Megoldunk néhány problémát a régi SSD-kkel. Problémák az SSD-kkel és megoldásaik Ssd lemezhiba

Manapság számítógép vásárlásakor sokakban felmerül a kérdés: PC melyik meghajtóval érdemesebb vásárolni, HDD vagy SSD. A kérdés megválaszolásához először meg kell értenie, mi a fő különbség az SSD és a HDD között. A HDD-merevlemezek a hetvenes években jelentek meg, és még ma is számítógépek milliói használják. Alapvető HDD merevlemez működési elve van az információk írásában és olvasásakor speciális mágneses lemezeken. Az olvasás rögzítése egy fejmozgató kar segítségével történik, miközben maguk a mágneses lemezek nagyon nagy sebességgel forognak. A HDD merevlemez mechanikus összetevői, valamint az írási és olvasási sebesség miatt gyengébb, mint az SSD szilárdtestalapú meghajtók.

Hogyan működik az SSD meghajtó? ráépült információk rögzítése és olvasása az összetételében található speciális nagy sebességű memóriachipekről. Az SSD-ről történő információírás és -olvasás sebessége többszöröse a HDD-nek. Ezenkívül a mikroáramkör-kialakításnak köszönhetően az SSD kevésbé érzékeny az ütközések és az esések okozta sérülésekre, valamint miniatűr formájúak, amelyek lehetővé teszik a táblagépekbe és az ultrabookokba való telepítést. Fő hátrányai szilárdtestalapú meghajtók ár és életciklus. Ám a fejlődés nem áll meg, így már most is látható, hogy az SSD-k ára fokozatosan csökken, az átírási ciklusuk pedig növekszik. Ebben a cikkben megvizsgáljuk a szilárdtestalapú meghajtókkal való munka minden szempontját, és leírjuk azok jellemzőit, tehát ha úgy dönt, hogy HDD-ről SSD-re vált, akkor ez a cikk nagyon hasznos lesz az Ön számára. Ezenkívül megvizsgáljuk azokat a problémákat, amikor a BIOS nem látja az SSD-t és sok mást.

Milyen típusú SSD meghajtók léteznek, és melyik a jobb?

Szilárdtestalapú meghajtó kiválasztásakor először is kellene ügyeljen a formai tényezőjére és a különböző típusú interfészekre, amelyen keresztül csatlakoznak a PC-hez. A legelterjedtebb forma, akárcsak a merevlemez-meghajtók esetében, a 2,5 hüvelykes ház. Ez a szilárdtestalapú meghajtó számos laptopban és személyi számítógépben megtalálható. Az alábbiakban egy lista található, amely felsorolja az SSD-kben manapság elérhető összes típustényezőt:

• 2,5 hüvelykes forma;
• mSATA alaktényező típusa;
• Forma tényező típusa M.2.

Az alábbiakban a 2,5 hüvelykes szilárdtestalapú meghajtók képe látható, amely a leggyakoribb és sok felhasználó számára ismerős.

A fent felsorolt ​​meghajtók meglehetősen népszerű modellek, és a következő címkékkel rendelkeznek: GOODRAM CX200 240 GB, Kingston HyperX FURY SHFS37A/120G és Samsung 850 EVO MZ-75E250B. Az ilyen meghajtók a legtöbb számítógépen használt szabványos SATA interfészen keresztül csatlakoznak.

Az alábbiakban bemutatott második típusú mSATA eszközt 2009 óta főleg laptopokban használják.

Asztali alaplapokon rendkívül ritkán látni mSATA-t, de az ultrabookokon és táblagépeken sem ritka.

A harmadik M.2 formai tényező egy új fejlesztést jelent, amely az mSATA eszközöket váltja fel. Az alábbi képen egy Samsung M.2-es lemez látható.

Kiválasztottuk a szilárdtestalapú meghajtók formátumait, most próbáljuk meg kitalálni a bennük használt memória típusát. Most akciósan találhat SLC, MLC és TLC típusú NAND memóriával rendelkező eszközöket. Az alábbi táblázat a memória jellemzőit mutatja a NAND chipekhez viszonyítva.

A NAND chip specifikációi	SLC	MLC	TLC
A cellánkénti bitek száma	1	2	3
Az újraírási ciklusok száma	90000 - 100000	10000	3000 - 5000
Chip olvasási ideje	25 minket	50 minket	~75 mi
Programozási idő	200-300 us	600-900 us	~ 900-1350 us
Idő törlése	1,5-2 ms	3 ms	4,5 ms

A táblázat jellemzőiből látható, hogy az SLC chipekre épített lemezek 90 000 - 100 000 átírási ciklussal rendelkeznek. Ebből következik, hogy az ilyen lemezek tovább bírják. De az SLC meghajtó vásárlása manapság nagyon drága öröm, ezért a legtöbb felhasználó az MLC és TLC meghajtókat részesíti előnyben. Annak érdekében, hogy olvasóink képet kapjanak az SSD élettartamáról, elkészítettünk egy táblázatot, amely leírja azt.

SSD meghajtó erőforrása a TLC memórián
Az újraírási ciklusok száma	3000	5000
memória	120 GB	120 GB
Átlagos felvételi mennyiség naponta	12 GB	12 GB
	10x	10x
	Egy ciklus = 10 * 12	Egy ciklus = 10 * 12
SSD erőforrás képlete	SSD erőforrás = 3000/120	SSD erőforrás = 5000/120
Az SSD meghajtó élettartamának becslése	8 év	13,5 év

A táblázatból észrevehető, hogy a legolcsóbb TLC memóriachipekkel ellátott meghajtót vettük alapul. A képlet azt mutatja, hogy az SSD-nk naponta egy újraírási cikluson megy keresztül, és ez nem is olyan kevés. Például egy PC-felhasználó sokkal kevesebb információt írhat át, napi 120 GB-ot. De még ilyen könyörtelen körülmények között is ez a lemez 8 vagy 13,5 évig képes működni.

Az alábbiakban egy táblázat található az SLC, MLC memóriachipekkel rendelkező meghajtókról.

Számítás	SSD meghajtó erőforrása az SLC memórián		SSD-meghajtó erőforrása az MLC-memórián
Az újraírási ciklusok száma	90000	100000	9000	10000
memória	120 GB	120 GB	120 GB	120 GB
Átlagos felvételi mennyiség naponta	12 GB	12 GB	12 GB	12 GB
A rögzített információk mennyiségének növelése	10x	10x	10x	10x
A napi ciklusok újraírásának képlete	Egy ciklus = 10 * 12	Egy ciklus = 10 * 12	Egy ciklus = 10 * 12	Egy ciklus = 10 * 12
SSD erőforrás képlete	SSD erőforrás = 90000/120	SSD erőforrás = 100000/120	SSD erőforrás = 9000/120	SSD erőforrás = 10000/120
Az SSD meghajtó élettartamának becslése	750 év	833 év	75 éves	83 éves

Természetesen a felhasználó több átírási ciklust is használhat naponta, de akkor a táblázat indikátorai mások lesznek. Például, ha naponta 10-szer ír át egy SSD-t MLC memóriachipekre, akkor ennek a lemeznek az életciklusa 7,5 év lesz. Ítélje meg maga, 10-szeres átírással ezen a lemezen naponta 1200 GB információt kell átírnia, ami meglehetősen jelentős mennyiség.

A fent ismertetett információk alapján az átlagos PC-felhasználó számára elég egy TLC memóriachipekkel ellátott SSD.

A problémákat a régi SSD-k frissítésével oldjuk meg

Minden új meghajtó beépített SSD-vel rendelkezik egy speciális szubrutin, amely eltávolítja a szemetet, amikor megtelik. Ez a szemételtávolító mechanizmus szükséges az SDD teljesítményének fenntartásához. A szilárdtestalapú meghajtók már jó ideje a piacon vannak. Az SSD-k régebbi verzióiban egyes modellek nem rendelkeznek a szeméttisztítás elleni védelemmel írási sebesség az ilyen lemezeken észrevehetően csökken. Ezt a problémát úgy oldhatja meg, hogy teljesen törli az információkat a lemezről, majd újratelepíti a Windows rendszert. Annak érdekében, hogy ne telepítse újra a Windows-t vagy ne ossza fel új partíciókat a lemezen, az alábbiakban egy olyan módszert ismertetünk, amely megőrzi a rendszer korábbi állapotát.

Először is le kell töltenie a képet a http://clonezilla.org webhelyről Clonezilla, amely segít az összes partíció mentésében. A rendszer klónozásának és helyreállításának más módjait is használhatja. A rendszerkép létrehozásának folyamata segítségével Clonezilla Egyszerű, és gyakorlott felhasználó és kezdő is kezelheti. A teljes biztonsági másolat létrehozása után megkezdheti a lemez tisztítását. Ehhez szükségünk van egy képre Linux Parted Magicés a hasznosság UNetbootin. Ezt a szoftvert a következő webhelyekről töltheti le: https://partedmagic.comÉs http://unetbootin.github.io. A segédprogram használata UNetbootin A képünket USB flash meghajtóra írhatod, abból indítható meghajtót készítve. A rendszerindító USB flash meghajtó létrehozása után indítható róla.

Most az asztalon találjuk a programot " Lemez törlése", és indítsuk el.

A megnyíló programablakban keresse meg a „ Belső biztonságos törlés", és kattintson rá. Ezt követően egy ablaknak kell megnyílnia, amely arra kéri, hogy válassza ki az SSD-t. A szükséges lemez kiválasztása után megkezdődik a felülírási folyamat. A tisztítás után állítsa vissza a rendszert a segítségével Clonezilla. A visszaállított Windowsnak úgy kell működnie, mintha új SSD-je lenne.

Segítségével Linux Parted Magic a felhasználó feloszthatja és új partíciókat hozhat létre az SSD-n. A szilárdtestalapú meghajtókon ugyanúgy particionálhat és létrehozhat partíciót, mint a merevlemez-meghajtón.

Megoldjuk a teljesítménnyel, a BIOS-szal és az SSD firmware-rel kapcsolatos problémákat

A leggyakoribb probléma üzemzavar, vagy mikor a számítógép nem látja az SDD-t, van az alaplapi BIOS mikrokód régi verziója. Bármelyik alaplapon frissítheti a BIOS-t. Leggyakrabban az SSD-vel kapcsolatos probléma az alaplapok régebbi verzióinál jelentkezik, új UEFI BIOS-szal. A BIOS frissítése a legtöbb esetben egy letöltött mikrokódfájl és egy USB flash meghajtó segítségével történik. A BIOS-fájl egy flash meghajtóra kerül, és a frissítésre szolgál. Minden alaplapgyártó részletes utasításokat tartalmaz a honlapján a BIOS frissítéséhez.

Legyen óvatos a BIOS frissítésekor, mert a nem megfelelő frissítés károsíthatja az alaplapot.

A CPU-Z segédprogram segítségével megtudhatja, hogy melyik BIOS-verzió van telepítve egy Windows PC-re.

Sok PC-felhasználó vásárol SSD-ket, hogy jelentősen felgyorsítsa a Windows rendszert. De egy ilyen frissítésnél figyelembe kell venni, hogy a legtöbb régebbi számítógép csak a SATA-2 csatlakozót támogatja. Ha SATA-2-höz szilárdtestalapú meghajtót csatlakoztat, a felhasználó 300 MB/s adatátviteli sebességkorlátozást kap. Ebből következik, hogy a vásárlás előtt tájékozódni kell, hogy az alaplapunk támogatja-e a 600 MB/s átviteli sebességet biztosító SATA-3 csatlakozót.

Az SSD stabilabbá tétele érdekében firmware segítségével megszabadulhat a legtöbb hibától. Az SSD firmware-je a BIOS-hoz hasonló mikrokód, amelynek köszönhetően a meghajtó működik. A firmware, valamint a BIOS megtalálható az SSD gyártójának hivatalos honlapján. A frissítésre vonatkozó utasítások a gyártó honlapján is megtalálhatók. Egy ilyen firmware megoldhatja a problémát egyes alaplapokon, ha az SSD nem látja őket.

A számítógép nem látja az SSD-t a kábel vagy az illesztőprogramok miatt

A fent leírt problémák mellett nagyon gyakran az alaplap nem látja az SSD-t a probléma kábel vagy csatlakozó miatt. Ebben az esetben ez segít kábelcsere SATA működőképes. Ezenkívül sok esetben az alaplap nem látja a hibás SATA port miatt, így megoldhatja ezt a problémát csatlakozik egy másik porthoz.

Ha SSD-t csatlakoztat egy merevlemezen futó számítógéphez, előfordulhat, hogy az nem látja azt. A rendszer nem látja a telepített SSD-t a régi illesztőprogramok miatt. Ezt a problémát úgy lehet megoldani frissítéseket ilyen járművezetők, mint például az Intel Rapid Storage Technology illesztőprogram és az AMD AHCI illesztőprogram.

SATA AHCI

Az AHCI egy szükséges mód ahhoz, hogy a vezérlő megfelelően működjön az SSD-vel. Ez a mód lehetővé teszi a SATA vezérlő számára, hogy új funkciókat engedélyezzen, beleértve az SSD sebességének növelését. A régi IDE módtól eltérően az AHCI mód a következő előnyökkel jár:

• AHCI mód támogatása a csatlakoztatott meghajtók üzem közbeni cseréjéhez a Windows rendszerben;
• Az AHCI javítja a termelékenységet az NCQ technológia használatakor;
• Az AHCI mód lehetővé teszi 600 MB/s átviteli sebesség használatát (ez az SSD-meghajtókra vonatkozik).
• Az AHCI mód támogatja a további parancsokat, például a TRIM.

Ha modern alaplapra telepíti a Windows-t, akkor nem szükséges engedélyezni az AHCI módot a beállításokban, mivel ez az alapértelmezett, de ha korábban régebbi Windows-t, például Windows XP-t használt, akkor IDE-ről kell átállítania az üzemmódot. az AHCI-hez. Az alábbi ábra egy engedélyezett AHCI móddal rendelkező MSI alaplap BIOS beállításait mutatja.

Azt is érdemes megjegyezni, hogy ha XP után telepítette a Windows 7-et, akkor az AHCI módba váltás után a BIOS firmware IDE módban látja a telepített hetet, és ezt követően kék képernyő jelenik meg. Ebben az esetben a Windows 7 újratelepítése AHCI módban segít.

Az SSD lemez megfelelő particionálása

A fórumokon sok PC-felhasználó gyakran felteszi ezt a kérdést: hogyan lehet megfelelően particionálni egy SSD-lemezt. A válasz erre a kérdésre meglehetősen egyszerű - nincs alapvető különbség a lemezek particionálásakor az SSD és a HDD között. Ezért ha van tapasztalata a HDD-k particionálásában, akkor az SDD-ket is particionálhatja. Az egyetlen szempont, amit figyelembe kell venni, az SSD és a HDD kapacitása, amely utóbbinál sokkal nagyobb. Például a rendszerlemez kötetének meg kell felelnie a rajta telepített szoftver méretének és a megfelelő működéshez szükséges szabad helynek.

Foglaljuk össze

Az anyag elolvasása után minden olvasónk láthatja, mi az előnye a modern félvezető SSD-knek a kemény HDD-kkel szemben. Olvasóink ebben az anyagban is megtalálják az SSD-kkel kapcsolatos problémák megoldásának módját. Azt is érdemes megjegyezni, hogy a szilárdtestalapú meghajtókat megfelelően kell konfigurálni az operációs rendszerben. Ebből a célból van egy cikkünk „SSD beállítása Windows 7, 8 és 10 rendszerhez”, amely segít az SSD helyes konfigurálásában.

Videó a témáról

Az SSD-piac fokozatosan sokszínűbbé válik. Az SSD-meghajtók kapacitása nő, és ezzel párhuzamosan csökken a memória gigabájtjánkénti ára. Azt azonban még korai lenne állítani, hogy az SSD-meghajtók népszerűvé váltak. Ennek fő oka az alacsony (a hagyományos HDD-meghajtókhoz képest) kapacitásuk és a nagyon magas (ismét a hagyományos HDD-meghajtókhoz képest) gigabájt memóriaköltségük. Ezért az SSD-meghajtó jelenléte egy otthoni asztali számítógépben inkább kivétel a szabály alól. Sőt, még a netbookokban és laptopokban is rendkívül ritkák az SSD meghajtók. Ugyanakkor már most nyilvánvaló, hogy az adattároló rendszerek jövője az SSD-meghajtókban rejlik, amelyek a jövőben kiszorítják a HDD-meghajtókat a piacról. Mikor fog ez megtörténni? Igen, sőt, amint kapacitásuk és költségük összehasonlíthatóvá válik a HDD-meghajtókkal. Ezután az utóbbi egyszerűen eltűnik osztályként, mivel az SSD-meghajtóknak számos tagadhatatlan előnye van a HDD-meghajtókkal szemben.
Ebben a cikkben megvizsgáljuk a modern SSD-meghajtók működésének néhány jellemzőjét, amelyek néha sok kérdést és zavart okoznak, beszélünk architektúrájuk jellemzőiről, valamint ezeknek a meghajtóknak a laptopokban, PC-kben való használatának lehetséges lehetőségeiről. és szerverek.

Az SSD-meghajtókra való váltás jelentősége

A PC számítási képességeit meghatározó modern központi feldolgozó egységek teljesítménye jelentősen meghaladja a hagyományos merevlemezek (HDD) teljesítményét. Ennek eredményeként az adattárolási alrendszerek sok esetben szűk keresztmetszetekké válnak, amelyek hátráltatják a számítógép teljesítményének növekedését összességében. A RAID-tömbökön alapuló drága megoldások csak részben oldják meg a processzorok és a HDD-alapú tárolóalrendszerek teljesítményének egyensúlyhiányát. A jövőben pedig a processzorok és a HDD-k teljesítménye közötti egyensúlyhiány csak nőni fog, és elkerülhetetlenül eljutunk odáig, hogy számos alkalmazásban a számítógép teljesítményét már nem a processzorok teljesítménye határozza meg, hanem a leggyengébb láncszemen – a adattárolási alrendszer. Így 1996 óta a processzorok átlagos teljesítménye 175-szörösére, míg a HDD-lemezek teljesítménye (értsd: 20 KB-os blokkok szelektív olvasása) mindössze 1,3-szorosára nőtt.

Ma ezt a problémát csak úgy lehet megoldani, ha HDD-ről flash memórián alapuló SSD-re (Solid State Drive) váltunk. Az ilyen meghajtók olyan szintű teljesítményt képesek nyújtani, amely teljes mértékben megfelel a modern többmagos processzorok teljesítményének.

A nagy teljesítmény azonban nem az SSD-meghajtók egyetlen előnye. Ezenkívül teljesen csendesek, mivel nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, és ami különösen fontos a laptopoknál, sokkal kevesebb energiát fogyasztanak, mint a HDD meghajtók. Így a normál 2,5 hüvelykes HDD fogyasztása aktív módban körülbelül 2,5-3 W, készenléti üzemmódban pedig körülbelül 0,85-1 W. Ha a HDD nem aktív, akkor egy idő után (beállításoktól függően) alacsony fogyasztású üzemmódba (Standby vagy Sleep) vált, és ebből az üzemmódból kilépve kb. 1-2 másodpercet vesz igénybe, hogy felpörögjön. Az SSD (nem szerver) jellemző energiafogyasztása aktív módban körülbelül 0,15 W, készenléti üzemmódban pedig 0,06 W. Ezen túlmenően, ha helyesen van konfigurálva, az aktív üzemmódból az alacsony fogyasztású módba való átállás automatikusan megtörténik, ha a lemez 25 ms-ig inaktív. És ezek a meghajtók szinte azonnal bekapcsolnak, mivel egyszerűen nincs mit felpörgetniük. Ne feledje, hogy ahhoz, hogy az SSD-lemez automatikusan alacsony fogyasztású módba lépjen, aktiválni kell a rendszerleíró adatbázisban az eszköz által kezdeményezett energiagazdálkodás (DIPM) funkciót, mivel a HIPM funkció alapértelmezés szerint be van állítva, amikor a az alacsony fogyasztású módba való átállást nem maga a lemez szabályozza.és az operációs rendszer.

Az SSD-meghajtók nem rosszabbak a hagyományos HDD-meghajtóknál olyan jellemzők tekintetében, mint a meghibásodások közötti átlagos idő (MTFB). Tehát, ha egy HDD esetében a meghibásodások közötti átlagos idő körülbelül 300 ezer óra, akkor az SSD-meghajtóknál ez több mint egymillió óra.

Úgy tűnik, hogy ha az SSD-meghajtók előnyei ennyire nyilvánvalóak, miért nem terjedtek még el széles körben? Sajnos az SSD meghajtóknak komoly hátrányai is vannak. Először is, a modern SSD-meghajtók kapacitásukat tekintve nem hasonlíthatók össze a HDD-meghajtókkal. Tehát, ha a HDD-meghajtók (3,5 hüvelykes) kapacitása eléri a 3 TB-ot, akkor az SSD-meghajtók (2,5 hüvelykes) maximális kapacitása csak 512 GB. Igaz, ha összehasonlítjuk a 2,5 hüvelykes SSD- és HDD-meghajtókat, akkor ezek kapacitása meglehetősen összehasonlítható.

Az SSD meghajtók második hátránya a költségük, amely többszöröse a HDD-nek.

Ha azonban az SSD-meghajtók kapacitásáról van szó, nem minden olyan rossz, mint amilyennek látszik. Az SSD-kapacitás sokkal gyorsabban növekszik, mint a HDD-kapacitás, és nincs messze a nap, amikor az SSD-k túlszárnyalják a HDD-kapacitást. Ennek bizonyítékaként álljon itt néhány érdekes statisztika. 2006-ban az Intel, az SSD-piac egyik vezető szereplője, 90 nm-es folyamattechnológiával NAND flash memória chipeket gyártott SSD meghajtókhoz, 1 vagy 2 Gbit kapacitással. 2009-ben az Intel a 34 nm-es folyamattechnológiával flash memória chipeket gyártott, és a chipek kapacitása 32 Gbit lett. 2010-ben a cég elsajátította a 25 nm-es folyamatot a 64 Gbit kapacitású flash memória chipek előállítására. Amint láthatja, az SSD-meghajtók flash memória chipek kapacitásának növekedési üteme lenyűgöző: valójában minden évben megduplázódik. Tehát hamarosan az SSD-meghajtók túlszárnyalják a merevlemezeket mennyiségben.

Azt is meg kell jegyezni, hogy bár az SSD-meghajtók széles körű elterjedése még messze van, helytelen azt állítani, hogy SSD-meghajtókat egyáltalán nem vásárolnak. A statisztikák a következők: 2008-ban még csak 700 ezer SSD-meghajtót adtak el a világon, 2009-ben már 2 millió darab volt az eladási volumen, idén pedig az előrejelzések szerint eléri az 5,9 millió darabot. A várakozások szerint 2013-ra az SSD-meghajtók piaca eléri a 61,8 millió darabot.

Tehát az SSD-meghajtók értékesítési volumenére vonatkozó előrejelzések nagyon optimisták, de nem válaszolnak a fő kérdésre: mit tegyenek a felhasználók ma, amikor az SSD-meghajtók kapacitása még nem elég magas, és költségük még mindig nagyon magas? Ha otthoni felhasználókról beszélünk, akkor természetesen nincs értelme kidobni a HDD-ket az SSD telepítéséhez. Azonban továbbra is lehetséges a számítógép teljesítményének növelése SSD-meghajtók használatával. Az optimális megoldás az, ha egy asztali számítógép egy SSD-meghajtó és egy vagy több HDD-meghajtó kombinációját használja. Az operációs rendszert és az összes programot SSD lemezre telepíthetjük (ehhez egy 80 GB-os lemez is elég lesz), adattárolásra pedig a HDD lemezt használhatjuk.

Flash memória cella tervezés

Mint mondtuk, az SSD-meghajtók fő előnye a HDD-meghajtókhoz képest nagyobb teljesítményük, de nem biztosítottak olyan speciális jellemzőket, mint a szekvenciális és szelektív olvasási és írási sebesség. Mielőtt azonban rátérne az SSD-meghajtók sebességi jellemzőire, valamint az SSD-meghajtók típusaira, meg kell ismerkednie az architektúra jellemzőivel, valamint az információk olvasásának és írásának folyamatával ezekre a meghajtókra. Kezdjük a flash memória cella szerkezetének rövid leírásával.

A legegyszerűbb szinten a flash memória cella az n-csatornás MOSFET tranzisztor úgynevezett lebegő kapuval. Emlékezzünk arra, hogy a szokásos n-csatornás MOSFET tranzisztor (struktúra n-p-n) két állapotú lehet: nyitott és zárt (zárt). A drain és a gate közötti feszültség szabályozásával lehetőség nyílik elektronvezetési csatorna létrehozására ( n-csatorna) a forrás és a lefolyó között (1. ábra). Azt a feszültséget, amelyen a vezetési csatorna megjelenik, küszöbértéknek nevezzük. A vezetési csatorna jelenléte a tranzisztor nyitott állapotának, a hiánya pedig (amikor a tranzisztor nem képes áramot vezetni a forrásból a lefolyóba) zárt állapotnak felel meg.

Rizs. 1. MOSFET tranzisztor szerkezete (nyitott és zárt állapot)

Nyitott állapotban a lefolyó és a forrás közötti feszültség közel nulla, zárt állapotban pedig elérheti a magas értéket. Természetesen maga a tranzisztor nem képes információt tárolni. Valójában egy lebegő redőnyt kifejezetten információ tárolására terveztek (2. ábra). Polikristályos szilíciumból készül, és teljesen körül van egy dielektrikum réteg, amely biztosítja számára a tranzisztor elemeivel való elektromos érintkezés teljes hiányát. Az úszókapu a vezérlőkapu és a hordozó között található p-n-átmenetek. Egy ilyen kapu korlátlan ideig (akár 10 évig) képes fenntartani a ráhelyezett töltést (negatívot). A többlet negatív töltés (elektronok) jelenléte vagy hiánya a lebegő kapun logikai egyesként és nullaként értelmezhető.

Rizs. 2. Lebegőkapu tranzisztor tervezés és memóriacella tartalmának kiolvasása

Először is vegyük figyelembe azt a helyzetet, amikor az úszókapun nincsenek elektronok. Ebben az esetben a tranzisztor a már tárgyalt hagyományos tranzisztorhoz hasonlóan viselkedik. Ha a küszöbértékkel megegyező pozitív feszültséget (a memóriacella inicializálását) a vezérlőkapura kapcsoljuk, a kapu területén vezetési csatorna jön létre - és a tranzisztor nyitott állapotba kerül. Ha többlet negatív töltést (elektronokat) helyezünk az úszókapura, akkor a vezérlőkapura küszöbfeszültség adása esetén is kompenzálja a vezérlőkapu által keltett elektromos teret és megakadályozza a vezetési csatorna kialakulását, azaz , a tranzisztor zárt állapotban lesz.

Így a töltés jelenléte vagy hiánya a lebegő kapun egyértelműen meghatározza a tranzisztor állapotát (nyitott vagy zárt), amikor ugyanazt a küszöbfeszültséget kapcsoljuk a vezérlőkapuhoz. Ha a vezérlőkapu feszültségellátását a memóriacella inicializálásaként értelmezzük, akkor a forrás és a lefolyó közötti feszültség felhasználható az úszókapu töltés jelenlétének vagy hiányának megítélésére.

Vagyis ha nincs vezérlőfeszültség a kapun, függetlenül attól, hogy van-e töltés az úszókapun, a tranzisztor mindig zárva lesz, és ha küszöbfeszültséget kapcsolunk a kapura, akkor a tranzisztor állapota az úszókapun lévő töltés határozza meg: ha töltés van, akkor a tranzisztor zárva lesz, és a kimeneti feszültség magas lesz; ha nincs töltés, a tranzisztor nyitva lesz és a kimeneti feszültség alacsony lesz.

A tranzisztor zárt állapotát (vezetési csatorna hiánya) általában logikai nullaként, a nyitott állapotát (vezetési csatorna jelenléte) logikaiként értelmezik. Így egy memóriacella inicializálásakor (a kapura küszöbfeszültséget kapcsolva) a töltés jelenléte a lebegő kapun logikai nullaként, a hiánya pedig logikai nullaként értelmeződik (lásd a táblázatot).

Az eredmény egyfajta elemi memóriacella, amely egy információbitet képes tárolni. Ebben az esetben fontos, hogy a lebegő kapun (ha van) a töltés korlátlan ideig fennmaradjon, mind a memóriacella inicializálása során, mind a vezérlőkapun feszültség hiányában. Ebben az esetben a memóriacella nem felejtő lesz. Már csak azt kell kitalálni, hogyan helyezzünk el töltést a lebegő kapura (egy memóriacella tartalmát írjuk), és onnan távolítsuk el (egy memóriacella tartalmát töröljük).

Az úszókapu töltése vagy forró elektronok befecskendezésével (CHE-Channel Hot Electrons), vagy a Fowler-Nordheim alagút módszerrel (3. ábra) valósul meg. Nos, a töltés eltávolítása csak a Fowler-alagút módszerrel történik.

Rizs. 3. Egy információs bit lebegőkapu tranzisztorba írásának és törlésének folyamata

A forró elektron-injektálási módszer alkalmazásakor nagy feszültséget kapcsolnak a leeresztő- és vezérlőkapuhoz (a küszöbérték feletti feszültség a vezérlőkapura kerül), hogy a csatornában lévő elektronok elegendő energiát kapjanak ahhoz, hogy leküzdjék a vékonyka által létrehozott potenciálgátot. dielektromos réteg és alagút a lebegő kapu tartományába ( leolvasáskor kisebb feszültség kerül a vezérlőkapura, és nem figyelhető meg alagúthatás).

A lebegő kapu töltésének eltávolításához (egy memóriacella törlésének folyamata) nagy negatív feszültséget kapcsolunk a vezérlőkapuhoz, és pozitív feszültséget a forrás régióra. Ez arra készteti az elektronokat, hogy a lebegőkapu-régióból alagútba jussanak a forrásrégióba (Fowler-Nordheim (FN) kvantum-alagút).

Az általunk vizsgált lebegőkapu tranzisztor alapvető flash memória cellaként működhet. Az egytranzisztoros celláknak azonban számos jelentős hátránya van, amelyek közül a fő a rossz skálázhatóság. A helyzet az, hogy egy memóriatömb szervezésekor minden memóriacella (tranzisztor) két egymásra merőleges buszra csatlakozik: a vezérlőkapuk a szóvonalnak nevezett buszra, a lefolyók pedig a bitvonalnak nevezett buszra (in a jövőben ezt a szervezetet a NOR-architektúra példáján fogjuk figyelembe venni). A forró elektroninjektálási módszerrel történő íráskor az áramkörben lévő nagy feszültség miatt az összes vonalat - szavakat, biteket és forrásokat - kellően nagy távolságra kell elhelyezni egymástól, hogy biztosítsák a szükséges szigetelési szintet, ami természetesen befolyásolja a flash memória kapacitásának korlátozását.

Az egytranzisztoros memóriacellák másik hátránya a túlzott töltés eltávolítása a lebegő kapuból, amit az írási folyamat nem tud kompenzálni. Ennek eredményeként a lebegő kapun pozitív töltés képződik, és a tranzisztor mindig nyitott állapotban marad.

Más típusú memóriacellák is elterjedtek, ilyen például a Silicon Storage Technology, Inc. által kifejlesztett SST cella (4. ábra). Az SST cella tranzisztorban az úszó és a vezérlőkapuk alakja megváltozott. A vezérlőkapu a szélénél egy vonalban van a lefolyó peremével, ívelt formája lehetővé teszi, hogy részben alatta és egyben a forrásterület fölé úszókapu kerüljön elhelyezésre. Az úszókapu ilyen elrendezése lehetővé teszi egyrészt a forró elektronok befecskendezésével történő töltés leegyszerűsítését, másrészt a Fowler-Nordheim alagút miatti töltés eltávolításának folyamatát. hatás.

Rizs. 4. Egy SST memóriacella felépítése

A töltés eltávolításakor az elektronalagút nem a forrástartományban történik, mint az egytranzisztoros cellában, hanem a vezérlőkapu tartományban. Ehhez nagy pozitív feszültséget kapcsolunk a vezérlőkapura. A vezérlőkapu által keltett elektromos tér hatására az úszókapuból elektronok alagútba vezetnek, amit a szélek felé ívelt alakja elősegít.

Az úszókapu töltésével a lefolyó földelődik, és pozitív feszültség kerül a forrás- és vezérlőkapura. Ebben az esetben a vezérlőkapu vezetési csatornát képez, a lefolyó és a forrás közötti feszültség pedig „felgyorsítja” az elektronokat, elegendő energiát adva nekik a potenciálgát leküzdéséhez, vagyis az úszókapuhoz való alagúthoz.

Az egytranzisztoros memóriacelláktól eltérően az SST celláknak kissé eltérő memóriatömb-szervezési sémája van.

Többszintű és egyszintű flash memória cellák

Az összes eddig tárgyalt memóriacella cellánként csak egy bitnyi információt képes tárolni. Az ilyen memóriacellákat egyszintű celláknak (SLC) nevezik. Vannak azonban olyan cellák is, amelyek mindegyike több bitet tárol - ezek többszintű cellák vagy MLC (Multi Level Cell).

Amint azt az egytranzisztoros memóriacella leírásakor már említettük, a logikai egy vagy nulla jelenlétét a bitvonal feszültségértéke határozza meg, és a töltés meglététől vagy hiányától függ a lebegő kapun. Ha egy küszöbfeszültség értéket adunk a vezérlőkapuhoz, akkor az úszókapu töltés hiányában a tranzisztor nyitva van, ami logikainak felel meg. Ha az úszókapun negatív töltés van, amely a vezérlőkapu által létrehozott mezőt a terejével árnyékolja, akkor a tranzisztor zárt állapotban van, ami logikai nullának felel meg. Nyilvánvaló, hogy még ha negatív töltés is van a lebegő kapun, a tranzisztor nyitott állapotba kapcsolható, de ehhez a küszöbértéket meghaladó feszültséget kell kapcsolni a vezérlőkapuhoz. Ezért a töltés hiánya vagy jelenléte a lebegő kapun a vezérlőkapu küszöbfeszültségértéke alapján ítélhető meg. Mivel a küszöbfeszültség a lebegőkapu töltésének mértékétől függ, nem csak két korlátozó esetet - a töltés hiányát vagy meglétét - lehet meghatározni, hanem a küszöbfeszültség értékével a töltés mértékét is meg lehet ítélni. Így, ha lehetőség van egy lebegő kapura különböző számú töltésszintet elhelyezni, amelyek mindegyikének megvan a saját küszöbfeszültség értéke, akkor egy memóriacellában több információs bit is tárolható. Például ahhoz, hogy egy cellában 2 bitet tároljunk egy ilyen tranzisztor segítségével, négy küszöbfeszültséget kell megkülönböztetni, vagyis négy különböző töltési szintet kell elhelyezni a lebegő kapun. Ezután a négy küszöbfeszültség mindegyikéhez két bit kombinációja rendelhető: 00, 01, 10, 11.

Ahhoz, hogy egy cellába 4 bitet lehessen írni, 16 küszöbfeszültséget kell megkülönböztetni.

Az MLC cellákat az Intel aktívan fejleszti, ezért az MLC cellákon alapuló memóriatechnológiát Intel StrataFlash-nek hívják.

Vegye figyelembe, hogy az SLC memóriacellák nagyobb olvasási és írási sebességet biztosítanak. Ráadásul tartósabbak is, azonban a rájuk épülő SSD meghajtók drágábbak, hiszen az MLC és SLC memóriacellákon alapuló SSD meghajtók azonos kapacitása mellett fele annyi lesz a memóriacellák száma egy MLC meghajtóban ( négyszintű cellás memória esetén). Éppen ezért az SLC memóriacellákon alapuló SSD meghajtókat főleg szerverekben használják.

Flash memória tömb architektúra

Az általunk vizsgált legegyszerűbb, lebegőkapu tranzisztoron alapuló, egy bitnyi információ tárolására alkalmas flash memória cella nem felejtő memóriatömbök létrehozására használható. Ehhez csak sok cellát kell megfelelően kombinálni egyetlen tömbbe, azaz létrehozni egy memóriaarchitektúrát.

A flash memória architektúráknak többféle típusa létezik, vagyis a memóriacellák egyetlen tömbbe történő kombinálásának módja, de a NOR és NAND architektúrák a legelterjedtebbek. Vegye figyelembe, hogy az SSD-meghajtók NAND típusú memóriaszervezést használnak, azonban az architektúra jellemzőinek jobb megértése érdekében logikus, hogy először az egyszerűbb NOR architektúrát vegyük figyelembe. Ezenkívül a NOR architektúra volt az első olyan architektúra, amelyet a flash memóriában használtak.

A NOR architektúra (5. ábra) magában foglalja a memóriacellák egy tömbbé való kombinálásának párhuzamos módját. Mint már említettük, egy memóriacella inicializálásához, azaz a cella tartalmához való hozzáféréshez egy küszöbfeszültség értéket kell alkalmazni a vezérlőkapura. Ezért az összes vezérlőkaput egy Word Line nevű vezérlővonalhoz kell csatlakoztatni. A memóriacella tartalmát a tranzisztor lefolyásánál lévő jelszint alapján elemzik. Ezért a tranzisztorok leeresztői egy bitvonalnak nevezett vonalhoz csatlakoznak.

Rizs. 5. NOR architektúra

A NOR architektúra az „OR-NOT” logikai műveletnek köszönheti nevét (az angol rövidítés NOR). A logikai NOR művelet több operanduson egy értéket ad, ha minden operandus nulla, egyébként pedig nullát. Ebben az esetben általában a tranzisztorok csatlakoztatásának elvét értjük, és nem kifejezetten a lebegőkapu tranzisztorokat.

Példaként vegyünk több tranzisztort (lebegő kapu nélkül), amelyek egyetlen bitvonalhoz kapcsolódnak (6. ábra). Ebben az esetben, ha legalább egy tranzisztor nyitva van, a bitvonal kimeneti feszültsége alacsony lesz. És csak abban az esetben, ha az összes tranzisztor zárva van, a bitvonal feszültsége magas lesz. A „NOR” (NOR) logikai függvény igazságtáblázatának megfelelő igazságtáblázatot kapjuk a tranzisztorok kapuin lévő bemeneti feszültségekről és a bitvonalon a kimeneti feszültségekről. Ezért ezt a tranzisztorok kombinálására szolgáló áramkört NOR-nak hívják.

Rizs. 6. Tranzisztorok bekötése a NOR áramkör szerint

A NOR architektúra véletlenszerű, gyors hozzáférést biztosít bármely memóriacellához, de az információ írási (forró elektroninjektálási módszerrel) és törlési folyamatai meglehetősen lassúak. Ráadásul a NOR architektúrájú flash memória chipek gyártásának technológiai sajátosságai miatt a cella mérete nagy, így az ilyen memória nem skálázódik jól.

Egy másik gyakori flash memória architektúra a NAND architektúra (7. ábra), amely egy logikai NAND művelet. A NAND művelet csak akkor ad nullát, ha minden operandus nulla, és egy értéket minden más esetben. A NAND architektúra tranzisztorok soros csatlakoztatását foglalja magában, amelyben minden tranzisztor lefolyása a szomszédos tranzisztor forrására van kötve, és több sorba kapcsolt tranzisztorból álló sorozatban csak az egyik csatlakozik a bitvonalra. Sőt, ha figyelembe vesszük a csatlakozási architektúrát, akkor nem kifejezetten lebegőkapu tranzisztorokról beszélünk.

Rizs. 7. NAND architektúra

Tekintsünk egy csoport ilyen sorba kapcsolt tranzisztort (lebegő kapu nélkül) (8. ábra). Ha az összes tranzisztor kapuján a vezérlőfeszültség megegyezik a küszöbértékkel, akkor az összes tranzisztor nyitott állapotban van, és a kimeneti feszültség (a bitvonal feszültsége) alacsony lesz, ami logikai nullának felel meg. Ha legalább egy tranzisztoron a bemeneti feszültség alacsony (a küszöbérték alatt van), vagyis ha legalább egy tranzisztor kikapcsolt állapotban van, akkor a bitvonal feszültsége magas lesz, ami logikai értéknek felel meg. A „NAND” (NAND) logikai függvény igazságtáblázatának megfelelő igazságtáblázatot kapjuk a tranzisztorok kapuin lévő bemeneti feszültségekről (a szóvonalon lévő feszültségek), a bitvonalon pedig a kimeneti feszültségekről. Ezért ezt a tranzisztorok kombinálására szolgáló áramkört NAND-nak hívják.

Rizs. 8. Tranzisztorok csatlakoztatása NAND áramkör segítségével

Egy lebegőkapusú NAND tranzisztor áramkörben sorba kapcsolt tranzisztorok egy csoportja mindkét végén szabályos tranzisztorokkal van összekötve (lebegő kapu nélkül), amelyek elszigetelik a tranzisztorok csoportját mind a földtől, mind a bitvonaltól, és összekapcsolják a tranzisztorok teljes csoportját. tranzisztorokat a bitvonalhoz inicializálásukkor.

A NOR architektúrához képest ez az architektúra a gyártási folyamat sajátosságai miatt (a szomszédos tranzisztorok lefolyóinak és forrásainak kombinálása, valamint a jóval kisebb számú vezető) lehetővé teszi a tranzisztorok kompaktabb elrendezését, ezért nagymértékben skálázható. A NOR architektúrától eltérően, ahol az információ írása forró elektroninjektálási módszerrel történik, a NAND architektúrában a rögzítés FN alagút módszerrel történik, amely gyorsabb írást tesz lehetővé, mint a NOR architektúra esetében.

Természetesen felmerül a kérdés: a NAND architektúrában hogyan lehet egyetlen memóriacellát elérni (olvasni a cella tartalmát)? Hiszen ha egy ilyen sorosan kapcsolt csoportban legalább az egyik tranzisztor zárt állapotban van (ami a megfelelő tranzisztor lebegőkapuján töltésként értelmezhető), akkor a bitvonalon a feszültség magas lesz, függetlenül a fennmaradó sejtek állapotától. Egyetlen cellához való hozzáféréshez nem elég egyszerűen egy küszöbfeszültséget alkalmazni az adott cellának megfelelő tranzisztor kapujára, és megmérni a feszültséget a bitvonalon. Az is szükséges, hogy az összes többi tranzisztor nyitott állapotban legyen. Ehhez a memóriacellának megfelelő tranzisztor kapujára egy küszöbfeszültség értéket kapcsolunk, amelynek a tartalmát ki kell olvasni, az összes többi tranzisztor kapujára pedig a küszöbértéket meghaladó feszültséget, amely elegendő egy tranzisztor kapujára. vezetési csatorna még az úszókapun lévő töltés jelenlétében is, de nem elegendő a töltések kvantum-alagútjának hatásához. Ebben az esetben ezek a tranzisztorok nyitott állapotba kerülnek, és a bitvonal feszültségét az elért memóriacellának megfelelő tranzisztor lebegő kapuján lévő töltés megléte vagy hiánya határozza meg.

A NAND flash memória logikai felépítése

Amint azt már megjegyeztük, az SSD meghajtók a NAND-hoz hasonló flash memóriát használnak, így a jövőben kizárólag a NAND flash memóriára fogunk összpontosítani.

Annak ellenére, hogy a flash memória lehetővé teszi egyetlen cella olvasását, írását és törlését, az elemi memóriacellák hatékonyabb felhasználását, négyszintű tömbökké egyesítették őket. A legalacsonyabb szinten az elemi memóriacella található, a 4 KB adatot tartalmazó tömbbe egyesített elemi cellákat memórialapnak nevezzük. 128 ilyen oldal alkot egy 512 KB méretű memóriablokkot (néha egy memóriablokk 64 oldalt tartalmaz), 1024 blokk pedig egy 512 MB-os tömböt. Így a cellák tömbökké történő kombinálásának logikai felépítése meglehetősen egyszerű. Az oldal olyan, mint egy fürt (szektor) a merevlemezen, és a flash memória által kezelhető minimális adatméretet jelenti. Az olvasási, írási és törlési műveletek végrehajtása során azonban alapvető különbségek vannak a merevlemez-fürt és a flash memórialap között. Tehát, ha egy merevlemezen egy klaszter olvasható, írható és törölhető, akkor a flash memóriában az olvasási és írási műveletek 4 KB-os oldalakon, az adatok törlése pedig csak 512 KB-os blokkban lehetséges. Ezen túlmenően, ha egyszer egy információt írnak egy oldalra, azt nem lehet felülírni, amíg nem törli (törli).

Adatrögzítési műveletek jellemzői SSD meghajtókban

Tehát, mint már megjegyeztük, a NAND flash memóriába az adatok írása és kiolvasása 4 KB-os oldalakon, az adatok törlése pedig csak 512 KB-os blokkokban lehetséges. Általánosságban elmondható, hogy az SSD-meghajtókra való információírás folyamata nagyon különbözik a HDD-meghajtók hasonló folyamatától. Ez például annak köszönhető, hogy az SSD-meghajtók teljesítménye idővel változik, és a flash memória szekvenciális és szelektív elérésének sebessége is eltér egymástól. E jelenségek magyarázata érdekében nézzük meg közelebbről a HDD és SSD meghajtókon történő rögzítési folyamatokat.

A merevlemez-meghajtók esetében azt a legkisebb információegységet, amelyen a merevlemez-kezelő rendszer működik, szektornak vagy blokknak nevezzük. HDD-n a szektor mérete 4 KB (új modellekben) vagy 512 bájt. A lemezen lévő szektorok (blokkok) címezésére az LBA (Logical Block Addressing) módszert használják, amelyben a merevlemezen címzett minden blokknak saját sorszáma van - egy nullától kezdődő egész szám (azaz az első blokk LBA = 0, a második LBA = 1 stb.). A lemezen lévő LBA blokkok számát a hengerek, sávok, szektorok és olvasó/író fejek száma határozza meg. Tehát az LBA blokk számát a következő képlettel számítjuk ki:

LBA = [(Cylinder x fejek_száma + fejek) x Szektorok/szám] + )