Такой подход дает возможность снизить напряжение, которое необходимо для операции записи.
УСТРОЙСТВО ФЛЭШ-ПАМЯТИ С АРХИТЕКТУРОЙ NOR
Чтобы получить доступ к содержимому ячейки памяти (инициализировать ячейку), нужно подать напряжение на управляющий затвор. Поэтому все управляющие затворы подсоединены к линии управления, которая называется линией слов (Word Line). Анализ информации ячейки памяти выполняется по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому все стоки транзисторов подсоединены к линии, которая называется линией битов (Bit Line).
Рис. 7 Архитектура NOR
В этой архитектуре хорошо организован произвольный доступ к памяти, но процесс записи и стирания данных выполняется относительно медленно. В процессе записи и стирания применяется метод инжекции горячих электронов. Ко всему прочему микросхема флеш-памяти с архитектурой NOR и размер ее ячейки получается большим, поэтому эта память плохо масштабируется.
УСТРОЙСТВО ФЛЭШ-ПАМЯТИ С АРХИТЕКТУРОЙ NAND
Эти микросхемы благодаря своей архитектуре применяют в маленьких накопителях, которые получили имя NAND (логическая операция И-НЕ). При выполнении операция NAND дает значение нуль только, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех других случаях. Нулевое значение - это открытое состояние транзистора. В следствии этого в архитектуре NAND подразумевается, что битовая линия имеет нулевое значение в том случае, когда все подключенные к ней транзисторы открыты, и значение один, когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно построить, если подсоединить транзисторы с битовой линией не по одному (так построено в архитектуре NOR), а последовательными сериями (столбец из последовательно включенных ячеек).
Рис.8 архитектура NAND
Данная архитектура по сравнению с NOR хорошо масштабируется потому, что разрешает компактно разместить транзисторы на схеме. Кроме этого архитектура NAND производит запись путем туннелирования Фаулера — Нордхейма, а это разрешает реализовать быструю запись нежели в структуре NOR. Чтобы увеличить скорость чтения, в микросхемы NAND встраивают внутренний кэш. Как и кластеры жесткого диска так и ячейки NAND группируются в небольшие блоки. По этой причине при последовательном чтении или записи преимущество в скорости будет у NAND. Но с другой стороны NAND сильно проигрывает в операции с произвольным доступом и не имеет возможности работать на прямую с байтами информации. В ситуации, когда нужно изменить всего несколько бит, система вынуждена переписывать весь блок, а это если учитывать ограниченное число циклов записи, ведет к большому износу ячеек памяти.
STORAGE CLASS MEMORY
SCM –будущее flash технологии, на данный момент в разработке находится 9 перспективных направлений которые могут заменить NAND flash. Потенциально эта технология уже в 2020 году может стать массовой за счёт более высокой производительности и меньшей цены на бит памяти.
Рис.9 эволюция вычислительных систем
Помимо этого, считывание в SCM происходит быстро (примерно как в DRAM), при этом память энергонезависима, а отсутствие подвижных частей делает её идеальным кандидатом для хранения информации.
К классу SCM предъявляют несколько требований:
• Цена за гигабайт информации должна быть не более чем в 3-5 раз больше, чем у HDD.
• Время считывания, записи информации должно быть меньше 200нс.
• За секунду должно выполняться больше 100,000 операций считывания и записи.
• Память должна выдерживать 10^9 циклов записи.
• Энергопотребление должно быть в 10 раз меньше, чем у HDD.
На сегодняшний день существует несколько перспективных технологий:
• Improved Flash (улучшенная технология флэш-памяти)
Улучшение Flash технологии достигается за счёт использования новых металлов и диэлектриков (high-k), которые улучшат характеристики уже существующих архитектур флэш памяти. К плюсам этой технологии относят то, что её масштабируемость будет обеспечена вплоть до норм 22нм.
• FeRAM (ферроэлектрическая RAM)
Используется ферроэлектрический конденсатор, представляющий из себя специальный сплав, заключённый между двумя металлическими электродами.
Этот тип памяти использовался в 90х годах, обладает высокой скоростью считывания и записи (меньше 20 нс.), низким энергопотреблением и низким напряжением питания. Главная проблема состоит в том, что ячейки плохо поддаются масштабированию.
• MRAM (магнитная RAM)
Магнитная RAM обладает превосходной скоростью записи, её удобно размещать в СБИС. Также она имеет практически бесконечный ресурс по записи, но большие токи, используемые при записи, затрудняют её масштабирование.
Одним из возможных решений этой проблемы может стать технология racetrack, дословно – беговая дорожка. Информация хранится с помощью магнитных доменов в длинном нанопроводе, из-за которого технология и получила своё название.
• RRAM (Резистивная RAM).
Используются материалы с изменяющимся омическим сопротивлением, в зависимости от приложенного напряжения.
Отличается высокой скоростью записи (меньше 50 нс.) и низким потребляемым током (около 10 мА). Но также существует ряд проблем: ограниченное количество циклов записи (около 600), плохое удержание информации (около 8 месяцев). Следующий этап развития RRAM – это мемристоры, в которых сопротивление зависит как от приложенного напряжения, так и от его направления.
• CMOx (память, с использованием токопроводящих оксидов металлов)
Память основана на перемещении ионного заряда в оксиде металлов, не имеет транзисторов в конструкции ячейки памяти. Не имеет токов утечки, может быть многослойной, при этом площадь одной ячейки памяти около 0,5 фМ^2. Также этот тип памяти в 10 раз быстрее NAND Flash. Но на момент 2011 года удалось создать работающий прототип только на 64 Гб.
• Solid Electrolyte (память с использованием твердотельных электролитов)
Принцип работы основан на формирование высокого сопротивления с помощью металлической нити, заключённой между инертным катодом и анодом, способным к окислению. Создание даже маленького напряжения на аноде уменьшает количество ионов металла на катоде и приводит к инжекции ионов в электролит. Вызванное электроосаждение ионов металла происходит до тех пор, пока не появится контакт между анодом и катодом, что вызовет резкое падение напряжения. При этом этот процесс обратим.
3D XPOINT
3D XPoint — это тип памяти с фазовым переходом (PCM), который имеет в 10 раз большую производительность чем стандартная NAND-flash технология. При этом она до 1000 раз долговечнее.
3D XPoint призвана заполнить пробел в иерархии памяти и хранилищ данных для ЦОД, которая включает в себя SRAM (кеш-память на процессоре), DRAM (оперативная память), NAND (SSD), жесткие диски, магнитную ленту и оптические диски. Она занимает промежуточное место между DRAM и энергонезависимой флеш-памятью NAND. Внедрение 3D XPoint в качестве нового уровня хранения данных является крупным технологическим прорывом, одним из наиболее важных с момента появления масштабных облачных ЦОД. Эта технология может применяться не только в центрах обработки данных, но и в настольных компьютерах для ускорения доступа к данным.
Модуль Intel Optane, использующий 3D Xpoint для ПК, выполняя функции кеш-памяти, поможет повысить скорость работы любого устройства хранения SATA на платформе Intel Core i 7-го поколения. Intel утверждает, что он вдвое сокращает время загрузки ПК и повышает общую производительность системы на 28%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном реферате было рассказано об истории флэш-памяти, её типах и принципах работы. Было описано, где используются флэш память, какую нишу она занимает в иерархии памяти в вычислительных системах. Также были описаны тренды развития флэш технологии.
Развитие вычислительных средств требует больших объёмов дешёвой и быстрой памяти и флэш технологии будут играть всё большую роль в этом развитии за счёт своей надёжности, скорости записи и чтения. А разнообразие технологий флэш-памяти позволит создавать системы хранения данных, специально подобранные для конкретного типа устройств.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. https://habr.com/ru/post/135515/ - (2011) обзорная статья с прекрасными снимками срезами чипов, на которых можно разглядеть физическое воплощение Flash памяти.
2. Кузьмин А. flash память // А. Кузьмин. – М.: Изд-во Горячая линия
– телеком, 2005. – 80 стр
3. https://hobbyits.com/princip-raboty-i-ustro...-flesh-pamyati/ - Принцип работы и устройство флеш-памяти
4. https://kpfu.ru/staff_files/F_234786143/Met..._pamyat_EOR.pdf - принцип работы + форм факторы карт памяти
5. https://habr.com/ru/post/189294/ - Краткий экскурс в историю флэш-памяти
6.https://www.osp.ru/lan/2018/02/13054340/ - 3D Xpoint
7.http://www.snia.org/sites/default/education/tutorials/2009/fall/solid/PhilMills_The_Future_of_Solid_State_Storage.pdf – SCM |
| Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: Nicas10 (25.12.2019)
| Автор: Тачкин Никита
|
| Просмотров: 408
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
