SSD: Механізми запису і читання комірки NAND-пам'яті.

 

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

 

 

 

(рис. 1) Польовий транзистор з ізольованим затвором або MOSFET.

 

 

Головною особливість польового транзистора (рис. 1), 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.

 

 

 

(рис. 2) Програмування польового транзистора – запис даних.

 

 

Накопичений заряд на плаваючому затворі впливає на провідність каналу стік-джерело, що використовується при читанні (рис. 2).

 

 

 

(рис. 3) Механізм читання даних і стан зберігання інформації.

Така різниця механізму запису і читання (рис. 3) 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.

 

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 (табл. 1).

 

	SLC	MLC
Читання сторінки, мкс
Стирання блоку, мс
Запис сторінки, мкс
Кількість циклів, разів	1 000 000	100 000

(табл. 1)

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.

 

Через обмеженість циклів запису/стирання клітинок флеш-пам'яті розробникам довелося скласти правильний алгоритм роботи SSD-диска, що дозволяє рівномірно «зношувати» весь його запам'ятовувальний простір. Як вже було нами відзначено, весь об'єм диску ділиться на блоки розміром 512 КБ, а вони у свою чергу на сторінки ємністю 4 КБ, на які здійснюються операції читання та запису. Але як тільки ви записали інформацію на сторінку, вона не може бути перезаписана доти, доки не буде очищена. Проблема полягає в тому, що мінімальний розмір записуваної інформації не може бути менше 4 КБ, а стерти дані можна мінімум блоками по 512 КБ. Для цього контролер групує і переносить дані (цей алгоритм ми опишемо нижче) для звільнення цілого блоку. Ця операція приводить до збільшення часу відгуку і скороченню ресурс SSD, але чимось доводиться жертвувати. Поговоримо про алгоритм запису/видалення (рис.4, 5).

(рис.4)

Після запиту на запис від операційної системи, контролер носія визначає розмір і структуру інформації. При наявності достатньої кількості порожніх блоків виділяється новий блок, на який і копіюються дані, передані ОС для запису. Однак по мірі заповнення диска і зменшенню достатньої кількості порожніх блоків дана операція суттєво ускладнюється. Контролер все частіше шукає максимально підходящий (по кількості вільних сторінок), частково зайнятий блок і переписує його в порожній блок, сполучаючи його з даними, що прийшли від ОС для запису та повністю заповнює його. Старий блок потім очищається. При такому алгоритмі ми одержуємо один повністю заповнений блок і один порожній, який зараховується в групу порожніх блоків, доступних для запису. При запиті на запис, контролер використовує тільки блоки з цієї групи.

 

(рис.5)

У своєму оснащенні контролер зазвичай має 10 каналів, зокрема такою кількістю каналів володіють контролери SSD-дисків від Intel. Весь пул мікросхем рівномірно закріплений за кожним каналом обміну даних. На даному етапі розвитку технологій роботи SSD-дисків, мікросхеми пам'яті, взаємодіючі з першим каналом, не можуть перетинатися на операціях з другим, третім і наступними каналами, але дана проблема цілком може розв'язатися у найближчому майбутньому. Цілком логічно б було використовувати «плаваючі» зв'язки для всієї пам'яті, розміщеної на диску. Часто виникає необхідність запису черги з дрібних даних, тоді контролер автоматично розподіляє весь блок по всім каналам, але зв'язок між комірками зберігається, тому що цей шматок даних є однієї логічною одиницею. Операція видалення даних теж напряму залежить від їх об'єму і розміщення. Якщо вся інформація, записана в одному блоці або в групі блоків, повністю займаючи їх, то блок/блоки просто очищаються і позначаються як порожні та готові для наступного запису з максимально можливою швидкістю. Але даний ідеальний випадок зустрічається не завжди. Якщо необхідно видалити не весь блок, а кілька сторінок, що знаходяться у ньому, то контролер видаляє дані логічно, не стираючи їх, а просто позначаючи дані сторінки як видалені. Надалі інформація, що залишилася, буде скомпонована з новою, яка надійшла для запису, і записана в порожній блок, а вихідний блок, згідно вищевикладеному в алгоритмі запису, буде повністю видалений і позначений як порожній.

Підсумки

На даний момент поки ще рано казати про повну перемогу SSD-накопичувачів над магнітними дисками. Якщо враховувати об'єм і швидкість роботи SSD-накопичувача, порівнюючи їх з аналогічними параметрами для традиційних HDD, то головним стримуючим фактором переходу на твердотільні диски все ще залишиться їх вартість. Твердотільні накопичувачі вже декілька років представлені в різноманітному асортименті на світовому ринку, але навіть такий значний для цифрових технологій термін не зміг вплинути на їх конкурентоспроможність за критерієм «ціна за ГБ збереженої інформації» стосовно магнітних дисків. Щільність запису на один магнітний диск постійно збільшується, що сприяє випуску все більш ємних моделей.